Forçage, rétroaction, emballement et point de basculement

Dans feedbacks, runaway, and tipping points Ken Rice tient à nous rappeler les définitions de ces trois concepts qui d'après lui sont souvent mal compris et utilisés à tort et à travers, puisqu'il nous dit en introduction :

There’s been some discussion on Twitter about feedbacks, runaways, and tipping points. The issue is that some seem to confuse these and sometimes imply that we could cross thresholds where we’ll undergo a runaway. I thought I would briefly try to explain these terms.

Il y a eu des discussions sur Twitter à propos des rétroactions, des emballements et des points de basculement. Le problème est que certains semblent les confondre et laissent parfois entendre que nous pourrions franchir des seuils où nous serions victimes d'un emballement. J'ai pensé que je pourrais brièvement essayer d'expliquer ces termes.

Moi aussi cela m'intéresse de comprendre exactement les différences entre ces termes que l'on voit assez régulièrement dans la littérature évoquant le climat, donc allons-y en commençant par le premier qui n'est pas cité dans le titre de l'article de Ken Rice, à savoir le forçage radiatif, qui est quand même à la base de tout il me semble.

Forcings

La définition qu'en donne Ken Rice, très ramassée, est la suivante :

[…] external factors that can lead to warming are typically called forcings.

Les facteurs externes qui peuvent conduire au réchauffement sont généralement appelés forçages.

Il en donne quelques exemples que tout le monde connait, ou devrait connaitre :

This would be things like changes to the solar flux, volcanic eruptions, and our release of greenhouse gases into the atmosphere.

Ce serait des choses comme les changements du flux solaire, les éruptions volcaniques, et notre libération de gaz à effet de serre dans l'atmosphère.

Bon, si l'on veut être précis on va voir carrément à la source, par exemple dans Changes in Atmospheric Constituents and in Radiative Forcing, et l'on trouve page 136 la définition exacte et détaillée du forçage radiatif que je vous livre directement en français :

Qu'est-ce que le forçage radiatif ? L'influence d'un facteur susceptible de provoquer un changement climatique, tel qu'un gaz à effet de serre, est souvent évaluée en fonction de son forçage radiatif. Le forçage radiatif est une mesure de la manière dont le bilan énergétique du système Terre-atmosphère est influencé lorsque les facteurs qui affectent le climat sont modifiés. Le mot "radiatif" vient du fait que ces facteurs modifient l'équilibre entre le rayonnement solaire entrant et le rayonnement infrarouge sortant dans l'atmosphère terrestre. Cet équilibre radiatif contrôle la température de la surface de la Terre. Le terme forçage est utilisé pour indiquer que l'équilibre radiatif de la Terre est poussé hors de son état normal. Le forçage radiatif est généralement quantifié comme le "taux de changement d'énergie par unité de surface du globe, mesuré au sommet de l'atmosphère", et est exprimé en "watts par mètre carré" (voir figure 2). Lorsque le forçage radiatif d'un facteur ou d'un groupe de facteurs est évalué comme positif, l'énergie du système Terre-atmosphère augmente en fin de compte, ce qui entraîne un réchauffement du système. En revanche, pour un forçage radiatif négatif, l'énergie finira par diminuer, ce qui entraînera un refroidissement du système. Les défis importants pour les climatologues consistent à identifier tous les facteurs qui affectent le climat et les mécanismes par lesquels ils exercent un forçage, à quantifier le forçage radiatif de chaque facteur et à évaluer le forçage radiatif total du groupe de facteurs.

Il est fait référence à la figure 2 que voici :

Forçage radiatif du climat entre 1750 et 2005

Donc entre 1750 et 2005 ce sont les facteurs humains qui sont nettement prépondérants, avec un forçage radiatif positif de plus de 1,5 watts par mètre carré, alors que le Soleil n'a été responsable durant cette période que d'environ 0,1 watt par mètre carré, le graphique suivant montrant les fortes variations de l'activité solaire et finalement le peu d'importance à accorder à ce facteur dans le changement climatique que nous connaissons :

Irradiance solaire durant les 400 dernières années.

On voit que malgré les fortes variations enregistrées (de 1365 à 1366,70) en moyenne l'irradiance solaire n'a pas beaucoup évolué depuis 1750, d'où le faible forçage radiatif positif d'environ 0,1 watt par mètre carré mentionné dans le premier tableau.

Les éruptions volcaniques ont de leur côté un caractère très temporaire avec un retour rapide à la normale, ce qui explique leur quasi absence dans les facteurs ayant joué un rôle de 1750 à aujourd'hui ; le graphique suivant nous montre les pics dénonçant les diverses éruptions ayant eu lieu dans le passé :

Activité volcanique depuis 1860.

Le Soleil et les volcans ne pouvant être incriminés dans le forçage radiatif de quelques 1,5 watts par mètre carré depuis 1750, il reste...nos émissions de gaz à effet de serre !

Evolution des concentrations de trois gaz à effet de serre.

Il y a tellement de choses à dire sur le forçage radiatif que je suis bien obligé de me limiter, mais si vous voulez en savoir plus c'est ici que cela se passe.

Feedbacks

Ken Rice, après avoir très brièvement parlé du forçage radiatif, en vient aux phénomènes de feedbacks, ou rétroactions, qu'il définit sommairement ainsi :

Feedbacks are then responses to this externally driven warming that either act to amplify, or suppress, the warming.

Les rétroactions sont alors des réponses à ce réchauffement d'origine externe qui agissent soit pour amplifier, soit pour supprimer le réchauffement.

Il nous précise que certains de ces facteurs sont rapides, telle la vapeur d'eau ou les nuages, et d'autres sont plus lents, comme les changements dans la végétation ou les calottes glaciaires.

Assez étrangement il évoque un feedback dont je n'avais jamais entendu parler :

Some are also negative and quite strong (such as the Planck response).

Certaines sont également négatives et assez fortes (comme la réponse de Planck).

Comme Ken Rice est astrophysicien on va lui faire confiance sur ce plan(ck)-là, en tout cas ne me demandez pas ce que peut être cette « réponse de Planck », je n'en ai aucune idée puisque je ne lui ai même pas posé la question ! Plus sérieusement voici ce que dit Wikipédia sur le sujet :

Rayonnement thermique
Tout corps, à l'instar du corps noir, émet dans l'espace un rayonnement thermique qui augmente, conformément à la loi de Stefan-Boltzmann, avec la puissance quatre de sa température absolue. Ce phénomène permet à la Terre d’émettre plus énergie quand elle se réchauffe. L'impact de cette rétroaction négative est pris en compte dans les modèles de circulation générale établis par le GIEC. Cette rétroaction est également appelée « rétroaction de Planck ». 

En tout cas l'effet net de ces feedbacks semble, d'après Ken Rice, être très limité :

This means that even though the overall effect of these feedbacks is to amplify the externally-driven warming, it is limited (the negative feedbacks eventually balance the effect of the change in forcing and the resulting positive feedbacks). For example, if we were to double atmospheric CO₂, we’d expect to eventually warm by about 3°C.

Cela signifie que même si l'effet global de ces rétroactions est d'amplifier le réchauffement d'origine externe, il est limité (les rétroactions négatives finissent par équilibrer l'effet de la modification du forçage et les rétroactions positives qui en résultent). Par exemple, si nous devions doubler le CO₂ atmosphérique, nous nous attendrions à un réchauffement d'environ 3°C.

Donc en conclusion les feedbacks n'auraient pas d'effet significatif sur le réchauffement de la planète...

Runaways

Nous en arrivons à un phénomène que d'après Ken Rice nous ne risquons pas de connaitre sur Terre :

A runaway, on the other hand, typically refers to what happened on Venus. Essentially, virtually all of the CO₂ was released into the atmosphere, the warming was so substantial that any liquid water evaporated and was eventually lost to space, most atmospheric molecules lighter than CO₂ were also lost to space, and the surface warmed by many 100s of °C.

Un emballement, par contre, fait généralement référence à ce qui s'est passé sur Vénus. Essentiellement, la quasi-totalité du CO₂ a été libérée dans l'atmosphère, le réchauffement a été si important que toute l'eau liquide s'est évaporée et a finalement été perdue dans l'espace, la plupart des molécules atmosphériques plus légères que le CO₂ ont également été perdues dans l'espace, et la surface s'est réchauffée de plusieurs centaines de °C.

Et il tient à nous rassurer :

On the Earth, such a runaway is simply not possible, because most of the carbon, that can then form CO₂, is locked up in the lithosphere. We can’t emit enough CO₂, either through anthropogenic influences or naturally, to undergo a runaway.

Sur la Terre, un tel emballement n'est tout simplement pas possible, car la majeure partie du carbone, qui peut alors former le CO₂, est enfermée dans la lithosphère. Nous ne pouvons pas émettre suffisamment de CO₂, que ce soit par des influences anthropiques ou naturellement, pour subir un emballement.

Je ne sais pas vous mais moi je dis qu'on l'a échappé belle !

Tipping points

Et l'on termine avec une expression entendue de plus en plus et qui fait pousser des boutons sur les visages boursouflés des climatosceptiques :

Finally, a tipping point refers to us crossing some threshold where the climate system changes (tips), irreversibly, into a new state.

Enfin, un point de basculement signifie que nous franchissons un certain seuil où le système climatique change (bascule), de manière irréversible, dans un nouvel état.

Un des visages boursouflés tient à exprimer son désaccord en commentaire :

Not-in-my-name says:
February 2, 2020 at 12:14 pm

[…]

It is quite obvious from the past climate history that there have not been any irreversible tipping points. 

Il est assez évident, au vu de l'histoire du climat, qu'il n'y a pas eu de point de basculement irréversible.

Il se fait fesser, pardon, corriger immédiatement par Ken Rice :

In this context “irreversible” means it won’t change back for a very long time (irreversible on human timescales), not that it will never ever change back. There have clearly been past changes that qualify as tipping points as defined in this context. 

Dans ce contexte, "irréversible" signifie qu'il ne changera pas pendant très longtemps (irréversible à l'échelle humaine), non pas qu'il ne changera jamais. Il y a clairement eu dans le passé des changements qui peuvent être qualifiés de points de basculement tels que définis dans ce contexte. 

Mais il est vrai que les visages boursouflés aiment bien nous rappeler le temps des dinosaures, le temps de leur enfance peut-être, allez savoir.

Là-aussi Ken Rice nous rassure, les points de basculement, même s'ils sont jugés irréversibles à l'échelle humaine, sont d'après lui limités, il nous le dit dans une mise à jour :

Something I meant to stress, is that even though crossing some tipping point might lead to irreversible changes that would amplify our warming, it is still limited. There is only so much that these effects can change the albedo, and there is a limit to how much CO₂, or methane, that they could release. 

Ce que je voulais souligner, c'est que même si le franchissement d'un certain point de basculement pourrait entraîner des changements irréversibles qui amplifieraient notre réchauffement, ce serait encore limité. Ces effets ne peuvent modifier l'albédo qu'à un certain degré et il y a une limite à la quantité de CO₂, ou méthane, qu'ils pourraient libérer.

Conclusion

Tout ce que je retiens de ce qui précède, c'est que seul l'effet du forçage radiatif est significatif et qu'il devrait se traduire par une augmentation de température d'environ 3°C d'ici 2100, soit le résultat grosso modo d'un doublement de la concentration du CO₂ dans l'atmosphère.

Bref nous n'avons pas trop de soucis à nous faire, nous serons morts quand les choses commenceront à vraiment être problématiques...pour nos enfants !