Histoire de la découverte du réchauffement climatique : l'effet de serre et le CO2 (III)

Sommaire  - Chapitre précédant : Le Temps du scepticisme

3. 1950-1958 : Premières démonstrations

745px-Synthetic atmosphere absorption spectrum 2La mesure précise des raies d'absorption des gaz constituant l'atmosphère et les calculs complexes d'absorption-émission pour chaque couche d'air confirmera la thèse d'Arrhénius : un surcroit de CO2 provoque bien une augmention de l'effet de serre

3.1 Puissance de calcul et spectroscopie

La rassurante idée que les émissions de CO2 ne représentaient aucun danger fut renversée pendant les années 1950, parfois grâce à des fonds importants dédiés à la recherche scientifique lors de la guerre froide. Bien que le climat ne soit pas le sujet de leurs recherches, ce qui se passait dans l’atmosphère ou dans l’océan intéressait la sécurité nationale. Par exemple l’absorption des infrarouges concernait les missiles à tête chercheuse.

3.1.1 Absoption des infrarouges : nouvelles mesures

Comme on l’a vu, les premières expériences concernant l’absorption des infrarouges étaient trompeuses. Ce qui était apparu sous la forme de larges bandes d’absorption se confondant avec celles de la vapeur d’eau se révéla dans les années 1940 être une succession de fines raies qui ne se confondaient plus cette fois-ci sur tout le spectre. De plus on se rendit compte qu'à faible pression et à faible température, dans les hautes couches de la troposphère, les raies d'absorptions étaient encore plus fines, suivant les mécanismes appelés aujourd'hui "pressure broadening" et "Dopler broadening" (1a).

Ajoutons à cela que dans l’air raréfié et sec de la haute atmosphère, il y a beaucoup moins de vapeur d’eau. Ainsi, un surcroit de CO2 peut faire la différence. Les intuitions d’Arrhénius, Hulburt et Callendar allaient-elles se vérifier ? Il fallait comprendre ce qui se passait au niveau de chaque couche de l’atmosphère. Or chacune d’elle renvoie une partie des infrarouges à la couche supérieure dont la pression, la composition et la température diffèrent. Tout cela est très complexe à calculer.

 

3.1.2 Des calculs complexes vérifiés par ordinateurs

Cependant les ordinateurs étaient désormais disponibles. En 1952, le physicien D. Kaplan considéra que ces calculs laborieux valaient la peine d’être réalisés, et en dehors de son temps de recherches il démontra l’influence de l’augmentation du CO2 sur le bilan radiatif des hautes couches de l’atmosphère (1). Mais cela pouvait-il modifier la température au niveau du sol ? Pour le savoir il fallait calculer couche par couche le retour au niveau du sol de cette énergie. Grâce à l’accroissement continu de la puissance de calcul des ordinateurs, cet exploit put être mené à bien par le physicien G. N. Plass en 1956, également en dehors de son temps de recherche officiel. Il confirma alors l’influence du CO2 et calcula que le doublement de ce gaz pouvait mener à une augmentation de 3 à 4 °C. Au rythme des émissions de 1950, il estima que la température pourrait grimper de 1,1 °C par siècle, ce qui pourrait poser un problème aux générations futures, plusieurs siècles plus tard (2).

La théorie du réchauffement climatique devenait plus palpable.

Certes, il n’avait pas pris en compte l’évolution de la vapeur d’eau et des nuages lors du réchauffement. Son calcul restait donc trop grossier pour constituer une preuve. Mais un point clé était définitivement établi : on ne pouvait plus réfuter l’accroissement de l’effet de serre qui se produisait avec l’augmentation de la teneur en CO2. Les conséquences restaient difficiles à évaluer, mais il y avait bien un effet. Restait à quantifier les rétroactions.

Il ajouta que si à la fin du siècle, la température devait augmenter, le rôle du CO2 serait démontré…

3.2 Le devenir du CO2 fossile dans l’atmosphère et l’océan

cycle-CO2-GIEC2013-6.1Cycle du carbone, tel qu'on le connait aujourd'hui. L'océan absorbe bien une bonne partie du CO2 émis, mais pas la totalité. (GIEC2013 6.1)

3.2.1 Carbone 14 : suivre le carbone fossile à la trace

Ainsi de nombreux autres paramètres devaient être pris en compte. Par exemple il fallait savoir si le carbone fossile émis par les activités humaines restait bien dans l’atmosphère et si sa concentration augmentait. Que devient le CO2 ? Était-il absorbé et régulé par un cycle naturel ou bien allait-il s’accumuler dans l’atmosphère ?

Il était possible que l’océan puisse absorber le surplus. Pour certains, cela nécessiterait des milliers d’années et pour d’autres, quelques semaines seulement. Difficile de trancher … heureusement, les scientifiques purent désormais suivre à la trace le devenir du CO2 grâce à un nouvel outil : le carbone 14. Cet isotope du carbone, facile à détecter même en très petite quantité, fut émis lors des tests atmosphériques des bombes nucléaires. On put alors montrer que ce CO2 se mélangeait à toute l’atmosphère en quelques années, même dans les couches les plus élevées (3).

Par ailleurs, du carbone 14 est créé dans les hautes couches de l’atmosphère sous l’effet des rayons cosmiques. Celui-ci se mélange à l’atmosphère puis se désintègre à un rythme constant. Au total, le taux de carbone 14 dans l’atmosphère est constant. Lorsqu’il est piégé dans le sol sous forme de combustible fossile, le carbone 14 continue de se désintégrer mais ne se renouvelle pas. Son taux décroit donc puis il disparait presque complètement. Un apport de carbone fossile devait donc faire baisser la teneur de l’atmosphère en carbone 14. Grâce à cela, le chimiste Hans Suess détecta en 1955 une hausse de 1 % du carbone fossile dans l’atmosphère grâce à l’analyse de troncs d’arbres d’âge différent. Il en déduisit que l’océan devait absorber la plus grande partie du CO2 émise mais qu’une partie restait dans l’atmosphère. Ces premières estimations étaient encore assez fragiles et d’autres calculs montreraient plus tard qu’une part plus importante restait l’atmosphère. Mais pour la première fois, on démontra qu’une partie du carbone issu de l’utilisation des combustibles fossiles s’accumulait dans l’atmosphère (4). Les pièces du puzzle commençaient à s’assembler.

absorption-cumulee-CO2-oceanèGIEC2013-6.24Aujourd'hui nous savons que l'océan absorbe une partie seulement du CO2 émis, tandis que pour les terres émergées le bilan est plutôt neutre. (GIEC2013 6.24)

3.2.2 Le carbone et l’océan

Suess et Roger Revelle montrèrent qu’une molécule de CO2 est captée en moyenne par l’océan en une décennie. L’analyse du carbone émis lors des explosions nucléaires montra que le cycle complet des océans prenait plusieurs centaines d’années. À première vue, cela semblait suffisant pour absorber le surplus de CO2 fossile.

Mais Revelle était un spécialiste de la chimie des océans. Il savait que l’eau des océans possède un mécanisme chimique qui stabilise l’acidité de l’eau. Or celui-ci provoque le rejet d’une partie du CO2 dans’atmosphère. C’est pourquoi les couches supérieures de l’océan ne pouvaient absorber que le dixième de ce qu’on avait d’abord estimé. Il calcula ainsi en 1957 qu’au rythme des émissions de CO2, l’augmentation de CO2 atmosphérique pourrait atteindre 40 % d’ici plusieurs siècles (5). Comme beaucoup, il n’anticipait pas l’explosion des rejets qui allait survenir. Mais il nota tout de même que si les émissions augmentaient de manière exponentielle, la hausse des températures pourrait devenir significative dans quelques décennies, ce qui constituerait, selon lui, une expérience géophysique grandeur nature … et sans retour (6).

La publication de Revelle était difficile à comprendre à l’époque et la plupart des scientifiques continuaient à penser qu’il n’y avait pas de problème climatique. Ce n’est qu’en 1959 que deux météorologistes, Bert Bolinet et Érik Eriksson, appuyèrent sont point de vue en confirmant le point clé de sa démonstration : l’océan rejetait dans l’atmosphère une partie du CO2 absorbé avant qu’il n’aille rejoindre les couches profondes (7). Un nouvel équilibre aurait lieu, mais pas avant des milliers d’années. En attendant, la teneur en CO2 de l’atmosphère augmenterait …

3.2.3 Et si les émissions augmentaient exponentiellement ?

Deux éléments clés de la théorie étaient maintenant démontrés : l’augmentation de la teneur en CO2 provoquerait bien un réchauffement, et une partie du CO2 dégagé par l’utilisation des combustibles fossiles s’accumulait bien dans l’atmosphère. Restait à mieux comprendre les phénomènes en jeu et surtout à quantifier les rétroactions afin de savoir si cet acroissement de l'effet de serre provoquerait bien un réchauffement du climat.

C’est ainsi que vers la fin des années 1950 quelques scientifiques alertèrent le public sur un possible réchauffement climatique dans un délai de quelques décennies. Plass et Revelle en particulier firent part de leurs découvertes aux journalistes. Bolin et Erikson calculèrent ce qui se passerait si les émissions augmentaient exponentiellement. Ils prévirent pour la première fois une augmentation de 25 % du CO2 pour l’an 2000. C’était au-delà de tout ce qui avait été anticipé auparavant. Le New York Times suggéra que l’effet « pourrait être radical ». Le Russe Mikhail Budyko lança également une alerte en 1962 à propos du siècle prochain, le XXIe siècle.

 

Chapitre suivant : Le CO2, clé du changement climatique ?

 

Notes :

 (1) Kaplan, Lewis D. (1952). "On the Pressure Dependence of Radiative Heat Transfer in the Atmosphere." J. Meteorology 9: 1-12.

  (1a) Martin, P.E., and E.F. Baker (1932). "The Infrared Absorption Spectrum of Carbon Dioxide." Physical Review 41: 291-303. Pour l'explication du phénomène, voir l'article "Is the CO2 saturated" et Spectral Line , Wikipedia.

 (2) Plass, G.N. (1956a). "The Carbon Dioxide Theory of Climatic Change." Tellus 8: 140-54. Plass, G.N. Plass, G.N. (1956b). "The Influence of the 15µ Band on the Atmospheric Infra-Red Cooling Rate." Quarterly J. Royal Meteorological Society 82: 310-29. Plass, G.N. (1956c). "Infrared Radiation in the Atmosphere." American J. Physics 24: 303-21. Plass, G.N. (1956d). "Carbon Dioxide and the Climate." American Scientist 44: 302-16, online with commentary here. Plass, G.N. (1956e). "Effect of Carbon Dioxide Variations on Climate." American J. Physics 24: 376-87.

 (3) Edwards, Paul N. (2010). A Vast Machine: Computer Models, Climate Data, and the Politics of Global Warming. Cambridge, MA: MIT Press.

 (4) Suess, Hans E. (1955). "Radiocarbon Concentration in Modern Wood." Science 122: 415-17.

 (5) Revelle, Roger, and Hans E. Suess (1957). "Carbon Dioxide Exchange between Atmosphere and Ocean and the Question of an Increase of Atmospheric CO2 During the Past Decades." Tellus 9: 18-27.

 (6) ibid p. 18-20, 26

 (7) Bolin, Bert, and Erik Eriksson (1959). "Changes in the Carbon Dioxide Content of the Atmosphere and Sea Due to Fossil Fuel Combustion." In The Atmosphere and the Sea in Motion, edited by Bert Bolin, pp. 130-42. New York: Rockefeller Institute Press. Online here.

 

Adapté, résumé ou augmenté d'après The Discovery of Global Warming, The Carbon Dioxide Greenhouse Effect, février 2013, Spencer Weart

 


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