Modèle prédictif du climat et sensibilité climatique

La dynamique du système climatique peut se comprendre à l’aide de quelques principes physiques fondamentaux, comme les concepts de chaleur ^⭎ et de sa relation ^⭎ avec une différence (delta) de température ^⭎, ou de puissance ^⭎ et de sa relation avec l’énergie ^⭎.

La Terre étant un corps à température non-nulle qui cherche en permanence son équilibre thermique, elle va ré-émettre une partie du rayonnement solaire incident qu’elle reçoit : c’est son rayonnement (infrarouge) de corps noir. En l’absence de gaz à effet de serre (GES), ce rayonnement est renvoyé vers l’espace.

Mais en présence de GES, une fraction de ce rayonnement reste piégée dans l’atmosphère. Cela contribue à augmenter la “puissance radiative” dans l’atmosphère, c’est-à-dire la quantité de rayonnement (infrarouge), et donc de chaleur, ce qui va altérer le bilan radiatif ^⭎ de la Terre.

Ce surplus de puissance radiative, de chaleur, est appelé forçage radiatif.

Ce surplus d’énergie thermique dans l’atmosphère va altérer le bilan thermique et va se “transférer” à l’interface atmosphère/surface de la terre.
La grandeur physique qui relie une quantité de chaleur/d’énergie reçue par un corps avec un changement de température s’appelle la capacité thermique ^⭎, ou chaleur massique C :

E = C * ΔT

Et dépend des propriétés de ces corps (des mécanismes de transfert de la chaleur ^⭎ par exemple : par les électrons, par les phonons, etc. qui découlent de la configuration microscopique de leurs constituants).

On peut donc prédire la hausse de température ΔT à partir de la concentration de GES dans l’atmosphère. C’est le rôle de ce qu’on appelle la sensibilité climatique ^⭎, qui est le paramètre central d’un modèle prédictif du climat.

Il convertit une concentration de GES (en %) en différence de température à la surface de la Terre (en °c).

On peut voir ce “processus” de conversion en 2 étapes:

1. A partir d’un surplus de concentration de GES dans l’atmosphère, déterminer la fraction de rayonnement de corps noir qui reste piégée dans l’atmosphère par effet de serre, et ainsi déterminer le surplus de puissance radiative, ou thermique, dans l’atmosphère, c’est-à-dire le forçage radiatif, en W/m².
2. A partir de ce forçage radiatif, le convertir en surplus d’énergie reçue par la surface terrestre, et ensuite en différence de température en fonction des capacités thermiques des océans et des continents.

Cette seconde étape est ce qui est fait dans ce modèle-jouet hypersimpliste de scénarios climatiques, type scénarios RCP du GIEC, avec 3 scénarios “jouets” triviaux :

a) le forçage radiatif est constant entre 2000 et 2100 (émissions de GES décroissantes) ~ “RCP2.0”

b) le forçage radiatif est linéairement croissant entre 2000 et 2100 (~les émissions de GES stagnent entre 2000 et 2100) ~”RCP4.0″

c) le forçage radiatif est quadratiquement croissant entre 2000 et 2100 (~les émissions de GES augmentent linéairement entre 2000 et 2100) ~ “RCP6.0” ou 8.0 ou X

Sur l’image en illustration extraite du SR1.5 du GIEC, la fonction “sensibilité climatique” : la hausse moyenne globale de température en 2100 en fonction de la trajectoire des émissions, et donc de la somme des émissions mondiales annuelles jusqu’en 2100, ou “émissions cumulées” Q(t), autrement dit, de l’évolution de la concentration de GES dans l’atmosphère.
Connaissant la sommes des émissions des années passées (~2250 GtCO₂) on peut “remonter” (flèche verte dans le mauvais sens) jusqu’à la “grosse droite oblique” du modèle climatique (pour faire simple) et regarder à quelle hausse de température en 2100 cela correspond.
A contrario, si l’on se fixe un objectif de hausse de température en 2100, par exemple +1,5°c, dans ce cas on “suit la flèche orange”, et le modèle nous dit à quelle quantité totale cumulée cela correspond (dans ce cas-ci ~3000 GtCO₂), et donc aux trajectoires possibles à suivre en terme de réduction d’émissions basée sur un objectif de hausse de température limité.
La différence entre cette quantité totale de CO₂ correspondant à une hausse donnée de température, et la quantité totale déjà émise dans le passé s’appelle le budget carbone. ^⭎
Ce budget est à répartir de façon équitable parmi les différents pays.
Dans le cadre du paradigme “production” des Accords de Paris, le budget d’un pays est lié à ses émissions domestiques uniquement (plutôt qu’à sa responsabilité réelle, qui se mesure en terme de poids carbone).

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🔱Structure du triangle de Kaya