SÉQ. 10 Réchauffement climatique

# SÉQ. 10 Réchauffement climatique ## Objectifs et prérequis **Objectifs** : À l’issue de ce chapitre, l’élève sera capable de : - Expliquer les impacts des activités humaines sur la composition de l’atmosphère et l’intensification de l’effet de serre. - Décrire les mécanismes du réchauffement climatique et ses conséquences environnementales et sociétales. - Analyser les moyens de lutte contre la pollution de l’air et le réchauffement climatique, en distinguant les approches de prévention, d’atténuation et d’adaptation. - Interpréter des données climatiques (températures, concentrations de gaz à effet de serre) à l’aide de graphiques et de modèles simples. - Proposer des solutions individuelles et collectives pour réduire son empreinte carbone. **Prérequis** : Notions de base sur la composition de l’atmosphère (azote, oxygène, gaz rares, vapeur d’eau, CO₂), l’effet de serre naturel, le bilan radiatif de la Terre, les cycles du carbone et de l’eau, et les grandeurs physiques associées (température en °C ou K, pression en hPa, concentration en ppm ou mg/m³). --- ## Introduction Les activités humaines, notamment depuis la révolution industrielle, ont profondément modifié la composition de l’atmosphère terrestre. L’émission de gaz à effet de serre (GES) tels que le dioxyde de carbone (CO₂), le méthane (CH₄) et le protoxyde d’azote (N₂O) intensifie l’effet de serre naturel, entraînant un réchauffement climatique global. Ce phénomène, attesté par des mesures directes depuis le XIXᵉ siècle, provoque des bouleversements environnementaux (fonte des glaces, élévation du niveau des mers, acidification des océans) et sociétaux (migrations climatiques, impacts sur l’agriculture, risques sanitaires). Face à ce défi, des stratégies de lutte sont mises en œuvre à différentes échelles : réduction des émissions à la source, amélioration de l’efficacité énergétique, protection des puits de carbone, et adaptation aux changements déjà en cours. Ce chapitre vise à comprendre les mécanismes physiques du réchauffement, à en quantifier les causes humaines, et à évaluer l’efficacité des solutions proposées. --- ## I. Impacts des activités humaines sur l’atmosphère et intensification de l’effet de serre ### A. Composition de l’atmosphère et gaz à effet de serre L’atmosphère terrestre est composée principalement d’azote (N₂, ~78 %), d’oxygène (O₂, ~21 %), et de gaz rares (argon, néon, etc., ~1 %). Les gaz à effet de serre représentent une fraction minime mais cruciale : vapeur d’eau (H₂O, variable, jusqu’à 4 %), dioxyde de carbone (CO₂, ~0,04 %), méthane (CH₄, ~1,9 ppm), protoxyde d’azote (N₂O, ~0,33 ppm), et gaz fluorés (SF₆, HFC, PFC, traces). > **Définition** : Un gaz à effet de serre (GES) est un gaz présent dans l’atmosphère qui absorbe et réémet partiellement le rayonnement infrarouge terrestre, contribuant ainsi à l’effet de serre. L’effet de serre naturel maintient la température moyenne de la Terre à environ +15 °C au lieu de -18 °C sans atmosphère. Les activités humaines augmentent la concentration des GES, perturbant cet équilibre radiatif. ### B. Sources anthropiques des gaz à effet de serre Les principales activités humaines responsables de l’augmentation des GES sont : - **Combustion des énergies fossiles** (charbon, pétrole, gaz naturel) pour la production d’électricité, les transports et l’industrie : principale source de CO₂. - **Déforestation et changements d’affectation des sols** : réduction du puits de carbone forestier et libération du carbone stocké dans les sols et la biomasse. - **Agriculture** : élevage bovin (émission de CH₄ par fermentation entérique), utilisation d’engrais azotés (émission de N₂O), riziculture (émission de CH₄ en milieu anaérobie). - **Traitement des déchets** : décharges (émission de CH₄), incinération (émission de CO₂ et de polluants). - **Procédés industriels** : production de ciment (libération de CO₂ lors de la calcination du calcaire), utilisation de gaz fluorés dans la réfrigération et la climatisation. > **Règle** : Le potentiel de réchauffement global (PRG) d’un GES mesure son effet de serre relatif au CO₂ sur une période donnée (généralement 100 ans). Le PRG du CH₄ est d’environ 28–36, celui du N₂O d’environ 265–298, et celui du SF₆ dépasse 23 500. ### C. Preuves de l’intensification de l’effet de serre Plusieurs observations confirment l’impact humain sur le climat : - **Augmentation mesurée du CO₂ atmosphérique** : De ~280 ppm avant 1850 à ~420 ppm en 2023 (mesures de l’observatoire de Mauna Loa, Hawai). - **Corrélation entre émissions humaines et hausse du CO₂** : La quantité de CO₂ émise par les activités humaines dépasse largement l’augmentation observée dans l’atmosphère, la différence étant absorbée par les océans et la biosphère. - **Isotopie du carbone** : Le CO₂ d’origine fossile est appauvri en isotope ¹³C et dépourvu de ¹⁴C (radioactif, demi-vie 5730 ans). La baisse observée du rapport ¹³C/¹²C et du ¹⁴C dans l’atmosphère confirme l’origine fossile du CO₂ ajouté. - **Modèles climatiques** : Les simulations ne reproduisent l’augmentation observée de la température moyenne globale qu’en incluant les forçages anthropiques (GES, aerosols). Les forçages naturels seuls (rayonnement solaire, activité volcanique) ne suffisent pas. > **Exemple résolu** : Calcul de l’augmentation relative du CO₂ depuis l’ère préindustrielle. > Concentration préindustrielle : $C_0 = 280$ ppm > Concentration actuelle : $C = 420$ ppm > Augmentation absolue : $\Delta C = C - C_0 = 420 - 280 = 140$ ppm > Augmentation relative : $\frac{\Delta C}{C_0} \times 100 = \frac{140}{280} \times 100 = 50\%$ > **Réponse** : La concentration de CO₂ a augmenté de 50 % depuis l’ère préindustrielle. > **À retenir** : Plus de 60 % de l’augmentation du forçage radiatif anthropique depuis 1750 est due au CO₂. ### D. Forçage radiatif et sensibilité climatique Le forçage radiatif ($\Delta F$) mesure le déséquilibre énergétique net (en W/m²) à la tropopause dû à un changement de facteur climatique (ex. concentration de GES). Une valeur positive indique un réchauffement. > **Formule** : Pour le CO₂, une approximation valable pour des changements modérés est : > $$\Delta F = \alpha \ln\left(\frac{C}{C_0}\right)$$ > où $\alpha \approx 5,35$ W/m², $C$ et $C_0$ sont les concentrations actuelles et préindustrielles du CO₂ (en ppm). > **Exemple résolu** : Calcul du forçage radiatif dû à l’augmentation du CO₂ de 280 à 420 ppm. > $$\Delta F = 5,35 \times \ln\left(\frac{420}{280}\right) = 5,35 \times \ln(1,5)$$ > $\ln(1,5) \approx 0,4055$ > $$\Delta F \approx 5,35 \times 0,4055 \approx 2,17 \text{ W/m²}$$ > **Réponse** : Le forçage radiatif dû à l’augmentation du CO₂ est d’environ +2,17 W/m². La température moyenne globale de surface réagit à ce forçage selon la **sensibilité climatique** ($\lambda$), définie comme l’augmentation de température à l’équilibre pour un forçage radiatif de 1 W/m². Sa valeur est estimée entre 0,5 et 1,2 K/(W/m²), ce qui implique une sensibilité au double du CO₂ (de 280 à 560 ppm) comprise entre 1,5 et 4,5 K. > **À retenir** : Le forçage radiatif total anthropique en 2019 était d’environ +2,72 W/m² (GIEC AR6), dont +1,68 W/m² dû au CO₂. --- ## II. Réchauffement climatique : moyens de lutte contre la pollution de l’air et le réchauffement climatique La lutte contre le réchauffement climatique et la pollution de l’air repose sur trois piliers : **atténuation** (réduction des émissions), **adaptation** (réduction de la vulnérabilité aux impacts), et **prévention** (éviter l’apparition de nouvelles sources de pollution). Ces stratégies s’appliquent à différentes échelles : individuelle, locale, nationale et internationale. ### A. Atténuation : réduction des émissions de gaz à effet de serre #### 1. Transition énergétique Le secteur de l’énergie est responsable d’environ 73 % des émissions mondiales de GES. La transition vers des sources à faible teneur en carbone est essentielle. - **Énergies renouvelables** : solaire, éolien, hydroélectricité, biomasse durable, géothermie. Elles produisent peu ou pas de GES lors de leur fonctionnement. - **Efficacité énergétique** : réduction de la consommation d’énergie pour un même service (ex. isolation thermique des bâtiments, appareils électroménagers performants, éclairage LED). - **Électrification des usages** : remplacement des combustibles fossiles par l’électricité dans les transports (véhicules électriques), le chauffage (pompes à chaleur) et l’industrie, à condition que l’électricité soit décarbonée. > **Exemple résolu** : Évitement d’émissions de CO₂ par un panneau solaire. > Un panneau solaire photovoltaïque de 300 W crête produit en moyenne 1,2 kWh/jour en zone ensoleillée (facteur de charge ~16,7 %). > Énergie annuelle produite : $1,2 \text{ kWh/jour} \times 365 = 438 \text{ kWh/an}$. > Facteur d’émission du réseau électrique camerounais (mix hydraulique-thermique) : ~0,5 kg CO₂/kWh (valeur indicative, à vérifier localement). > Émissions évitées : $438 \text{ kWh} \times 0,5 \text{ kg CO₂/kWh} = 219 \text{ kg CO₂/an}$. > **Réponse** : Un panneau de 300 W évite environ 219 kg de CO₂ par an. #### 2. Transports durables Les transports représentent environ 16 % des émissions mondiales de GES. - **Déplacements doux** : marche, vélo, mobilité active. - **Transports en commun** : bus, tramways, trains (particulièrement efficaces s’ils sont électriques). - **Véhicules à faibles émissions** : véhicules électriques (VE), hybrides rechargeables, véhicules à hydrogène (si l’hydrogène est vert). - **Optimisation logistique** : remplissage des véhicules, planification d’itinéraires, report modal (route vers rail ou voie fluviale). > **À retenir** : Un passager en train électrique émet en moyenne 5 à 10 fois moins de CO₂ qu’un passager en voiture individuelle pour la même distance. #### 3. Industrie sobre en carbone L’industrie (ciment, acier, chimie) contribue à environ 20 % des émissions mondiales. - **Capture et stockage du carbone (CSC)** : captage du CO₂ à la source (ex. cheminées d’usines) et stockage géologique profond. - **Utilisation du carbone capté (CCU)** : conversion du CO₂ en produits utiles (combustibles synthétiques, matériaux, produits chimiques). - **Procédé décarbonés** : réduction directe du minerai de fer à l’hydrogène pour l’acier vert, ciment à faible teneur en clinker. - **Économie circulaire** : réutilisation, recyclage, éco-conception pour réduire la demande en matières premières vierges. #### 4. Agriculture et sylviculture durables L’agriculture, la foresterie et l’autre utilisation des terres (AFOLU) représentent environ 18 % des émissions mondiales, mais offrent aussi un potentiel d’atténuation majeur. - **Gestion améliorée des sols** : agriculture de conservation, agroforesterie, couverture des sols, réduction du travail du sol pour augmenter le stockage de carbone organique. - **Gestion du bétail** : amélioration de l’efficacité alimentaire, additifs pour réduire la fermentation entérique (ex. algues marines), gestion du fumier. - **Riziculture améliorée** : alternance submersion-assèchement pour réduire les émissions de CH₄. - **Protection et restauration des écosystèmes** : lutte contre la déforestation, reboisement, gestion durable des forêts, restauration des tourbières et des mangroves (puits de carbone naturels). - **Réduction des pertes et gaspillages alimentaires** : environ un tiers de la nourriture produite est perdue ou gaspillée, générant des émissions évitables. > **Exemple résolu** : Stockage de carbone dans un sol agricole. > Une augmentation de 0,1 % du carbone organique du sol sur 1 hectare et 30 cm de profondeur correspond à : > Masse de sol : $10\,000 \text{ m}^2 \times 0,3 \text{ m} \times 1,3 \text{ t/m}^3 = 3\,900 \text{ t}$ (densité apparente ~1,3 t/m³). > Carbone ajouté : $0,001 \times 3\,900 \text{ t} = 3,9 \text{ t de C}$. > Équivalent CO₂ : $3,9 \text{ t C} \times \frac{44}{12} \approx 14,3 \text{ t CO₂}$. > **Réponse** : Une augmentation modeste du carbone organique du sol peut stocker plus de 14 t de CO₂ par hectare. #### 5. Gestion des déchets - **Réduction à la source** : éco-conception, consommation responsable. - **Réutilisation et recyclage** : diminue la nécessité d’extraire et de transformer des matières premières vierges. - **Méthanisation** : traitement anaérobie des déchets organiques (déchets alimentaires, boues d’épuration, fumier) pour produire du biogaz (CH₄) renouvelable, évitant les émissions de CH₄ des décharges et substituant aux énergies fossiles. - **Évitement des décharges** : les décharges non gérées sont une importante source de CH₄ atmosphérique. > **À retenir** : Le méthane provenant des déchets représente environ 3 à 5 % des émissions anthropiques de CH₄ mondial. ### B. Lutte contre la pollution de l’air La pollution de l’air (particules fines PM₂,₅, NOₓ, SO₂, CO, composés organiques volatils, ozone troposphérique) provient souvent des mêmes sources que les GES (combustion fossile, industrie, agriculture). Réduire ces émissions apporte des **co-bénéfices** immédiats pour la santé et le climat. - **Normes d’émission** : seuils limites pour les véhicules (norme Euro), les installations industrielles, les centrales électriques. - **Carburants plus propres** : réduction du soufre dans les carburants, utilisation de gaz naturel comprimé (GNC) ou de gaz de pétrole liquéfié (GPL) comme intermédiaires. - **Filtration et dépollution** : filtres à particules pour les diesels, lavage des fumées (déSOx), réduction catalytique sélective (déNOx). - **Zones à faibles émissions** : restriction de l’accès aux véhicules les plus polluants dans les centres urbains. - **Surveillance de la qualité de l’air** : réseaux de stations de mesure, indices qualité de l’air (IQA), alertes en cas de pic de pollution. > **Exemple résolu** : Conversion d’un autobus diesel en gaz naturel. > Un autobus urbain consomme ~40 L de gazole aux 100 km. > Facteur d’émission du gazole : ~2,6 kg CO₂/L. > Émissions annuelles (50 000 km) : $\frac{50\,000}{100} \times 40 \times 2,6 = 5\,200 \text{ kg CO₂}$. > Le gaz naturel comprimé (GNC) a un facteur d’émission ~0,2 kg CO₂/kWh PCI, et son PCI est ~12 kWh/kg. Pour une consommation équivalente en énergie, les émissions sont ~40 % inférieures. > Émissions avec GNC : ~3 120 kg CO₂/an. > Évitement : ~2 080 kg CO₂/an, soit ~40 %. > **Réponse** : Le passage au GNC réduit les émissions de CO₂ d’environ 40 % pour un même service de transport. ### C. Adaptation aux changements climatiques L’adaptation vise à réduire la vulnérabilité aux impacts déjà inévitables du changement climatique. - **Gestion de l’eau** : stockage, irrigation efficace, réutilisation des eaux usées traitées, protection des bassins versants. - **Protection des côtes** : digues, restauration des mangroves et des récifs coralliens (barrières naturelles contre l’érosion et les submersions marines), recul stratégique. - **Résilience agricole** : variétés résistantes à la sécheresse et à la chaleur, calendriers de culture ajustés, assurance récolte. - **Santé publique** : systèmes d’alerte précoce pour les vagues de chaleur, renforcement des infrastructures sanitaires, lutte contre les maladies vectorielles (paludisme, dengue) dont la répartition géographique évolue avec le climat. - **Planification urbaine** : îlots de fraîcheur (espaces verts, toits végétalisés, revêtements clairs), réduction de l’effet d’îlot de chaleur urbain. > **À retenir** : L’adaptation est nécessaire même si l’atténuation réussit, car une certaine quantité de changement climatique est déjà engagée en raison de l’inertie du système climatique. ### D. Coopération internationale et cadres politiques La nature globale du problème nécessite une coopération internationale. - **Convention-cadre des Nations unies sur les changements climatiques (CCNUCC)** : traité de 1992 visant à stabiliser les concentrations de GES. - **Protocole de Kyoto** (1997) : premiers engagements contraignants de réduction pour les pays industrialisés (objectif moyen de -5,2 % par rapport à 1990 sur 2008-2012). - **Accord de Paris** (2015) : objectif de maintenir l’élévation de la température moyenne mondiale « nettement en dessous de 2 °C » par rapport aux niveaux préindustriels et de poursuivre les efforts pour limiter l’élévation à 1,5 °C. Il repose sur des contributions déterminées au niveau national (CDN), révisées tous les cinq ans. - **Fonds vert pour le climat** : mécanisme financier pour soutenir les projets d’atténuation et d’adaptation dans les pays en développement. - **Objectifs de développement durable (ODD)** : notamment l’ODD 13 (lutte contre le changement climatique) et l’ODD 7 (énergie propre et d’un coût abordable). > **À retenir** : L’Accord de Paris implique une neutralité carbone mondiale d’ici la seconde moitié du XXIᵉ siècle pour avoir une chance de limiter le réchauffement à 1,5 °C. --- ## Synthèse du chapitre - Les activités humaines augmentent les concentrations de gaz à effet de serre (CO₂, CH₄, N₂O, gaz fluorés) dans l’atmosphère, intensifiant l’effet de serre naturel. - La preuve de l’origine anthropique du réchauffement repose sur les mesures directes de CO₂, l’analyse isotopique du carbone, et la concordance entre modèles climatiques incluant les forçages humains et observations. - Le forçage radiatif dû à l’augmentation du CO₂ depuis l’ère préindustrielle est d’environ +2,17 W/m², contribuant significativement au déséquilibre énergétique planétaire. - Le réchauffement climatique entraîne des impacts généralisés : élévation du niveau de la mer, fonte des glaces, acidification des océans, intensification des événements extrêmes, perturbations des écosystèmes et menaces pour la sécurité alimentaire et sanitaire. - La lutte repose sur l’atténuation (transition énergétique, transports durables, industrie sobre, agriculture résiliente, gestion des déchets, puits de carbone), la réduction de la pollution de l’air (normes, carburants propres, filtration), et l’adaptation (gestion de l’eau, protection des côtes, résilience agricole et urbaine). - Les stratégies d’atténuation apportent souvent des co-bénéfices immédiats pour la santé (réduction de la pollution de l’air) et le développement durable. - La coopération internationale, incarnée par la CCNUCC, le Protocole de Kyoto et l’Accord de Paris, fixe des objectifs collectifs de réduction des émissions et de financement de l’action climatique. - L’atteinte des objectifs de l’Accord de Paris nécessite une réduction rapide et profonde des émissions de GES, visant la neutralité carbone mondiale d’ici 2050-2070 selon les scénarios. --- ## Glossaire - **Gaz à effet de serre (GES)** : Gaz présent dans l’atmosphère qui absorbe et réémet le rayonnement infrarouge terrestre, contribuant à l’effet de serre. - **Forçage radiatif** : Changement du bilan énergétique net à la tropopause dû à un facteur externe (ex. concentration de GES), mesuré en W/m². - **Potentiel de réchauffement global (PRG)** : Mesure de l’effet de serre relatif d’un GES par rapport au CO₂ sur une période donnée (souvent 100 ans). - **Sensibilité climatique** : Augmentation de la température moyenne globale de surface à l’équilibre pour un forçage radiatif de 1 W/m² (en K/(W/m²)). - **Neutralité carbone** : État où les émissions anthropiques de GES sont équilibrées par leurs absorptions (puits naturels ou technologiques) sur une période donnée. - **Contribution déterminée au niveau national (CDN)** : Engagement de chaque pays parties à l’Accord de Paris pour réduire ses émissions et s’adapter au changement climatique. - **Capture et stockage du carbone (CSC)** : Procédé consistant à capturer le CO₂ à la source d’émission et à le stocker de manière pérenne dans des formations géologiques profondes. - **Économie circulaire** : Modèle de production et de consommation visant à minimiser le gaspillage et à maximiser la réutilisation, la réparation, la remise à neuf et le recyclage des produits et matériaux. - **Albédo** : Fraction du rayonnement solaire incident réfléchie par une surface (ex. neige, océan, terre). Un albédo élevé refroidit, un albédo faible réchauffe. - **Forçage climatique net** : Somme de tous les forçages radiatifs (anthropiques et naturels) agissant sur le système climatique. - **Boucle de rétroaction** : Processus où un changement climatique déclenche un effet qui amplifie (rétroaction positive) ou atténue (rétroaction négative) le changement initial. - **Puits de carbone** : Réservoir (océans, forêts, sols) qui absorbe plus de carbone qu’il n’en libère, atténuant ainsi l’augmentation du CO₂ atmosphérique.