dimanche , 17 octobre 2021

Boucles de rétroaction

Dernière modification le 26-7-2021 à 13:27:45

Qu’est-ce ?

On parle de rétroaction lorsque la réponse d’un système à un stimuli externe impacte le stimuli lui-même. Cette réponse peut conduire à atténuer ou à amplifier le stimuli. Dans le premier cas, on parle de rétroaction négative (la réaction s’oppose à ce qui l’a causé). Dans le second, de rétroaction positive (la réaction renforce sa propre cause). Certains cas extrêmes de rétroactions positives peuvent produire, passé un certain seuil, des effets brusques ou irréversibles pouvant mener à un emballement du système. On parle dans ce cas de points de basculement (ou points de non-retour).

Pourquoi est-ce important ?

De très nombreux phénomènes physico-biologico-chimiques du système Terre sont à la fois sensibles à la température, et ont un impact sur cette dernière. Ils font donc partie de boucles de rétroaction climatiques.

Ces phénomènes sont cruciaux pour comprendre le changement climatique, car ces rétroactions peuvent amplifier ou au contraire atténuer l’effet de chaque forçage climatique (tel que les émissions par les humains de gaz à effet de serre). Ils peuvent être des modérateurs (rétroaction négative) ou des catalyseurs (rétroaction positive) du bouleversement climatique. Ils  jouent donc un rôle important dans l’estimation de la sensibilité climatique et les projections sur le climat futur.

Les principales rétroactions positives qui tendent à amplifier le forçage climatique anthropique sont les suivantes:

  • Concentration en vapeur d’eau de l’atmosphère : La concentration maximale de vapeur d’eau possible dans l’atmosphère augmente avec la température de cette dernière. Or, la vapeur d’eau est le principal gaz à effet de serre de la Terre. Le réchauffement climatique permet donc d’augmenter la teneur en vapeur d’eau de l’atmosphère, donc l’effet de serre, donc la température, et ainsi de suite.
  • Réchauffement des océans : L’augmentation des émissions de CO2 augmente le forçage radiatif. Ceci conduit à une augmentation des températures atmosphériques et marines. Plus la température des océans est élevée, moins ceux-ci peuvent absorber de CO2. Ceci diminue l’efficacité des océans comme puits de carbone, et augmente donc la concentration de CO2 atmosphérique. Cette boucle est illustrée par l’image ci-dessus.
  • Diminution de la circulation thermohaline : Le brassage des eaux entre les différentes couches marines permet d’enfouir le CO2 dissout dans l’eau de surface dans les couches plus profondes des océans, régénérant ainsi la capacité des eaux de surface à absorber à nouveau du CO2. La fonte des glaces polaires ralentit cette circulation par injection d’une grande quantité d’eau douce près des pôles. Ce ralentissement diminue la capacité d’absorption de CO2 des océans, ce qui augmente la teneur en CO2 de l’atmosphère, menant à une élévation plus rapide de la température, et donc à une fonte plus rapide des glaces.
  • Absorption du C02 par les océans : L’absorption de CO2 acidifie les océans, ce qui est problématique pour une grande partie de la vie marine. En particulier pour le phytoplancton (dont la photosynthèse convertit une énorme quantité de CO2 en oxygène), ainsi que pour tous les organismes à coquille (qui contribuent à transformer durablement le CO2 dissous dans l’eau en carbonate précipitant sur les fonds marins).
  • Diminution de l’effet albédo de la surface de la Terre : La glace ayant un albédo élevé reflète une grande partie de l’énergie reçue du soleil . Lorsque la glace fond, laissant apparaître un océan bleu foncé ou de la roche, l’albédo diminue ce qui provoque une plus grande absorption d’énergie, augmentant le réchauffement climatique. Ce réchauffement fait fondre la glace plus rapidement et ainsi de suite.
  • Feux de forêts : L’élévation des températures cause un assèchement des forêts, les rendant plus vulnérables aux incendies. Ces incendies détruisent de précieux puits de carbone, que sont sols forestiers riches en humus et les arbres eux-mêmes.
  • Dégel du permafrost et des hydrates de méthane: En fondant, le permafrost expose de la matière organique auparavant gelée aux bactéries, ce qui libère une quantité considérable de gaz à effet de serre (principalement du CO2 et du méthane). Ce dégagement gazeux contribue au réchauffement, accélérant le dégel du permafrost. Les hydrates de méthane sont des structures d’eau solide emprisonnant de grandes quantités de méthane dans les profondeurs marines. L’augmentation des températures océaniques peut mener au dégel de ces structures, libérant le méthane emprisonné, qui augmentera la quantité de gaz à effet de serre contenue dans l’atmosphère.

Les scientifiques ont également identifié un certain nombre de rétroactions négatives, qui tendent à atténuer les effets du réchauffement anthropique:

  • Rayonnement thermique : Plus la Terre se réchauffe, plus elle est capable de rayonner d’énergie sous la forme d’infrarouge, lui permettant ainsi d’évacuer une plus grande quantité d’énergie. C’est la loi de Stefan-Boltzmann qui régit ce phénomène, aussi appelé rétroaction de Planck.
  • Dopage de la croissance des végétaux : Une atmosphère plus riche en CO2 stimule la croissance des végétaux. Ce principe est d’ailleurs appliqué dans certaines serres où l’atmosphère est enrichie en CO2. Ce principe devrait permettre au puits de carbone végétal de se renforcer à mesure que le taux de CO2 de l’atmosphère augmente. Cependant, ce phénomène s’accompagne d’une hausse des températures et d’un stress hydrique qui contrebalancent cet effet bénéfique du CO2.
  • Population humaine : Les catastrophes naturelles induites par les bouleversements climatiques auxquelles l’humanité commence à faire face risquent fort de mener à une diminution drastique de notre population au cours des prochains siècles. Ce faisant, les émissions anthropiques de gaz à effet de serre diminueront.
  • Fin des énergies fossiles : Si l’humanité continue sur sa lancée à brûler toute l’énergie fossile dont elle dispose (nous sommes toujours actuellement sur une telle trajectoire), viendra un moment où les émissions anthropiques de CO2 diminueront forcément. Il faut par contre bien comprendre qu’une telle modération adviendrait naturellement alors que la Terre serait déjà principalement inhabitable car beaucoup trop chaude.

Les nuages sont connus pour avoir un grand impact sur le climat. Ils sont classés selon différentes propriétés. Suivant le type de nuage étudié, les boucles de rétroaction peuvent être positives ou négatives1.

  • Rétroactions positives des nuages de haute altitude : Il est possible qu’avec l’augmentation de température, les nuages de haute altitude prennent encore de la hauteur afin de conserver leur température initiale. De ce fait, ces nuages réduiront leurs capacités à refroidir la planète ce qui risque d’accroitre le réchauffement climatique et ainsi de suite.
  • Rétroactions négatives des nuages de basse altitude : L’augmentation de la température favorise la formation de nuages. La création de nuages bas, possédant un fort albédo limite le réchauffement local ce qui fait descendre la température. L’effet initial du réchauffement est donc atténué. C’est pourquoi il est question d’une boucle de rétroaction négative. Une étude2 publiée dans la revue Nature en 2019 met toutefois en garde contre certains effets de seuils: si la concentration en gaz à effet de serre venait à tripler ces prochaines années, les stratocumulus (de basse altitude) pourraient se disperser brutalement, contribuant ainsi au réchauffement de la planète.
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Questions actuelles, débats, controverses ?

L’impact de ces processus sur le climat est encore difficilement modélisable de manière exacte. De ce fait, il existe encore de grosses incertitudes concernant un risque d’emballement des températures lié aux boucles de rétroaction. Cependant, le doute concernant le rôle des boucles de rétroaction dans le changement climatique est considéré comme faible dans le rapport de synthèse du GIEC de 20143.

L’étude Why the right climate target was agreed in Paris4 (que l’on pourrait traduire par Pourquoi les seuils climatiques décidés lors les accords de Paris sont judicieux) de Hans Joachim Schellnhuber, Stefan Rahmstorf et Ricarda Winkelmann, publiée dans la revue Nature, montre la sensibilité au réchauffement climatique de plusieurs points de basculement particulièrement préoccupants.

Credit: Schellnhuber et al. (2016)

Points de basculement du système Terre, en lien avec les températures globales, depuis la dernière ère glacière il y a 20’000 ans, jusqu’à nos jours, ainsi que par rapport aux différents scénarios de réchauffement. La fourchette de 1.5 à 2°C de réchauffement telle que choisie lors les accords de Paris est représentée en gris; les barres colorées représentent les risques croissants (du jaune au rouge) de franchir chacun des points de basculement.

  • WAIS (West Antarctic Ice Sheet) : Fonte de la calotte polaire de l’Antarctique Ouest
  • Greenland : Fonte de la calotte polaire du Groenland
  • Arctic summer sea ice : Disparition de la banquise arctique en été
  • Alpine glaciers : Fonte des glaciers alpins
  • Coral reefs : Mort des récifs de coraux
  • Amazon rainforest : Destruction de la forêt amazonienne
  • Boreal forest : Destruction de la forêt boréale
  • THC (Thermohaline circulation) : Forte perturbation de la circulation thermohaline moteur du Gulf Stream)
  • Sahel : Désertification de la région du Sahel
  • ENSO (El Niño–Southern Oscillation) : Forte perturbation du cycle El Niño en Asie du Sud
  • EAIS (East Antarctic Ice Sheet) : Fonte de la calotte polaire de l’Antarctique Est.
  • Permafrost : Dégel du pergélisol
  • Arctic winter sea ice : Disparition de la banquise arctique en hiver

Les 5 premiers points de basculement pourraient déjà être atteints au cours de ce siècle, même en respectant les accords de Paris. Nous devrions pouvoir éviter de passer les 8 suivants, à condition que les accords de Paris soient respectés et que les rétroactions positives engendrées par les 5 premiers points de basculement ne déstabilisent pas suffisamment le climat pour apporter le réchauffement additionnel suffisant à enclencher ces autres boucles de rétroaction. Cet effet domino pourrait ainsi mener à un réchauffement global hors de tout contrôle.
C’est la raison pour laquelle il est primordial de respecter les accords de Paris. Il faut en effet limiter au maximum le risque d’enclencher ces boucles de rétroaction supplémentaires, car leur pouvoir réchauffant est absolument gigantesque. Le temps nous est compté, car la forêt amazonienne est déjà en train de passer de puits de carbone à source de carbone, et les températures extrêmes au delà du cercle polaire arctique induisent une fonte du permafrost bien plus rapide qu’anticipée jusque-là.

Compléments web

Compléments vidéos

  • Positive feedback loops and global warming (utiliser la traduction FR automatique) : youtu.be/ZDOIzDPuojc

Compléments jeunes

  • L’effet boule de neige du réchauffement climatique : les boucles de rétroaction : youtu.be/omRbSMKnFNg

Références et sources

  1. www.pourlascience.fr/sd/climatologie/les-nuages-amplificateurs-du-rechauffement-10070.php []
  2. www.nature.com/articles/s41561-019-0310-1 []
  3. D’après les modèles de système Terre, on peut affirmer, avec un degré de confiance élevé, que les rétroactions entre le changement climatique et le cycle du carbone vont amplifier le réchauffement de la planète. Le changement climatique atténuera partiellement l’accroissement des puits de carbone des terres émergées et de l’océan dû à l’augmentation du CO2 atmosphérique. Une plus grande partie des émissions anthropiques de CO2 seront donc stockées dans l’atmosphère, ce qui va renforcer le réchauffement {GT I RID E.7, 6.4.2, 6.4.3} Source : Synthèse du rapport du GIEC 2014 www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/05/ar4-wg1-spm-fr. []
  4. Why the right climate target was agreed in Paris:  www.nature.com/articles/nclimate3013 []
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