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Cela ne fait aucun doute: la climatologie peut être complexe. Mais cette complexité est parfois utilisée pour propager de fausses informations. Un exemple récurrent concerne le rôle du dioxyde de carbone (CO₂) en tant que gaz à effet de serre^[2]. Les preuves de l’effet de serre du CO₂ sont bien établies et s’appuient sur un ensemble de données scientifiques débutant vers 1856 et développées pendant plus d’un siècle.

Étant donné la complexité de ce sujet, des pièces du ‘puzzle’ sont souvent sorties de leur contexte pour justifier des conclusions trompeuses et incorrectes niant l’influence du CO₂ sur les températures mondiales. Par exemple, le 24 avril 2024, un article a été publié dans The Daily Sceptic affirmant que les émissions de CO₂ ne peuvent pas réchauffer l’atmosphère parce qu’elle est « saturée ». La même affirmation est relatée dans la sphère francophone, par exemple sur X/Twitter en juillet 2024 par Silvano Trotta (un propagateur de désinformation comme nous le montrions déjà en janvier 2024) qui affirme que le “CO₂ n’a aucun impact sur le “réchauffement climatique”” en citant la même étude que The Daily Sceptic. Étant donné la nature récurrente de cette affirmation, nous expliquons ci-dessous comment le CO₂ fonctionne en tant que gaz à effet de serre, puis nous utilisons les données scientifiques pour examiner les récentes affirmations concernant la « saturation en CO₂« .

UNE BRÈVE HISTOIRE DE L’ÉTUDE DU CO₂ EN TANT QUE GAZ À EFFET DE SERRE

En restant dans l’atmosphère, le CO₂ empêche le rayonnement infrarouge (un rayonnement à grande longueur d’onde) de s’échapper et réchauffe donc la surface de la Terre – un concept connu sous le nom d’effet de serre (décrit plus en détail dans la section suivante). Nous présentons ci-dessous quelques résultats historiques majeurs qui ont posé les bases de notre compréhension* des effets du CO₂ en tant que gaz à effet de serre.

• 1760 : Début de la révolution industrielle. Les niveaux de CO₂ atmosphérique atteignent environ 280 parties par million (ppm)^[1] – le niveau actuel (en août 2024) est de 424,3 ppm.
• 1827 : Fourier, un mathématicien français, détermine que la quasi-totalité de la chaleur perdue par une planète l’est par le biais du rayonnement infrarouge (cela a joué un rôle important dans notre compréhension de l’effet de serre).
• 1856 : Eunice Foote, une scientifique américaine, découvre que la lumière du soleil réchauffe l’air contenant de la vapeur d’eau et du CO₂ (c’est-à-dire que certains gaz retiennent la chaleur).
• 1859 : John Tyndall, un physicien irlandais, découvre que le CO₂, la vapeur d’eau et l’ozone piègent efficacement la chaleur, même en quantités relativement faibles, tandis que d’autres gaz atmosphériques piègent peu la chaleur, en comparaison.
• 1896 : Svante Arrhenius, un scientifique suédois, mesure le réchauffement dû à l’effet de serre du CO₂.
• 1938 : Guy S. Callendar, un ingénieur anglais, publie un article suggérant que les émissions humaines de CO₂ augmentent les températures sur Terre.
• 1955 : Gilbert Plass, un physicien canadien, calcule l’effet de l’ajout de CO₂ sur le bilan radiatif de la Terre.
• 1958 : Charles Keeling, un scientifique américain, commence à collecter des mesures quotidiennes de CO₂ dans l’air au-dessus du volcan Mauna Loa, à Hawaï. Les mesures se poursuivent aujourd’hui.
• 1967 : Manabe et Wetherald calculent l’augmentation de température prévue pour un doublement du CO2 en créant l’un des premiers modèles informatiques précis du climat de la Terre.
• 1990 : Publication du premier rapport d’évaluation du Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC), qui établit un lien entre l’augmentation des niveaux de CO₂ et l’augmentation observée de la température mondiale.
• 1990-2024** : Un grand nombre d’études présentent des preuves établissant un lien entre l’augmentation du CO₂ et l’augmentation des températures mondiales – incluant des modèles des plus en plus précis, des études paléoclimatiques, des données satellites et des enregistrements de températures^[2-7] (détaillés dans les sections suivantes).

Comme nous pouvons le constater, il ne s’agit pas d’un nouveau domaine d’étude mais d’un sujet étudié et discuté depuis plus de 100 ans. Cette distinction sera importante lorsque nous examinerons les affirmations concernant la ‘saturation en CO₂’, abordées par les scientifiques depuis des décennies.

* Les études et les documents plus anciens/fondamentaux ne représentent pas l’état actuel des connaissances climatiques, mais sont énumérés ci-dessus pour montrer que certains aspects de la science du climat sont établis depuis longtemps (par exemple l’effet de serre).

** Par souci de synthèse, nous avons principalement cité des études antérieures pour montrer depuis combien de temps les scientifiques étudient le CO₂ en tant que gaz à effet de serre. Toutefois, par souci de clarté, il est important de  préciser que les preuves scientifiques les plus solides ont été établies au cours des dernières décennies.

COMMENT LA HAUSSE DES CONCENTRATIONS DE CO₂ DANS L’ATMOSPHÈRE AUGMENTE LES TEMPÉRATURES MONDIALES PAR L’EFFET DE SERRE

Pour décrire comment le CO₂ atmosphérique réchauffe la Terre, commençons par prendre du recul – en observant le Soleil, la Terre et l’espace – puis nous ferons un zoom avant pour expliquer ce qui se passe à l’échelle moléculaire. Comprendre ce qui se passe à ces deux échelles aide à dresser une image plus claire de l’effet de serre et du rôle du CO₂.

Lorsque nous faisons un pas en arrière, nous observons que la quasi-totalité de l’énergie reçue par la Terre provient du Soleil et que toute l’énergie perdue repart dans l’espace. C’est l’équilibre entre ces gains et ces pertes qui modifie les températures terrestres. Lorsque la quantité d’énergie solaire entrante est différente de la quantité d’énergie renvoyée dans l’espace, notre climat peut être décrit comme déséquilibré ; si l’énergie entrante est plus importante, la Terre se réchauffe, et si l’énergie sortante est plus importante, la Terre se refroidit. Lorsque cette énergie est piégée, elle est également stockée dans différents compartiments du système climatique de la Terre, notamment les océans, les terres, les glaces et l’atmosphère. Cet équilibre énergétique est illustré dans la figure 1 ci-dessous.

Ce déséquilibre énergétique explique comment la Terre se réchauffe, mais il est nécessaire de descendre à l’échelle moléculaire pour comprendre pourquoi cela se produit. Après tout, étant donné que le vide glacial de l’espace est à environ -270°C, pourquoi la Terre ne perdrait-elle pas rapidement l’énergie qu’elle reçoit du Soleil? 

La clé réside dans la composition de notre atmosphère, à savoir la présence de gaz à effet de serre – comme le CO₂ – qui aident à piéger la chaleur. Comme l’explique la chronologie ci-dessus, la relation entre le CO₂ et le réchauffement climatique a été découverte au milieu du XIXe siècle. À cette époque, les scientifiques ont découvert que certaines molécules (les gaz à effet de serre) absorbent et ré-émettent le rayonnement infrarouge, tandis que d’autres le laissent passer – des caractéristiques décrites respectivement comme opaques et transparentes^[3,4]. C’est important car, alors que ces molécules n’absorbent pas la lumière du soleil (un rayonnement à courte longueur d’onde), la surface de la Terre l’absorbe. En réponse, la surface de la Terre émet des rayonnements infrarouges vers l’atmosphère où ils sont absorbés par le CO₂, puis réémis dans toutes les directions, dont une partie revenant vers la Terre et une autre s’échappant dans l’espace^[3]. Le rayonnement infrarouge renvoyé vers la surface de la Terre augmente les températures, tandis que celui qui est perdu dans l’espace les diminue – ce qui fait partie de l’équilibre énergétique mentionné plus haut. Les deux figures ci-dessous illustrent ce processus à différentes échelles. La figure 2 montre ce processus à une grande échelle (c’est-à-dire en montrant le rayonnement entrant et sortant), les flèches jaunes représentant le rayonnement solaire (de courte longueur d’onde) et les flèches orange montrant le rayonnement infrarouge (de grande longueur d’onde). Notez que les gaz à effet de serre agissent comme des barrières, interceptant et redistribuant le rayonnement sortant sous forme de chaleur. Sans les gaz à effet de serre, le rayonnement infrarouge (la chaleur) émis par la Terre s’échapperait simplement dans le vide froid de l’espace. La figure 3 montre ce qui se passe à l’échelle moléculaire lorsque les gaz à effet de serre interagissent avec le rayonnement infrarouge (représenté par des flèches orange dans la figure 2).

Les interactions à l’échelle moléculaire sont importantes car elles expliquent pourquoi le CO₂ est capable de provoquer le réchauffement climatique global^[2], alors qu’il représente une part plus faible de l’atmosphère terrestre que l’azote (N₂) et l’oxygène (O₂). Le CO₂ absorbe et réémet le rayonnement infrarouge, tandis que le N₂ et l’O₂ ne le font pas dans les conditions terrestres^[4] (figure 3). 

Les premières expériences ont révélé cette propriété du CO₂ et permis de formuler la théorie de l’effet de serre, mais ce n’est que plus tard que les scientifiques ont démontré de façon irréfutable que l’augmentation du CO₂ est à l’origine du réchauffement climatique moderne. La plupart des preuves ont été recueillies entre 1990 et 2024, comme l’indique la chronologie de la première partie de l’article. Science Feedback a résumé certaines de ces preuves dans plusieurs articles antérieurs, dont les liens figurent ci-dessous :

• Article 1 : Oui, les plantes ont besoin de dioxyde de carbone. Non, cela ne signifie pas qu’il est inoffensif.
• Article 2 : Le groupe CLINTEL s’appuie sur des affirmations erronées dans sa déclaration « il n’y a pas d’urgence climatique »

Ce qu’il faut retenir de ces précédents articles est que les scientifiques ont trouvé des preuves irréfutables du lien entre l’augmentation du CO₂ et la hausse des températures mondiales à l’époque moderne. Par exemple, les scientifiques constatent qu’actuellement, les gaz à effet de serre provoquent le réchauffement le plus important parmi tous les facteurs de changement climatique, et que le CO₂ est le plus important de tous les gaz à effet de serre (figure 4).

Il est également prouvé que les températures mondiales augmentent de façon logarithmique à mesure que les concentrations atmosphériques en CO₂ augmentent, avec un décalage de 20 ans^[3,9] (figure 5).

Ce constat est particulièrement important car il montre que même si le forçage radiatif supplémentaire (le déséquilibre du bilan radiatif induit par les activités humaines) diminue progressivement avec l’augmentation des concentrations de CO₂, il reste positif (c’est-à-dire que les températures ne cessent pas d’augmenter)^[3]. Ceci est clairement visible sur la figure 5, où le forçage radiatif continue d’augmenter avec les concentrations de CO₂. 

Il est important de noter que, bien que la pente devienne moins raide, le réchauffement planétaire qui en résulte a toujours des conséquences négatives pour l’humanité et les écosystèmes. Comme l’explique le GIEC, « les risques et les effets néfastes prévus, ainsi que les pertes et les dommages liés au changement climatique augmentent à chaque majoration du réchauffement climatique. »^[2] Zhong et Haigh (2013) concluent qu’à mesure que le CO₂ augmente dans l’atmosphère, il n’existe pas de seuil de saturation où il ne causera plus de forçage radiatif – il continuera donc d’être un facteur de réchauffement climatique^[3].
Les nombreuses preuves des effets du CO₂ sur le climat ont conduit le GIEC, l’autorité mondiale en matière de science du climat, à déclarer que « les preuves sont claires que le dioxyde de carbone (CO₂) est le principal moteur du changement climatique ». Toutefois, en dépit d’un vaste ensemble de preuves et d’un consensus écrasant parmi les climatologues^[2,10], des affirmations remettant en cause les capacités de forçage radiatif du CO₂ continuent d’émerger. Pour étayer leur argumentaire, ces affirmations caractérisent souvent de manière erronée et exagérée des aspects plus complexes du forçage radiatif du CO₂ (par exemple, la physique de l’absorption du rayonnement infrarouge). C’est pourquoi, nous aborderons plus en  détail le forçage radiatif dans la section suivante, afin d’examiner ces affirmations. Nous conclurons par des commentaires d’experts en sciences du climat afin d’apporter des éclaircissements supplémentaires.

RIEN NE PROUVE QU’IL Y A UNE SATURATION DE L’ATMOSPHÈRE EN CO₂

Nous avons montré que les fondements scientifiques de l’effet de serre – et la contribution du CO₂ à celui-ci – sont bien établis. Mais comment les scientifiques savent-ils que le forçage radiatif dû au CO₂ se poursuit et qu’il n’a pas atteint une limite supérieure ?

Comme nous l’avons déjà mentionné, des personnes continuent à affirmer que le CO₂ n’est plus capable de jouer son rôle de gaz à effet de serre, qu’il ne peut « plus réchauffer l’atmosphère terrestre parce que le CO₂ est saturé ». Cette affirmation est loin d’être nouvelle. En fait, elle remonte au début du XXe siècle, lorsque l’étude de l’effet de serre (avant d’être appelée ainsi) en était à ses débuts. D’après la chronologie présentée précédemment, vous vous souviendrez qu’en 1896 Svante Arrhenius a quantifié l’effet de réchauffement dû à l’augmentation du CO2 dans l’atmosphère. En 1900, Knut Ångström, un physicien suédois, a utilisé des données expérimentales – qui se sont avérées inexactes par la suite^[4] – pour affirmer que le CO₂ ne pouvait pas affecter le climat de la Terre. Bien qu’elles aient été démenties il y a plusieurs dizaines d’années, ces affirmations continuent d’être diffusées. Nous expliquons ci-dessous pourquoi ces affirmations sont incorrectes sur la base des preuves scientifiques disponibles.

La première affirmation récurrente est qu’il y a « saturation du centre de la bande d’absorption du CO₂, de sorte qu’il ne peut plus provoquer de réchauffement ». Plus précisément, Knut Ångström expliquait que cela était dû à la saturation du centre de la bande d’absorption (environ 15 nanomètres) et du chevauchement entre les bandes d’absorption du CO₂ et de la vapeur d’eau. Cependant, cette affirmation présente plusieurs problèmes qui la rendent trompeuse et inexacte. 

Il est utile de faire une parenthèse pour expliquer pourquoi les molécules des gaz à effet de serre absorbent le rayonnement infrarouge. Plus tôt, lorsque nous avons introduit le concept de gaz à effet de serre, nous avons mentionné les termes opaque et transparent. Normalement, ces termes sont utilisés pour décrire des matériaux qui laissent passer la lumière (transparents) ou qui la bloquent (opaques). Cela se produit car: soit le matériau absorbe les longueurs d’onde de la lumière; soit la laisse passer. Les bandes d’absorption correspondent aux longueurs d’onde auxquelles une molécule absorbe les rayonnements. Les molécules peuvent donc être transparentes ou opaques à certaines longueurs d’onde. Dans le cas du CO₂, par exemple, il est transparent à la lumière du soleil mais opaque au rayonnement infrarouge, qu’il absorbe et réémet. 

Comme l’explique la citation de Zhong et Haigh (2013), il existe toujours des régions des bandes d’absorption où le CO₂ est opaque : « Alors que le centre de la bande des 15μm [ndlr: la bande centrale mentionnée dans l’affirmation de « saturation »] devient saturé, les ailes de la bande et, surtout, les bandes des 10μm deviennent dominantes dans la détermination des effets radiatifs – et celles-ci sont loin d’être saturées. »^[3] C’est la première raison pour laquelle l’affirmation de saturation en CO₂ est inexacte. Zhong et Haigh (2013) expliquent ensuite : « Nous concluons qu’à mesure que la concentration de CO₂ dans l’atmosphère terrestre continue d’augmenter, il n’y aura pas de saturation dans son absorption du rayonnement et qu’il ne peut donc y avoir aucun excès d’optimisme à l’égard de son potentiel à réchauffer davantage le climat. »

D’autres études ont abouti à des résultats similaires. Par exemple, la figure 6 ci-dessous de Pierrehumbert (2011) montre les bandes d’absorption de H₂O et CO₂, respectivement, avec des régions qui ne se chevauchent pas totalement, ce qui limite la concurrence entre le CO₂ et la vapeur d’eau. Il convient de noter que les concentrations atmosphériques actuelles et prévues de CO₂ se situent dans la fourchette (par exemple, entre 300 ppm et 1 200 ppm) où les « ailes de la bande » deviennent dominantes dans la détermination du forçage radiatif, comme l’explique la citation précédente de Zhong et Haig (2013).

Affirmer que « le CO₂ est saturé » est également trompeur en raison du manque de précision ; cela ne précise pas à quelle altitude ou dans quelle région le CO₂ devient saturé, ce qui revient à traiter l’atmosphère comme une unité unique et homogène où tout le CO₂ est saturé par le rayonnement infrarouge. En réalité, l’atmosphère terrestre est stratifiée ; les conditions physiques (pressions, températures et compositions chimiques) varient d’une altitude à l’autre (figure 7). Le type et la quantité de rayonnement absorbé peuvent varier en fonction de l’altitude, ce qui a des conséquences différentes sur le réchauffement climatique. Par exemple, il y a beaucoup plus de vapeur d’eau près de la surface de la Terre que dans la haute atmosphère – où la chaleur de la Terre est perdue – et donc moins de concurrence entre le CO₂ et le H₂O à des altitudes plus élevées^[4]. S’il n’y pas d’eau, le rayonnement ne peut interagir qu’avec le CO₂ et donc l’eau ne peut pas causer de saturation à cette altitude.

Cette distinction est importante pour comprendre pourquoi les affirmations de « saturation en CO₂ » et “d’absorption concurrente de H₂O-CO₂ » sont incorrectes. Comme l’explique Pierrehumbert (2011) :

“Une idée fausse liée à la saturation, également popularisée par Ångström, est que le CO₂ ne pourrait avoir aucune influence sur le bilan radiatif parce que la vapeur d’eau absorbe déjà tous les infrarouge que le CO₂ pourrait absorber. L’atmosphère tropicale de la Terre, très humide et proche de la surface, est presque saturée dans ce sens, mais l’argument d’Ångström présente un défaut : le rayonnement dans la partie du spectre affectée par le CO₂ s’échappe vers l’espace à partir des parties supérieures froides et sèches de l’atmosphère, et non à partir des parties inférieures chaudes et humides. »^[4]

L’article explique également que l’encadré de la figure 6 (à droite) ci-dessus montre que :

« Les lignes spectrales de la vapeur d’eau et du CO₂ s’entrecroisent mais ne se chevauchent pas totalement. Cette structure limite la concurrence entre le CO₂ et la vapeur d’eau ».

Comme nous l’avons montré, les climatologues ont trouvé des preuves irréfutables que le CO₂ augmente les températures mondiales par forçage radiatif. Cependant, les scientifiques ont longtemps eu du mal à collecter l’une des dernières preuves : des observations satellites continues et de haute qualité du rayonnement infrarouge sortant. Mais les choses ont changé en 2023, lorsqu’une nouvelle étude a fait état de ses conclusions après avoir analysé les mesures satellites du rayonnement infrarouge entre 2003 et 2021. Raghuraman et al. (2023) expliquent que « ces observations sans précédent fournissent des mesures de la chaleur thermique émise par la Terre à des longueurs d’onde de petite échelle, c’est-à-dire dans le spectre infrarouge, ce qui nous permet de déterminer avec précision l’effet de l’augmentation de la concentration des gaz à effet de serre sur le climat de la Terre. Nous constatons de fortes augmentations de la chaleur piégée par le CO₂, le CH₄ et le N₂O. »^[7] Le rayonnement sortant est un élément essentiel du modèle d’équilibre énergétique dont nous avons parlé précédemment (c’est-à-dire l’énergie entrante par rapport à l’énergie sortante). L’avantage de la collecte de ces données par satellite est qu’elles montrent la « signature » finale du rayonnement sortant – le résultat final des transferts radiatifs complexes qui se produisent sur Terre.

En résumé, les affirmations relatives à la saturation du CO₂ ne sont pas nouvelles et ont été prouvées inexactes par plusieurs décennies de preuves scientifiques. Récemment, de nouvelles formes de preuves scientifiques, telles que les observations par satellite du rayonnement sortant^[7], ont encore démontré que le CO₂ n’est pas saturé et qu’il contribue toujours au forçage radiatif. Malgré cela, les gens continuent à faire ces affirmations, comme le montre l’article du Daily Sceptic publié le 24 avril 2024. 

Feedback Des Scientifiques

Pour compléter notre enquête sur les affirmations générales concernant la saturation du CO2, nous avons invité des experts en sciences du climat à commenter l’article du Daily Sceptic et les affirmations qui y sont faites :

Affirmation 1 : « Des preuves scientifiques sont apparues pour suggérer que l’atmosphère terrestre est ‘saturée’ en dioxyde de carbone, ce qui signifie qu’à des niveaux plus élevés, le ‘gaz à effet de serre’ n’entraînera pas de hausse des températures » (en référence à Kubicki et al. 2024).

Affirmation 2 : « Les modélisateurs du climat et les scientifiques du camp anthropogénique ne sont pas près d’établir une hausse de température pour un doublement du CO2 dans l’atmosphère. Les estimations allant de 0,5°C à environ 6°C, avec quelques valeurs aberrantes atteignant 10°C, ne sont guère plus que des suppositions« 

Vous trouverez ci-dessous les retours reçus de la part des climatologues.

Paulo Ceppi

Senior Lecturer, Imperial College London

Ces affirmations sont complètement infondées. Sur le premier point : il existe un consensus scientifique sur le fait que l’atmosphère terrestre est loin d’être saturée en CO₂, en termes d’impact radiatif. Par conséquent, tant que la concentration de CO₂ augmente, l’effet de serre se renforce et les températures mondiales augmentent. Selon notre meilleure estimation, la température moyenne mondiale augmente de façon approximativement linéaire avec les émissions cumulées de CO₂ (voir par exemple le 6ème rapport d’évaluation du GIEC)^[2], et de façon logarithmique avec la concentration de CO₂.

Sur le deuxième point : notre meilleure estimation de l’évolution de la température moyenne mondiale pour un doublement du CO₂ est de 3°C (à l’équilibre, il s’agit donc d’une réponse à long terme), avec un intervalle de confiance de 90 % allant de 2 à 5°C. Ces données sont, une fois de plus, résumées dans le 6e rapport d’évaluation du GIEC, groupe de travail 1^[2].

Ralph Keeling

Professor of Climate Sciences, Marine Chemistry and Geochemistry, Scripps Institution of Oceanography

L’impact du CO₂ sur le climat n’est pas saturé comme le laisse entendre l’article de Kubicki. Il est vrai que le CO₂ devient moins puissant en tant que gaz à effet de serre à mesure que les niveaux continuent à augmenter, en raison d’un effet connu sous le nom de « saturation de bande ». Mais il n’y a pas d’arrêt brutal, et cet effet de saturation, qui est bien compris, fait partie intégrante de notre compréhension du changement climatique.