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Augmentation du CO2 atmosphérique : proposition chiffrée d’un modèle mixte « Nature / Homme » (4/4)

Référence de l'article : DC7255
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écrit par le Professeur Jean-Claude MAURIN,Agrégé de physique,(13 Décembre 2018)

__________ Avant-propos de la Rédaction _______________

(Résumé des articles déjà parus : dans quatre précédents articles, nous avions fait :

  • d'abord avec le Prof. A.PREAT, un grand zoom arrière, en relatant les variations de la teneur de l'atmosphère en CO2 au cours des âges: à la hausse, jusqu' à 7 000 ppm à certaines périodes du Cambrien, et, à la baisse, jusqu'à 180 ppm à certaines périodes du Quaternaire, contre 388 ppm actuellement [*].
  • ensuite, nous avions proposé, grâce au Prof.JC.MAURIN, un grand zoom en avant..., à savoir sur les 30 dernières années écoulées, pendant lesquelles le CO2 atmosphérique est passé de 338 ppm en 1980 à 388 ppm en 2010 [** 1ère Partie].
  • puis, nous avions proposé de poursuivre, avec JC.MAURIN, l'étude du CO2 atmosphérique sous un autre angle: celui de la relation entre CO2 atmosphérique et température, et, en cas de démonstration d'une éventuelle corrélation : corrélation, oui, mais dans quel sens ? [** 2ème Partie].
  • puis, nous avions poursuivi avec le troisième volet de l'étude de JC.MAURIN : comment prouver scientifiquement qu'il est strictement impossible que 100% de l'augmentation du CO2 atmosphérique ne soit due qu'à l'Homme, ce qui est la doctrine fondatrice du GIEC. Dans ce cas, quelle pourrait être la quote-part de la Nature ?
  • enfin, nous clôturons aujourd'hui cette étude du Prof. JC. MAURIN en 4 parties avec la publication du quatrième et dernier volet : une fois établi que l'augmentation du CO2 atmosphérique est due, depuis la deuxième partie du XXème siècle, pour partie à la Nature et pour partie à l'Homme, peut-on chiffrer leurs quote-parts respectives ? Oui, et voici ci-dessous une estimation chiffrée de cette répartition, nettement en faveur de la Nature. Et, au sein de la Nature, à quoi imputer majoritairement ces émissions de CO2 dans l'atmosphère ? Eh Bien, majoritairement aux océans inter-tropicaux : voir ci-dessous la démonstration.

Nota :  Nous recommandons à nos lecteurs de lire les précédents articles pour apprécier pleinement la qualité de la démonstration de ce quatrième volet (NDLR).

____________________________________


Au XVIsiècle, dans une ultime tentative pour sauver le système de Ptolémée, on se résigna enfin à admettre la rotation des planètes autour du Soleil,  mais on conserva le dogme de la position centrale de la Terre par rapport au Soleil. Le dernier pas vers l’héliocentrisme dut finalement être franchi, à regret.

Au XXIesiècle, Le GIEC adapte discrètement son Almageste : on lit dans la version de novembre 2018 du Résumé à l’intention des décideurs dès la première page, 1er encadré de l’introduction → “ L’augmentation mondiale de la concentration en dioxyde de carbone est essentiellement due à l’utilisation des combustibles fossiles et aux changements d’affectation des terres”. Fin de cette première page → « La source principale de l’augmentation de la concentration du dioxyde de carbone dans l’atmosphère depuis l’époque préindustrielle provient de l’utilisation des combustibles fossiles ».

La certitude absolue, naguère affichée, d’une origine 100% anthropique dans la hausse du CO2 atmosphérique disparaît donc. Un modèle mixte est désormais implicitement admis. A cinq siècles de distance, le dernier pas reste toujours difficile à franchir. Le présent article aide à trouver le chemin de Damas.

D. Le modèle MPO   ou   Mixte/Proportionnel/Océan

Nous allons modifier le modèle « mixte 1 » développé dans l’article 3/4 en suivant deux étapes supplémentaires afin d’aboutir à un modèle MPO ou Mixte Proportionnel Océan.
Le modèle « mixte 1 » avec une hypothèse de proportionnalité  va permettre de proposer les modèles de type  MP (Mixte Proportionnel).

Nous argumenterons ensuite pour montrer que l’océan est probablement la cause principale des évolutions récentes du COatmosphérique pour aboutir au modèle MPO  (Mixte Proportionnel Océan).



Les seules valeurs connues sont en rouge.
L’hémisphère Sud présente un taux de COinférieur de ≈2 ppm au taux de COde l’hémisphère Nord. Il existe une modulation annuelle du taux de CO2, très marquée au Nord. Cette modulation est la conséquence de la croissance végétale, elle augmente un peu plus vite que le taux de CO2.

D.1.1 Hypothèse de départ

L’absorption du COpar la végétation a augmenté au moins aussi vite que le taux de CO2. → voir article 1/4 §A3 oscillation saisonnière ou bien référence (4).

L’absorption du CO2par l’océan dépend, via la loi de Henry, du taux de COatmosphérique.
Dans la Fig.1, si la sortie « Autre » (largement inconnue) est petite devant les 2 autres, alors le total des sorties sera quasi proportionnel au taux de COdans l’atmosphère.

D.1.2 Conséquences de l’hypothèse de départ

La feuille de calcul (8) exploite dans l’onglet « Modèle MP »  le modèle mixte avec sorties proportionnelles au taux de CO2. Le calcul des entrées naturelles comprend 3 étapes : calcul du total des sorties de l’année N (simple proportionnalité avec le taux de l’année N), on ajoute ensuite  la variation annuelle du taux entre les années N et N-1 pour obtenir le total des entrées pour l’année N. Les entrées naturelles sont obtenues en soustrayant les entrées anthropiques de l’année N. Il est possible, dans la feuille de calcul, de faire varier la durée de séjour α entre 4 et 7 ans et donc la proportionnalité entre 14% et 25%. (Onglet Modèle MP, ascenseur en cellule B2).
Les figures 3a et 3b  donnent les résultats obtenus dans la feuille de calcul avec une proportionnalité de 20% soit une durée de séjour α de 5 ans.





A ce stade, le modèle MP se suffit à lui-même. Le modèle mixte 1 de départ (Fig.5b du 3/4) correspond à des apports nets de l’océan et/ou de la lithosphère. Un modèle MPL(Lithosphère) ne sera pas abordé ici. Nous allons considérer maintenant l’océan pour expliquer l’essentiel de la hausse des entrées naturelles, ce modèle MP sera donc désigné par MPO.

D.2    Modèle MPO

D.2.1  Océan: ordres de grandeurs et corrélations

L’océan contient ≈50 fois plus de COque l’atmosphère. La surface d’échange océan/atmosphère est énorme : 70 % de la surface de la Terre soit 360 millions de km².

En 60 ans, si l’océan dégaze 1de son CO2, cette quantité correspond à 50% du CO2 atmosphérique (entre 1958 et 2010 l’évolution mesurée du taux dans l’atmosphère est + 30%, ce qui est comparable) (2).



Lors des évènements El Niño de 1998 et 2016, nous avons les 2 plus fortes hausses du taux de CO2 (Fig.4a), ainsi que la plus grande variation du δ13C (Fig.4b) : les évènements El Niño concernent principalement l’océan intertropical.


La solubilité dans l’océan du COdépend notamment de la température suivant la loi de Henry (le champagne chaud dégaze : il est préférable de le boire froid). La dépendance à la température de la pression partielle du COocéanique fournit une base d’explication pour la relation d[CO2] /dt ≈2.5 (SST) + 1 (voir la légende de la Fig.13 du 2/4).

L’ensemble des considérations ci-dessus permet de comprendre que l’océan peut être un très bon moteur pour leévolutionrécentedu CO2.
On fait donc l’hypothèse que les 2 corrélations observées reflètent une relation de cause à effet: c’est la température de l’océan intertropical qui provoque l’essentiel des 2 variations (taux de COet δ13C).

D.2.2  Océan : mesures et calculs

Les échanges de COocéan/atmosphère dépendent de la différence entre les pressions partielles du COdans l’océan et dans l’air. Suivant le sens, l’océan va dégazer ou bien absorber du CO2. Mais la quantité réellement échangée va dépendre fortement de la vitesse du vent local. Il existe encore d’autres facteurs : alcalinité, température de l’eau, DIC (Dissolved Inorganic Carbon en µmoles / kg), activité biologique, etc. (5). Le calcul est en général impossible par manque de mesures simultanées, a fortiori sur 360 millions de km².


Dans cette zone du Pacifique (Fig.5a) la pression partielle dans l’eau > pression partielle dans l’air,  donc l’océan dégaze du CO2. Ces données ne suffisent pas pour un calcul de la quantité dégazée sur ce site particulier ,car il faut connaître simultanément et à chaque mesure la vitesse du vent.



Ces flux sont obtenus par un calcul théorique, étalonné à partir d’environ 3 millions de mesures obtenues en 50 ans (5). Selon cet auteur pour une année hors El Niño, il y aurait quasiment équilibre : le solde net des flux ≈-2Pg C/an et l’océan absorberait -0.7 ppm /an.

Une estimation (8) du surplus pour une année El Niño donnerait un océan émetteur net ≈ 5 à 10 ppm  aux émissions anthropiques ≈ 4 ppm/an.

L’ensemble des considérations ci-dessus montre qu’il faut prendre toute valeur alléguée en entrée ou sortie du CO de l’océan avec prudence : nous ne sommes pas, actuellement, en mesure de connaître ces valeurs globales. Les valeurs alléguées par le GIEC pour l’océan (Figs. 2a et 2c du 3/4   Entrée = 36 ppm  Sortie = 37 ppm) sont en réalité largement  inconnuesOn peut dire la même chose pour la végétation (Figs. 2a et 2c du 3/4 Entrée 55 ppm). Pour la difficulté à estimer la décomposition végétale, voir ici.

D.2.3  Océan: mécanisme

Les corrélations (Fig. 4a et 4b) pointent vers un mécanisme dépendant de la température de l’océan intertropical. Le mécanisme serait celui d’un dégazage de l’océan intertropical (20S – 20N)  l’emportant sur l’absorption du reste de l’océan (en moyenne sur plusieurs années). Ce mécanisme serait la principale cause de la hausse du COatmosphérique, avec un complément provenant des émissions anthropiques.


Dans la zone intertropicale, la surface océanique est chaude (température ≈27°C), la solubilité est faible (courbe orange) l’océan est saturé en CO2 : Dégazage.

Dans les hautes latitudes, la surface océanique est froide (température  ≈5°C), la solubilité est forte (courbe orange) l’océan n’est pas saturé en CO2 :Absorption.

La circulation sous la surface de l’océan permet la poursuite du cycle. Même si absorption et dégazage sont proches, en passant d’une absorption ≈ dégazage ≈25 ppm  en 1910 vers une absorption ≈ dégazage ≈35 ppm en 2010,  alors l’intensification absorption/dégazage aboutirait à une augmentation du taux de COatmosphérique. On peut noter que la variation de la solubilité n’est pas le seul phénomène en œuvre: la température de surface de l’océan intertropical peut aussi influencer l’activité des micro-organismes présents.

D.3 Comparaison modèle GIEC   versus   modèle MP

 D.3.1  Les représentations mentales


On retrouve l’idée d’un système statique qui réagit à une unique perturbation causée par l’homme. Selon le modèle du GIEC, le CO2de l’entrée anthropique demeure à  50% indéfiniment dans l’atmosphère,  tandis que 50% sont  absorbés par la végétation et l’océan à parts égales. Mais les 50 % qui resteraient dans l’atmosphère (triangle x’ Fig.7a) ont pour conséquence une modification du δ13C en désaccord avec les observations (voir §C3 du  3/4).

Une autre conséquence est extraordinaire : nous avons vu (C.2.1 dans 3/4) que les molécules de COqui entrent dans l’atmosphère sont à  5% anthropiques et à  95% naturelles, que l’atmosphère est composée de 5% anthropiques pour 95% naturelles. Pourtant, selon ce modèle GIEC, pour 1000 molécules de COsortantes, on aurait la répartition 975 naturelles pour 25 anthropiques !  Nous devrions évidemment avoir en sortie la répartition 950 naturelles pour 50 anthropiques.


L’erreur (consigne – retour) correspond à la courbe rouge de la Fig.4a   (également la Fig.9 du 1/4). La sortie de l’intégrateur correspond à la Fig.2 du 1/4  c’est-à-dire au taux de COobservé [CO2]. L’erreur (en entrée de l’intégrateur) est alors évidemment d[CO2]/dt, et la corrélation de la Fig 4a nous indique que l’erreur dépend de la température de l’océan intertropical. 
On a erreur d[CO2] /dt ≈2.5 (SST) + 1.

Les deux entrées, en forme de rampe, constituent la consigne : la rampe rouge (entrée anthropique) correspond à la courbe rouge de la Fig.3a (également la Fig.8 du 1/4)   La rampe bleue (entrées naturelles) correspond à la courbe bleue de la Fig.3a. L’hypothèse de proportionnalité a pour conséquence une rampe bleue qui augmente plus vite que la rampe rouge. L’augmentation du taux de COen sortie est principalement causée par la rampe bleue et accessoirement par la rampe rouge. L’augmentation du COdans l’atmosphère est d’abord naturelle, avec une contribution anthropique minoritaire.

D.3.2  Les représentations schématiques




Dans la Fig.8b, entre 1910 et  2010, tous les flux symbolisés par des flèches (entrées et sorties) ont augmenté → les échanges croissent et c’est la raison principale de la hausse du taux de CO2. La hausse moyenne de 2 ppm/an est répartie en 0.5 ppm/an anthropique et 1.5 ppm/an naturelle. Les flèches grises « Autre » de la Fig.8b rappellent notre connaissance limitée des échanges : les valeurs numériques ne sont présentes que pour montrer l’idée générale, à savoir des entrées dominées par l’océan (+39 ppm ?) et des sorties passives dominées par l’absorption végétale (-41 ppm ?).

Les corrélations température/ variation annuelle du taux ou du δ13C proviennent principalement du dégazage de l’océan intertropical dans le modèle MPO.

Les échanges sont plus intenses dans l’hémisphère Nord (végétation et entrée anthropique), ce qui explique le surplus de 2 ppm entre les hémisphères Nord et Sud.

Le modèle MPO respecte donc l’ensemble des contraintes de la Fig. 1

D.3.3  Un scénario pour les évolutions récentes du CO2 atmosphérique

Pour les dernières décennies, en lien avec le modèle MPO et les Figs.6 et 7b, on propose la séquence descriptive suivante :

– L’océan intertropical augmente son dégazage (cycles océaniques de 60 ans?);
– En conséquence, le taux de COatmosphérique croît;
– Un taux plus élevé de COentraîne une forte croissance végétale, ainsi que l’augmentation de l’absorption par l’océan froid des hautes latitudes;
– Avec un décalage dans le temps, la décomposition végétale augmente à son tour.

Le résultat serait un transfert net de COdepuis l’océan vers la végétation, en traversant l’atmosphère en ≈5 ans (durée de séjour); l’intensification des échanges serait la cause de la hausse du taux de COatmosphérique.

L’apport anthropique aurait seulement un peu majoré ce transfert et donc participé modestement à la hausse du taux atmosphérique.
La variation du  δ13C serait le résultat des apports nets océan et anthropique  (voir modèle mixte1 de la Fig.5b du 3/4).

Une étude complète et bien documentée, établie par C. Veyres, est disponible à  la référence (6)

D.4 Conclusions

  • Le cycle du COdes dernières décennies est largement inconnu,  ainsi que l’illustre la figure 1;

    Le cycle est malheureusement complexe : le présent article en 4 parties [ ** ] correspond à près de 25 pages;
  • Si les sorties sont bien à peu près proportionnelles au taux de COdans l’atmosphère, alors les évolutions récentes du COsont principalement naturelles;
  • Indépendamment du modèle MP, il est raisonnable de considérer l’océan intertropical comme le moteur principal : nous obtenons alors un cadre général pour les évolutions depuis 1958 en considérant le modèle MPO. Ce modèle satisfait l’ensemble des observations et corrélations développées dans les articles 1/4 et 2/4. et résumées à la Fig.1;
  • Comme tout modèle, le modèle MPO est provisoire. Il devra être corrigé, par exemple si les sorties ne sont pas du tout proportionnelles au taux, si la durée de séjour est très variable au cours du temps, si les échanges « Autres » sont importants (micro-organismes, lithosphère etc.);
  • Notre tendance naturelle à l’anthropocentrisme nous pousse à imaginer spontanément le schéma de type Ptolémée de la Fig.7a.
    Le schéma fonctionnel de la Fig.7b constitue alors un changement copernicien de point de vue.

__________ Références ________________

1. Mesures du taux de CO2  et variation annuelle  ESRL NOAA  Earth System Research Laboratory.

2. Rapport isotopique Carbon Dioxide Information Analysis Center  iso-sio CDIAC.

3.  Emissions anthropiques Fossil-Fuel COEmissions  CDIAC.

4. Croissance végétale :   
https://www.nature.com/articles/nclimate3004 
ou bien  
 https://www.nature.com/articles/nature22030

5. Mesures du carbone dans l’océan  Pmel NOAA     Calcul pression partielle  Takahashi

6. Cycle du carbone:   Camille Veyres      Herman Harde     Edwin Berry

7.  Dans le résumé pour les décideurs du GIEC,  B.5 en page 12, on peut lire:

This results in cumulative anthropogenic emissions of 555 [470 to 640] GtC. {6.3}
Of these cumulative anthropogenic CO2 emissions, 240 [230 to 250] GtC have accumulated in the atmosphere, 155 [125 to 185] GtC have been taken up by the ocean and 160 [70 to 250] GtC have accumulated in natural terrestrial ecosystems (i.e., the cumulative residual land sink
)”.

Dans la Fig.7a, le triangle xx’ correspond donc à 555 GtC, le triangle x’ correspond à 240 GtC, enfin le triangle x correspond à (155 + 160) GtC.

Les valeurs de x et x’ sont ad hocL’Institut  Ptolémée pour la Culpabilité du Carbone (IPCC) innove seulement dans le domaine de la géométrie: les épicycles (circulaires au Moyen Âge) prennent ici la forme de triangles.

8. La feuille de calcul « COMPO » met en forme les données d’observations, expose les modèles MP, estime quelques ordres de grandeurs (Vous pouvez y avoir accès en cliquant sur "feuille de calcul").

_____________________________________________________________________________
Texte reproduit avec l'autorisation du Comité éditorial de S.C.E. :
http://www.science-climat-energie.be/2018/12/02/__trashed-4/#more-3916

(Mis en ligne le 13 décembre 2018)

[*] : voici le lien vers l'Histoire ancienne des (nombreux ) changements climatiques du passé:

http://www.lasyntheseonline.fr/developpt_durable/changements_climatiques/les_changements_climatiques_une_banalite_dans_lhistoire_de_la_planete,31,7070.html

[**] : Voici les liens vers les 4 parties de cette étude de 25 pages :

a) Première partie :

http://www.lasyntheseonline.fr/developpt_durable/changements_climatiques/quelles_sont_les_evolutions_recentes_du_co2_atmospherique_1ere_partie,31,7086.html

b) Deuxième partie :

http://www.lasyntheseonline.fr/developpt_durable/changements_climatiques/quelles_sont_les_evolutions_recentes_du_co2_atmospherique_2eme_partie,31,7117.html

c) Troisième partie :

http://www.lasyntheseonline.fr/developpt_durable/changements_climatiques/augmentation_du_co2_atmospherique_quelques_hypotheses_scientifiques_sur_une_repartition_nature_homme,31,7199.html

d) Quatrième partie : c'est celle ci-dessus !

 

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