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activite6 (page formateur)

Page à l'attention du formateur : Et si c'était vrai...?

Activité 6 : Peut-prévoir le climat du XXIème siècle?

 

Page à construire

 

 

Un modèle pour prévoir les climats futurs

Depuis 1850 jusqu'à nos jours, les activités humaines ont libéré dans l'atmosphère de grandes quantités de CO2. Ces émissions ont été atténuées grâce aux puits naturels, le puits biosphérique d'une part, le puits océanique d'autre part.

Peut-on prévoir l'évolution du climat lié aux émissions anthropiques au cours du XXIème siècle?

Pour prévoir le climat du XXIème siècle, il faut :

  • Prévoir les émissions de CO2 : ces émissions dépendent de facteurs socio économiques variés. Les experts du GIEC ont imaginé plusieurs scénarii socio économiques (des plus optimistes aux plus pessimistes) et pour chaque scénario, ils ont estimés les quantités de carbone que nos sociétés humaines étaient capables de libérer dans l'atmosphère.
  • Prévoir comment réagiront les puits biosphériques et les puits océaniques, mais de nombreuses incertitudes subisistent:
    • Le puits biosphérique pourrait s'affaiblir : en effet, si la concentration atmosphérique en CO2 continue à augmenter, on peut prévoir que la photosynthèse sera stimulée (sous réserve que d'autres facteurs ne viennent la perturber, la sécheresse, les incendies pourraient en effet limiter l'importance de la photosynthèse) mais la respiration des micro organismes du sols devrait être stimulée par l'augmentation des températures (ce processus devrait même s'accélérer avec le dégel du permafrost) libérant d'importante quantité de CO2 dans l'atmosphère.
    • Le puits océanique pourrait s'affaiblir également : en effet, on sait que le CO2 est soluble dans les eaux froides. Or une augmentation de la concentration atmosphérique en CO2 aura pour conséquence une élévation de la température des océans ce qui pourrait réduire l'intensité du puits océanique.

Première partie : Comment vont réagir les réservoirs de carbone si le climat se réchauffe?


Approche expérimentale :

Problèmes :

  1. Comment va réagir le compartiment biosphérique si le climat se réchauffe? Le compartiment biosphérique jouera-t-il le rôle d'un puits ou d'une source vis-à vis du carbone? Comment vont évoluer les flux liées à la photosynthèse et à la respiration si le climat se réchauffe?
  2. Comment va réagir le compartiment océanique si le climat se réchauffe? Le compartiment océanique jouera-t-il le rôle d'un puits ou d'une source?
Recherche collective des facteurs pouvant modifier les échanges de CO2 entre la biosphère et l'atmosphère d'une part, entre l'atmosphère et l'hydrosphère d'autre part.
  1. Au XXIème siècle l'augmentation annoncée de la concentration atmosphèrique en CO2 devrait stimuler la photosynthèse...
  2. L'augmentation de la température globale de la Terre liée à l'augmentation des GES présents dans l'atmosphère, devrait stimuler la respiration des organismes vivant dans le sol et devrait favoriser un dégazage du carbone de l'océan vers l'atmosphère.

Expérimentation


Manipulation 1 : végétal aquatique (élodée ou cabumba - sonde à CO2)
 - facteur température (découverte d'une rétroaction)
- facteur  HCO3 (découverte d'une rétroaction)
Manipulation 2 : sol forestier (riche en matière organique et micro organismes) - sonde à CO2 et sonde thermique.
-factuer température : on mesure l'intensité de la respiration sur un sol à 25°C et un sol à 5°C
Manipulation 3 : eau à différentes températures et flux de carbone

Premier bilan :

Cette approche expérimentale permet de montrer que les flux "photosynthèse" "respiration" et "dissolution"ne sont pas constants : ils variens en fonction de facteurs environnementaux .

Le cycle du carbone  prend en compte ces variations : les équations qui décrivent ces flux utilisent des boucles de rétroaction...

La connaissance de ces rétroactions est indispensable à la compréhension du cycle du carbone. Elle permet de construire des raisonnements du type :
"Si la température du mileu augmente, je prévois que la photosynthèse sera moins stimulée que la respiration, alors la concentration en CO2 du milieu va diminuer..."  on décrit ici une boucle de rétroaction négative.

" Si la concentration en CO2 augmente, alors je prévois que l'intensité de la photosynthèse va augmenter, alors la concentration en CO2 du milieu va diminuer etc."

"Si la température de l'eau augmente, le flux "dégazage" sera supérieur au flux "dissolution", alors l'océan va jouer le rôle d'une source vis-à-vis du carbone. ... Le CO2 va circuler de l'océan vers l'atmosphère, la concentration de CO2 dans l'atmosphère augmentant, la température va augmenter stimulant le dégazage ... on décrit là une boucle de rétroaction positive.

Approche par la modélisation :

Problèmes :

  1. Si le CO2 augmente la bisophère devrait photosynthétiser davantage et stocker davantage de carbone... la concentration atmosphérique en CO2 devrait diminuer...
  2. Si le CO2 augmente, la température globale de la planète augmentant, le sol d'une part, les océans d'autre part, devraient libérer massivement du carbone dans l'atmosphère... la concentration atmosphérique en CO2 devrait augmenter...
Lequel de ces 2 phénomènes l'emportera ? Pour résoudre ce problème, on exploite le modèle...

Décompresser le modèle 3compartbio_retroaction_220ans.zip puis ouvrir le modèle 3compartbio_retroaction_220ans.vmf avec Venread
Ce modèle comporte 3 pages :
Page 1 : le modèle de référence
Page 2 : la concentration en CO2 atmosphérique est variable... on évalue l'impact d'une augmentation (ou d'une diminution) de la concentration en CO2 atmosphérique sur le cycle du carbone
Page 3 : la température est variable... on évalue l'impact d'une augmentation (ou d'une diminution) de la température sur le cycle du carbone

A SUIVRE
Décompresser le modèle 3compartoce_retroaction_220ans.zip puis ouvrir le modèle 3compartoce_retroaction_220ans.vmf
A SUIVRE

Deuxième partie : Comment pourraient évoluer les émissions anthropiques?


Pour imaginer le climat du futur, les experts commencent par imaginer le monde du futur. Ils proposent divers scénarios.

     
    Les scénarios d'émissions du Rapport spécial sur les scénarios d'émissions (SRES)

    La fourchette de l'augmentation des températures entre 1990 et 2100 qui est mentionnée dans le dernier rapport du GIEC est de 1,4 à 5,8 °C. L'existence d'une fourchette aussi importante tient pour l'essentiel à deux facteurs :

    - une incertitude liée à la modélisation, à la difficulté de reproduire sur ordinateur le monde qui nous entoure
    - une incertitude liée  à l'évolution socio économique, aux choix politiques, aux comportements des sociétés humaines .

     Les scientifiques travaillent donc avec des scénarios d'émission proposés par le GIEC, qui décrivent chacun comment pourraient évoluer les émissions de gaz à effet de serre entre 2000 et 2100 selon des hypothèses diverses. Comme il y a une infinité de possibilités a priori pour décrire ce que seront les émissions à l'avenir, les scénarios sont nécessairement conventionnels. Cela ne signifie pas qu'ils sont totalement arbitraires pour autant,  chacun d'entre eux reflète un état plausible du monde futur. Ils ont été élaborés par des démographes, des spécialistes de l'énergie, des sociologues, des économistes.... Ces scénarios n'ont toutefois ni la prétention de couvrir toute la palette des possibilités, ni celle de proposer une hiérarchie, c'est à dire que leurs auteurs se refusent à dire si certains sont plus probables que d'autres.

    Concrètement le GIEC a édité un rapport décrivant les 40 scénarios utilisés, qui sont regroupés en 4 grandes "familles". Chaque "famille", désignée par un sigle (A1, A2, B1, B2), est supposée correspondre à un projet de société particulier, et les hypothèses "de base" (portant sur la population, les pratiques agricoles, l'évolution des techniques, etc) servent ensuite à modéliser une consommation d'énergie et une consommation agricole, lesquelles sont ensuite converties en émissions de gaz à effet de serre.

    A1. La famille de scénarios A1 décrit un monde futur dans lequel la croissance économique sera très rapide, la population mondiale atteindra un maximum au milieu du siècle pour décliner ensuite et de nouvelles technologies plus efficaces seront introduites rapidement. Les principaux thèmes sous-jacents sont la convergence entre régions, le renforcement des capacités et des interactions culturelles et sociales accrues, avec une réduction substantielle des différences régionales dans le revenu par habitant. 

    La famille de scénarios A1 se scinde en trois groupes qui décrivent des directions possibles de l'évolution technologique dans le système énergétique. Les trois groupes A1 se distinguent par leur accent technologique: 

    • Forte intensité de combustibles fossiles (A1FI), 
    • Sources d'énergie autres que fossiles (A1T),
    • Et équilibre entre les sources (A1B) ("équilibre« signifiant que l'on ne s'appuie pas excessivement sur une source d'énergie particulière, en supposant que des taux d'amélioration similaires s'appliquent à toutes les technologies de  'approvisionnement énergétique et des utilisations finales).


    A2. Le canevas et la famille de scénarios A2 décrit un monde très hétérogène. Le thème sous-jacent est l'autosuffisance et la préservation des identités locales. Les schémas de fécondité entre régions convergent très lentement, avec pour résultat un accroissement continu de la population mondiale. Le développement économique a une orientation principalement régionale, et la croissance économique par habitant et l'évolution technologique sont plus fragmentées et plus lentes que dans les autres canevas.

    B1. Le canevas et la famille de scénarios B1 décrivent un monde convergent avec la même population mondiale culminant au milieu du siècle et déclinant ensuite, comme dans le canevas A1, mais avec des changements rapides dans les structures économiques vers une économie de services et d'information, avec des réductions dans l'intensité des matériaux et l'introduction de technologies propres et utilisant les ressources de manière efficiente. L'accent est placé sur des solutions mondiales orientées vers une viabilité économique, sociale et environnementale, y compris une meilleure équité, mais sans initiatives supplémentaires pour gérer le climat.

    B2. Le canevas et la famille de scénarios B2 décrit un monde où l'accent est placé sur des solutions locales dans le sens de la viabilité économique, sociale et environnementale. La population mondiale s'accroît de manière continue mais à un rythme plus faible que dans A2, il y des niveaux intermédiaires de développement économique et l'évolution technologique est moins rapide et plus diverse que dans les canevas et les familles de scénarios B1 et A1. Les scénarios sont également orientés vers la protection de l'environnement et l'équité sociale, mais ils sont axés sur des niveaux locaux et régionaux. 

    Un scénario d'illustration a été choisi pour chacun des six groupes de scénarios A1B, A1FI, A1T, A2, B1 et B2. Tous sont également fiables.

    Les scénarios SRES n'incluent pas d'initiatives climatiques supplémentaires, ce qui signifie que l'on n’inclut aucun scénario qui suppose expressément l'application de la Convention-cadre des Nations Unies sur les changements climatiques ou des objectifs du Protocole de Kyoto pour les émissions.


    Les scénarii du GIEC
     

 

Peut-on prévoir le climat du XXIème siècle en utilisant le modèle à 5 compartiments? Pour résoudre ce problème on exploite le modèle du cycle du carbone à 5 compartiments.


On propose d'utiliser le modèle à 5 compartiments (atmosphère, biosphère, sols, océans de surface et océan de profondeur) pour tester l'impact des prévisions des experts du GIEC sur le climat du XXIème siècle.

Télécharger le modèle : data/vensim/5compart_GIEC_XXIsc.zip .

    • Ce fichier comporte 4 pages : page 1 le modèle exploite le scénario B1 du GIEC, la page 2 le scénario A1F1, la page 3 comparaison des résultats des 2 scénarii (concentration atmosphérique en CO2 et température globale), la page 4 une recherche visant à estimer ce que devraient être les émissions anthropiques pour stabiliser la concentration atmosphérique en CO2 à partir de 2050.

icone_prediction_modele1.jpg

Afficher l'image

Le modèle exploite 2 scénarii du GIEC :

    • Un scénario optimiste noté B1 (Page 1 du modèle) et un scénario pessimiste A1F1 (Page 2 du modèle).
    • On compare les résultats de ces 2 scénarii (Page 3 du modèle).

icone_prediction_résultat1.jpg

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Le modèle utilisant le scénario optimiste B1 prévoit une augmentation de la concentration atmosphérique pouvant atteindre 639 ppmv (on rappelle qu'actuellement cette concentration est voisine de 360ppmv) et une température globale de la Terre de 19°C (contre 15°c actuellement).

Le modèle utilisant le scénario pessimiste A1F1 prévoit une augmentation de la concentration atmosphérique pouvant atteindre 1349 ppmv (on rappelle qu'actuellement cette concentration est voisine de 360ppmv) et une température globale de la Terre de 24°C (contre 15°c actuellement).


 

Approfondissements :

    • On pourra exploiter les données du modèle pour préciser le comportement des différents réservoirs au cours de XXIème siècle.
    • On peut envisager d'affiner les résultats en interrogeant d'autres modèles en ligne sur internet (JavaClimatModel). Voir la prise en main de JavaClimatModel et les pistes d'application (voir page "simulation")


 

En utilisant le modèle, peut-on parvenir à une stabilisation de la concentration  à 400ppm à partir de l'année 2100 (elle est actuellement de 360 ppm) ?

Pour arrêter d'enrichir l'atmosphère en dioxyde de carbone, le principe est très simple : les émissions d'origine humaine doivent rester en dessous du recyclage par les "puits de carbone" (les océans pour une partie, les écosystèmes continentaux pour le reste). Mais ce recyclage n'est pas constant avec le temps : pour les puits continentaux comme pour l'océan, l'absorption décroît avec la température : l'eau océanique dissout moins de CO2 quand elle tiédit, et dans un climat qui se réchauffe l'augmentation de productivité des écosystèmes (si elle subsiste) compense de moins en moins une décomposition accélérée des débris organiques du sol, qui remet du CO2 dans l'atmosphère. La conséquence de ce dernier effet est qu'un niveau donné d'émissions de CO2, qui permet d'avoir une stabilisation instantanée de la concentration en CO2 à un moment donné, deviendra excessif plus tard pour conserver une concentration en CO2 constante, parce que le recyclage aura faibli avec l'élévation de température, pendant que les émissions seront restées les mêmes. De la sorte, le "bon niveau" sous lequel nous devrions rester en ce qui concerne les émissions de CO2, car il permet d'obtenir la stabilisation, évolue - et décroît - avec le temps.

On exploite la page 4 du fichier 5compart_GIEC_XXIsc.mdl . On remarquera que le compartiment atmosphérique reçoit du CO2 d'origine anthropique à partir de 2 flux :

    • Un flux correspond aux émissions anthropiques historiques estimées.
    • Un flux variable pour les émissions probables au cours du XXIème siècle. Ce flux est entré à l'aide de la fonction lookup de vensim. Il suffit de cliquer sur cette fonction en mode simulation pour agir sur ce flux. Le but de la simulation est de rechercher les valeurs des émissions qui permettraient de stabiliser les concentrations à partir de 2050.

Modifier le flux anthropique pour le XXIème siècle à l'aide de la fonction lookup:

Lookup1

Pour stabiliser la concentration atmosphérique en CO2 à partir de 2050 le modèle prévoit des émissions anthropiques équivalentes à celles des années 1950.Cette situation semble au jour où nous écrivons cette page irréaliste. Notre conclusion est inquiétanet, espérons que nous nous trompons!

Autres pistes à explorer :

On pourra utiliser le modèle pour évaluer les mesures d'aggravation liées aux déforestations? Pour estimer l'impact du réchauffement global de la planète sur le dégel du permafrost au cours du XXIième siècle?

Si le réchauffement se confirme on peut craindre un dégel partiel du permafrost. Or les sols gelés contiennent un tiers à un quart des réserves des sols. Avec le dégel, on peut craindre une augmentation de la respiration du sol et donc une libaration massive du carbone accélérant le réchauffement (boucle de rétroaction positive). Un autre facteur (non pris en compte par le modèle) va intervenir : avec le réchauffement la couche neigeuse va diminuer, l'albédo va dimineur, le réchauffement va augmenter... Le réchauffement va-t-il profiter à la forêt boréale? Les scientifiques en doutent car l réchauffement s'accompagne d'un fort déficit en eau durant l'été ce qui limite la croissance de la forêt boréale...

Notre modèle fait "froid dans le dos" : et si c'était vrai... on consulte les modèles des chercheurs.

Lien vers l'activité 7 (page formateur).



Équipe INRP de l'académie d'Orléans-Tours.