Explication: Le réchauffement climatique s’arrêtera-t-il dès que les émissions nettes seront nulles?

Les médias affirment souvent que le monde est confronté à un “réchauffement déjà acté pour l’avenir” en raison des émissions passées, ce qui signifie que des températures plus élevées sont “verrouillées”, “sur les rails” ou “inévitables”, quels que soient les choix de société pris  aujourd’hui.

Les meilleures connaissances disponibles montrent qu’au contraire, le réchauffement devrait plus ou moins s’arrêter lorsque les émissions de dioxyde de carbone (CO2) seront nulles, ce qui signifie que l’Homme a le pouvoir de choisir son avenir climatique.

Lorsque les scientifiques ont récemment mis en évidence ce résultat, il a été rapporté comme une nouvelle découverte scientifique. Cependant, la communauté scientifique a reconnu depuis au moins 2008 que des émissions nulles de CO2 impliquaient probablement des températures stables dans le futur. Le rapport spécial du Groupe d’experts Intergouvernemental sur l’Evolution du Climat (GIEC) de 2018 sur un réchauffement à 1,5°C a d’ailleurs mis l’accent sur les scénarios d’émissions nulles, décrivant  des conclusions similaires.

Une grande partie de la confusion autour du réchauffement engagé provient du mélange entre  deux concepts différents : un monde où les niveaux de CO2 dans l’atmosphère ou concentrations restent aux niveaux actuels ; et un monde où les émissions atteignent le niveau net zéro et où les concentrations commencent à diminuer.

Cependant, même dans un monde où les émissions de CO2 seraient nulles, de grandes incertitudes subsistent quant au devenir des émissions de gaz à effet de serre (GES) autres que le CO2, tels que le méthane et l’oxyde nitreux, des émissions d’aérosols sulfatés qui refroidissent la planète, des processus de rétroaction à long terme et de  la variabilité naturelle du système climatique.

En outre, on s’attend à ce que les températures restent stables plutôt que de baisser pendant quelques siècles après que les émissions auront atteint le niveau zéro, ce qui signifie que le changement climatique qui s’est déjà produit sera difficile à inverser en l’absence d’émissions négatives nettes à grande échelle.

Concentrations constantes vs émissions nulles

La confusion qui entoure l’impact des émissions nulles est compréhensible. Même une FAQ de la NASA sur le climat – mise à jour en 2007 – affirme encore aujourd’hui que “même si nous arrêtions d’émettre des gaz à effet de serre maintenant, le réchauffement climatique se poursuivrait pendant au moins plusieurs décennies, voire plusieurs siècles”. (Le Dr Gavin Schmidt de la NASA a déclaré à Carbon Brief que cette formulation ne reflète pas les recherches plus récentes et qu’une mise à jour est en cours).

Une cause fréquente de confusion est le mélange de deux scénarios très différents : un monde où les concentrations de CO2 restent aux niveaux actuels et un monde où toutes les émissions sont immédiatement réduites à zéro (ou nettes, ce qui aurait le même effet ; ce qui importe en fin de compte, c’est l’équilibre entre les sources et les puits de CO2, bien que  le niveau du caractère naturel ou anthropique de ces derniers puisse être une question délicate).

Jusqu’au milieu des années 2000, de nombreux modèles climatiques n’étaient pas en mesure d’évaluer  les effets du zéro émission. En effet, ils n’incluaient pas la modélisation des cycles biogéochimiques – tels que le cycle du carbone – et ne pouvaient pas  transposer correctement les émissions de CO2 en concentrations atmosphériques de CO2.

Par conséquent, les modèles climatiques avaient tendance à être intégrés avec des scénarios en concentration de CO2 dans l’atmosphère, plutôt qu’en émissions, et ils ont souvent examiné ce qui se passerait dans le futur si les niveaux de CO2 atmosphérique restaient aux niveaux actuels.

Ces scénarios de “concentration constante” ont montré qu’il y avait un réchauffement supplémentaire “en marche”, les océans se réchauffant alors lentement jusqu’à atteindre la même température que l’atmosphère jusqu’a  l’équilibre radiatif de la Terre. En d’autres termes, l’équilibre radiatif  est atteint quand la quantité d’énergie absorbée par la Terre en provenance du soleil est égale à la quantité d’énergie renvoyée dans l’espace.

Les modèles tendaient alors à suggérer qu’un réchauffement supplémentaire de 0,4 à 0,5 °C environ se produirait au cours des prochains siècles, si les concentrations étaient maintenues au même niveau.

Toutefois, un monde aux concentrations constantes n’est pas un monde aux émissions nulles. Pour que les concentrations restent constantes, il faudrait que des émissions anthropiques se poursuivent pour compenser le CO2 absorbé par les puits naturels que sont les terres et les océans. Cela représenterait environ 30 % des émissions mondiales actuelles avec un pourcentage qui  diminuerait avec le temps.

En revanche, si les émissions étaient réduites à zéro, les concentrations atmosphériques de CO2 diminueraient rapidement, avant de se stabiliser à un niveau inférieur.

La figure ci-dessous, adaptée d’un article publié en 2010 dans Nature Geosciences par les professeurs H. Damon Matthews et Andrew Weaver, compare les changements de température prévus jusqu’en 2200 dans des scénarios de concentrations constantes (ligne rouge) et d’émissions nulles (ligne bleue).

Réchauffement futur projeté selon des scénarios de concentrations constantes (ligne rouge) et d’émissions nulles (bleu). Réchauffement historique basé sur une moyenne des données de la NASA, de la NOAA, de Berkeley, de Cowtan et Way et de Hadley/UEA (noir). Réchauffement futur adapté des simulations  du modèle dans Matthews et Weaver 2010. Les simulations  du modèle sont combinées avec les températures historiques sur la base d’une régression locale sur 30 ans. Graphique réalisé par Carbon Brief à l’aide de Highcharts.

Matthews et Weaver ont constaté que, dans un scénario de concentration constante, le monde continuerait à se réchauffer d’environ 0,3°C d’ici 2200 – avec un réchauffement supplémentaire dans les siècles à venir, les océans profonds continuant à se réchauffer lentement.

Étant donné que le monde s’est déjà réchauffé d’environ 1,3°C, cela signifie que la limite de 1,5 °C serait dépassée si les concentrations actuelles de CO2 se maintenaient à un niveau constant en raison de la poursuite d’ émissions résiduelles.

En revanche, ils ont suggéré que les températures se stabiliseraient dans un monde d’émissions nettes nulles, en restant à peu près au niveau où elles sont lorsque les émissions cessent.

Réchauffement des océans et baisse du CO2 atmosphérique

La conclusion selon laquelle les températures se stabiliseraient une fois les émissions nulles résulte de deux facteurs différents qui agissent en sens inverse.

La Terre est actuellement en déséquilibre thermique, ce qui signifie que les gaz à effet de serre présents dans l’atmosphère retiennent plus d’énergie venant du Soleil  qu’ils n’en réémettent  vers l’espace. Plus de 90 % de cette chaleur supplémentaire sert à réchauffer les océans. Cependant, au fur et à mesure que  les océans se réchauffent, ils absorbent moins de chaleur de l’atmosphère et les températures moyennes à la surface du globe vont alors encore augmenter.

De plus, les terres et les océans absorbent environ la moitié du CO2 que les humains émettent chaque année. Si les émissions sont nulles, ces “puits de carbone” continuent d’absorber une partie du CO2 en excédent émis par le passé, d’abord rapidement, puis plus lentement, à mesure qu’ils se rapprochent d’un nouvel équilibre. Cela réduit les niveaux de CO2 dans l’atmosphère et, par conséquent, le réchauffement qu’il provoque.

Par chance, ces deux facteurs s’annulent. Le réchauffement supplémentaire de la surface dû à la poursuite du réchauffement des océans est compensé par le refroidissement dû à la baisse du CO2 atmosphérique.

Ces deux facteurs devraient également présenter des tendances similaires au fil du temps : ils seront plus importants au cours des premières années après le zéro émission et s’estomperont progressivement.

À très long terme – sur plusieurs centaines ou milliers d’années – les puits de carbone deviendraient dominants et les températures mondiales finiraient par baisser, tant que les émissions anthropiques de CO2 resteraient nulles. La durée de vie du CO2 dans l’atmosphère est déterminée par la vitesse à laquelle les puits absorbent le CO2 ; alors qu’environ la moitié de nos émissions sont absorbées relativement rapidement, une partie de nos émissions de CO2 qui s’est accumulée dans l’atmosphère sera encore présente dans des dizaines de milliers d’années.

De nouveaux résultats publiés l’année dernière apportent des preuves beaucoup plus solides de l’effet des émissions nettes de CO2 nulles sur les températures. Ces résultats proviennent d’un ensemble de modèles climatiques les plus récents qui incluent la dynamique du cycle du carbone, appelés modèles du système terrestre (ESM).

Le projet ZECMIP (Zero Emissions Commitment Model Intercomparison Project) se base sur 18 Modèles de Système Terrestre différents pour simuler ce qui se passerait dans un monde où les émissions mondiales cesseraient immédiatement, après que le monde a émis un total de 3667 gigatonnes de CO2 (ou 1000 gigatonnes de carbone) – ce qui devrait entraîner un réchauffement d’environ 2°C par rapport aux niveaux préindustriels. Ce projet a également examiné un cas où les émissions diminuaient progressivement jusqu’au niveau net zéro et a trouvé des résultats similaires à ceux d’une coupure brutale après l’atteinte du niveau net zéro.

(ZECMIP est l’un des projets d’intercomparaison de modèles entrepris sous les auspices de CMIP6, incluant les nouvelles versions  de modèles climatiques élaborés dans la perspective du sixième rapport d’évaluation du GIEC, qui doit être publié en 2021-22).

La figure ci-dessous présente les résultats de cette expérience 50 ans après l’arrêt des émissions. Le graphique du haut montre la variation du flux d’énergie – la quantité d’énergie accumulée à la surface de la Terre – provenant de différentes sources. Le graphique du bas montre le changement de la température moyenne à la surface après 50 ans d’émissions nulles.

Les barres rouges représentent le réchauffement dû à la réduction de l’absorption de la chaleur par les océans, tandis que les barres bleues et jaunes représentent respectivement le refroidissement dû à l’absorption du CO2 par les océans et les terres. Notez que le forçage net dans le graphique du haut ne correspondra pas nécessairement toujours à l’effet  projeté sur la température, car la variabilité naturelle ainsi que  d’autres facteurs peuvent également influencer  les changements de température de surface dans les ESM.

Flux d’énergie (graphique du haut) et réchauffement de la température de surface (graphique du bas) 50 ans après que les émissions soient devenues nulles pour les MSE participant au projet ZECMIP. Adapté de la figure 7 de MacDougall et al (2020).

Le changement de température futur prévu 50 ans après l’atteinte d’émissions nulles varie entre  0,3°C de refroidissement et  0,3°C de réchauffement en fonction des modèles, avec une moyenne multi modèles participant aux expériences ZECMIP d’environ 0,03°C de refroidissement. Dix des modèles présentent des changements de température de surface attendus proches de zéro, tandis que trois modèles présentent un refroidissement notable et deux un réchauffement notable.

Les différentes significations des ‘émissions nettes nulles’

Alors que les efforts d’atténuation du climat se concentrent essentiellement sur le CO2, les émissions humaines d’autres GES et d’aérosols ont également un impact important sur les températures de surface de la planète. Et si les températures mondiales se stabilisent lorsque les émissions de CO2 tombent à zéro, il n’en sera pas de même pour les émissions nulles de GES tous compris ou d’aérosols.

Le rapport spécial du GIEC (réchauffement planétaire de 1,5 °C, SR15) a utilisé un modèle MST simplifié pour évaluer l’évolution probable des températures de surface selon différentes définitions possibles des “émissions dites nulles”. Les résultats de ces différents scénarios sont présentés dans la figure ci-dessous.

Le rapport s’est penché sur le cas examiné ci-dessus – zéro émission de CO2 – représenté par la ligne bleue. Mais il s’est également penché sur les cas d’émissions nulles de CO2 et d’aérosols (rouge), de GES nuls (jaune) et de GES et d’aérosols nuls (violet).

Projection de l’évolution de la température à la surface du globe dans les conditions suivantes : émissions nulles de CO2 (ligne bleue), émissions nulles de CO2 et d’aérosols (rouge), émissions nulles de GES (jaune) et émissions nulles de GES et d’aérosols (violet). Adapté de la figure 1.5 du document SR15 du GIEC. Les valeurs historiques du réchauffement (en noir) et leur combinaison avec les simulations du modèle sont estimées à l’aide des méthodes décrites dans la première figure.

Les émissions d’aérosols d’origine humaine- de minuscules particules de soufre ou d’azote en suspension dans l’atmosphère qui réfléchissent la lumière solaire vers l’espace – ont un fort effet de refroidissement sur la planète, bien qu’il existe de grandes incertitudes quant à l’ampleur exacte de cet effet. Les aérosols ont également une durée de vie atmosphérique relativement courte et, si les émissions cessent, les aérosols actuellement présents dans l’atmosphère retomberont rapidement.

Ainsi, le monde serait environ 0,4 °C plus chaud si les émissions de CO2 et d’aérosols devenaient  nulles, par rapport aux seules émissions de CO2 nulles. Dans ce scénario (ligne rouge), le monde dépasserait probablement l’objectif de 1,5 °C, atteignant environ 1,75 °C en 2100.

Les autres GES sont également des contributeurs importants du réchauffement de la planète. Les émissions de méthane d’origine humaine, en particulier, sont responsables d’environ un quart du réchauffement global observé  depuis 1850.

Contrairement au CO2, le méthane a une courte durée de vie dans l’atmosphère, de sorte que les émissions d’aujourd’hui disparaîtront en grande partie de l’atmosphère au bout de 12 ans. C’est la principale raison pour laquelle le monde se refroidirait considérablement d’ici 2100 si toutes les émissions de GES tombaient à zéro. Il en résulterait un refroidissement d’environ 0,5 °C par rapport à un scénario où seul le CO2 tomberait à zéro.

Enfin, si toutes les émissions humaines ayant une incidence sur le changement climatique étaient réduites à zéro – comprenant a la fois les GES et les aérosols -, les résultats du GIEC indiquent que le réchauffement connaîtrait une hausse à court terme sur 20 ans, suivie d’un déclin à plus long terme. Cela reflète les effets opposés du réchauffement dû à la disparition des aérosols dans l’atmosphère et du refroidissement dû à la baisse des niveaux de méthane.

Au final, le refroidissement dû à l’arrêt des émissions de GES autres que le CO2 fait plus qu’annuler le réchauffement dû à l’arrêt des émissions d’aérosols, entraînant in fine un refroidissement d’environ 0,2°C d’ici 2100.

Bien entendu, il ne s’agit là que des meilleures estimations. Comme nous l’avons vu précédemment, même dans le cas de l’élimination totale des émissions de CO2, les modèles prévoient un changement  compris entre -0,3°C et +0,3°C. De plus, les grandes incertitudes concernant les effets des aérosols se traduisent au final par une gamme des possibles climatiques en température comprise entre -0.25°C et +0.25°C si tous les GES et aérosols étaient réduits à zéro. 

La combinaison de toutes ces incertitudes suggère que la meilleure estimation des effets du zéro CO2 est d’environ 0°C +/- 0,3°C pour le siècle suivant l’élimination des émissions, tandis que les effets du zéro GES et zéro aérosols combinés seraient d’environ -0,2°C +/- 0,5°C.

Il est également possible que la variabilité naturelle joue un rôle dans le réchauffement futur, même dans un avenir sans émissions. Un article récent du professeur Chen Zhou et de ses collègues suggère que les fluctuations naturelles dans le Pacifique Est ont masqué une partie du réchauffement qui aurait dû être  observé si on ne considérait que les émissions historiques.

Zhou et ses collègues suggèrent qu’un réchauffement supplémentaire de 0,2 à 0,5°C pourrait se produire, même dans un monde sans émissions, une fois que les phases des fluctuations passées conduisant à des températures anormalement froides dans cette partie de l’océan se seront inversés – bien que seule une partie de ce réchauffement se produise probablement d’ici 2100.

D’autres chercheurs se sont montrés sceptiques à l’égard de ces conclusions, estimant qu’il est difficile de savoir si et quand ces fluctuations historiques dans l’océan Pacifique pourraient s’inverser.

Les études présentées dans cet article portent toutes sur les effets des scénarios d’émissions nulles aujourd’hui ou dans les prochaines décennies. Toutefois, si les émissions nulles devaient se produire plus tard dans le siècle, il est possible de subir davantage les effets de certains processus de rétroaction du cycle du carbone – tels que la fonte du pergélisol – que dans le cas des niveaux de température globale actuels.

Un monde qui s’est réchauffé de 3°C ou 4°C par rapport aux niveaux préindustriels pourrait aboutir à un réchauffement inévitable plus élevé que celui obtenu dans le monde actuel – et des recherches supplémentaires sont nécessaires pour explorer ces effets.

Finalement, si les meilleures estimations actuelles suggèrent que les températures se stabiliseront dans un monde sans émissions, cela ne signifie pas que tous les impacts climatiques cesseront de s’aggraver.

La fonte des glaciers et des calottes glaciaires ainsi que l’élévation du niveau des mers se produisent lentement et sont décalés dans le temps par rapport au réchauffement de la température de surface. Un monde sans émissions entraînerait quoi qu’il arrive une élévation du niveau des mers pendant de nombreux siècles, certaines estimations suggérant qu’au moins 80 cm d’élévation supplémentaire du niveau des mers sont ainsi “actes /écrits?”.

Pour mettre fin à ces effets, il faudra en fin de compte, réduire les températures mondiales via des émissions mondiales nettes négatives, et non pas simplement arrêter la hausse des températures en atteignant le niveau net zéro.