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Le modèle prédictif à 3 compartiments : l'atmosphère, la biosphère et le sol

On propose d'utiliser le modèle de référence validé sur la période de 1780 à 2001, pour prévoir le climat du futur au cours du XXIème siècle. 

On exploite les prévisions des experts du GIEC afin de préciser comment pourrait "réagir" la biosphère si les prévisions des experts du GIEC concernant les émissions de GES se réalisent.

En utilisant le modèle de référence à 3 compartiments:

• • Peut-on prévoir le réchauffement global de la planète lié aux émissions prévisibles de CO₂ au cours du XXIème siècle?
  • Peut-on parvenir à une stabilisation de la concentration en CO₂ à 400 ppm à partir de l'année 2050 (elle est actuellement de 360 ppm) ?
  • Peut-on évaluer l'impact de certains scénarios comme l'impact des déforestations sur le climat ou l'impact du réchauffement global de la planète sur le dégel du permafrost au cours du XXIième siècle? en cours...

Préliminaire :

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

Les scénarii d'émission du Rapport Spécial sur les Scénarios d'Emissions (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 scénarii 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 à priori pour décrire ce que seront les émissions à l'avenir, les scénarii 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 scénarii 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 scénarii 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.

Peut-on prévoir le réchauffement global de la planète lié aux émissions prévisibles de CO2 au cours du XXIième siècle?

Informations techniques :

Résultat :

 Le modèle attendu ( 3compart_GIEC_XXIsc.vmf)est téléchargeable  dans l'archive et consultable avec Vensim Model Reader: téléchargement l'archive

• On propose de tester les implications de quelques uns de ces scénarii sur les émissions de CO₂ au cours du XXIème siècle. Il suffit pour cela de modifier le modèle : on modifie la durée de validité du modèle en sélectionnant une période plus longue de 1780 à 2100. Pour la période 2000-2100, les apports anthropiques sont ceux qui sont extimés par les experts. Ces apports varient en fonction du scénario socio économique choisi.

  • Pour modifier le modèle ouvrir à l'aide du logiciel vensim, le modèle précédent (3compart_EffetAnthrop_220ans.zip)
  • Modifier le modèle :
    • Modifier la durée du modèle : de 1780 à 2100.
    • Introduire un flux qui prendra en compte les émissions de CO₂ estimées par les experts du GIEC.
      • Voir les informations techniques 
  • Enregister le modèle sous 3compart_GIEC_XXIsc.mdl puis lancer la simulation:
    • Entre chaque simulation, changer le scénario en modifiant l'équation qui gère ce flux.
  • Analyser les résultats.
  • Poursuivre la réflexion ... 

  Quelques pistes de recherche ...

  • • Comment réagit la biosphère selon les prévisions des experts du GIEC? 
    • Que se passe-t-il si la déforestation s’amplifie ? 
    • Quelles pourraient-être les conséquences du réchauffement sur le comportement de certains réservoirs comme le permafrost, sur le cycle du carbone et le climat du futur?
    • Quelles ont les mesures d'atténuation qui sont proposées et quelles pourraient être leurs effets?

En utilisant le modèle de référence à 3 compartiments, peut-on parvenir à une stabilisation de la concentration  du CO₂ à 400ppm à partir de l'année 2050 (elle est actuellement de 360 ppm) ?

Est-il possible d'estimer les émissions anthropiques du XXIème siècle qui permettraient de stabiliser la concentration en CO₂ atmosphérique à partir de 2050?.

On modifie le modèle : on modifie l'équation qui détermine "le flux anthropique", on la remplace par une variable dite "lookup". En mode simulation, la fonction lookup permet de modifier la valeur de ce flux en temps réel. En abaissant les apports anthropiques à partir de 2005, on cherche à stabiliser la concentration atmosphérique en CO₂

Lien vers le modèle (3compart_GIEC_XXIsc.zip) :  consulter la page2 du modèle.

Les résultats

Le modèle montre qu'il est difficile de stabiliser la concentration atmosphérique en CO₂, notamment, si l'on applique les directives du protocole de Kyoto, on n'échappe pas à l'augmentation de cette concentration.

Et pourtant, pour arrêter d'enrichir l'atmosphère en dioxyde de carbone, le principe paraît simple : les émissions d'origine humaine doivent rester en dessous du niveau de stockage du carbone par le "puits biosphérique". Mais ce stockage n'est pas constant avec le temps, il risque de diminuer avec le réchauffement climatique. En effet, pour les puits continentaux, la séquestration du carbone par la biosphère va décroître si la température augmente. Dans un climat qui se réchauffe, la productivité des écosystèmes sera diminuée (avec le réchauffement on peut craindre un autre facteur limitant la photosynthèse comme la sécheresse) alors que la décomposition des débris organiques du sol sera accélérée. Le réchauffement climatique remet du CO2 dans l'atmosphère.

De même, on peut penser que le réchauffement climatique va remettre du CO₂ océanique dans l'atmosphère (voir la modélisation océanique).

La conséquence de ce dernier effet est qu'un niveau donné d'émissions de CO₂, qui permet d'avoir une stabilisation de la concentration en CO₂ à un moment donné, deviendra excessif plus tard, parce que l'élévation de température remettra dans l'atmosphère du CO₂ stocké dans la biosphère et les sols (notamment le permafrost).

Des simulations  le modèle JCM confortent ce résultat.

On propose d'utiliser le modèle de référence pour expliquer les climats du passé... en cours...