Jouer sur la brillance de l’océan Arctique : une solution pour contrecarrer le réchauffement climatique de la planète ?

Publié le 15.11.2016

L’Arctique est en danger. Et, de ce fait, menace le climat de la planète. Comment intervenir avant qu’un point de non-retour ne soit franchi ? Modifier artificiellement le pouvoir réfléchissant de l’océan Arctique, serait-ce la solution ? Quels pourraient être les bénéfices réels et les risques encourus ?

Nul n’ignore plus que le réchauffement climatique actuel est plus rapide en Arctique que partout ailleurs sur notre planète. Cette amplification polaire du changement global est étroitement corrélée à des mécanismes de rétroaction positive [1], la rétroaction due à l’albédo de la glace de mer se révélant être un facteur clé de ce phénomène.

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Impact du soleil sur les variations de la banquise
Crédit photo : Patrick Kelley, U.S. Coast Guard, U.S. Geological Survey
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La réduction de la glace marine arctique – voire sa disparition complète – fait partie des éléments de basculement potentiels [2] du système climatique aux hautes latitudes nord, tout comme l’arrêt de la formation des eaux profondes en Atlantique Nord et le ralentissement consécutif de la circulation méridienne de retournement atlantique [3] ; le dégel du pergélisol et la libération associée de gaz à effet de serre ; la déstabilisation des hydrates de méthane marins [4] ; la fusion et l’effondrement de la calotte glaciaire groenlandaise ; et la destruction de l’ozone stratosphérique arctique. En concentrant six des éléments susceptibles de dépasser un point de non-retour sous l’action du réchauffement anthropique [5], l’Arctique constitue une région d’importance cruciale pour le climat de la planète.

Au nombre des techniques d’ingénierie climatique préconisées par certains pour manipuler le climat et contrer le réchauffement global, figure la proposition d’intensifier la brillance de la surface des océans (voir encadré). Appliquée à l’océan Arctique, zone la plus menacée par le changement en cours et représentant par conséquent un danger pour le climat de la planète, une telle technique de géo-ingénierie, implémentée régionalement, pourrait-elle avoir une influence globale ? Certes, l’effet immédiat escompté que constitue la réduction de l’absorption de chaleur par l’océan limiterait la disparition de la glace de mer estivale et favoriserait la formation d’une banquise pérenne sur le long terme. Mais quels seraient l’impact réel sur le climat, les conséquences sur les autres composantes du système terrestre et les risques possibles, en particulier sur les facteurs de bascule du système climatique ?

Une équipe de scientifiques allemands, du laboratoire GEOMAR de Kiel, a tenté de répondre à ces questions au moyen de simulations numériques [6] sur la période 2020-2100, étudiant en particulier les retombées sur le contenu thermique de l’océan et sur la circulation thermohaline, des aspects non pris en compte dans les études antérieures.

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Pouvoir réfléchissant de la glace et de l’eau
Crédit photo : Mike Beauregard
Certains droits réservés : Licence Creative Commons

Trois scénarios d’émission de gaz à effet de serre sont considérés, selon les efforts plus ou moins importants consentis par les nations pour contrer le changement climatique : arrêt total des émissions de gaz à effet de serre à partir de 2005-2015 (scénario optimiste), stabilisation des émissions à un niveau faible d’ici la fin du XXIe siècle (scénario RCP4.5 [7], qualifié d’intermédiaire), poursuite de l’augmentation des émissions au rythme actuel (scénario RCP8.5, le plus pessimiste). Pour chaque scénario, deux cas de figure sont analysés, c’est-à-dire avec ou sans recours à la géo-ingénierie du climat. La modification artificielle de l’albédo de l’océan est déployée sur une superficie qui varie avec l’extension de la glace de mer. La couverture en glace marine évolue en effet avec les saisons, mais aussi au fil des décennies, avec plus ou moins d’ampleur, en fonction de la hausse des températures. Simuler la mise en œuvre de cette technique d’ingénierie climatique doit donc tenir compte du scénario d’émissions envisagé, y compris de l’hypothèse d’un arrêt total des émissions puisque même dans ce cas, les gaz à effet de serre déjà émis persisteront dans l’atmosphère.

En comparant les résultats, il en ressort que pour les deux scénarios RCP (RCP4.5 et RCP8.5), l’effet de la géo-ingénierie à l’échelle planétaire sur les températures atmosphériques moyennes annuelles est faible, ces températures n’étant réduites que de 0,2 °C à la fin du XXIe siècle. Par conséquent, accentuer la réflectance de l’océan ne peut pas être une mesure de lutte contre le réchauffement à l’échelle globale. A l’échelle du bassin arctique, cette méthode d’ingénierie climatique ne renverse pas la tendance au réchauffement, quelle que soit la métrique climatique considérée, mais l’atténue légèrement à l’horizon 2100, à la faveur d’une compensation des températures les premières années [8].

Si l’albédo des surfaces océaniques est contrôlé artificiellement, il n’en est pas de même pour les surfaces continentales. Puisque les températures atmosphériques augmentent malgré tout, la fonte de la neige au printemps est plus précoce et la saison estivale est quant à elle prolongée. Les sols privés de manteau neigeux, plus exposés au rayonnement solaire, se réchauffent donc eux aussi et émettent plus de rayonnement infrarouge vers l’atmosphère, l’échauffant à son tour. L’ingénierie climatique proposée ici permet de restreindre cette diminution de l’albédo des sols.

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Maintenir la banquise à tout prix
Crédit photo : tpsdave
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L’atténuation temporaire du réchauffement permet-elle de limiter la disparition de la glace de mer en été et de favoriser la formation en hiver de glaces plus épaisses et donc plus durables ? Comme pour les températures, l’utilisation de la géo-ingénierie n’empêche pas la disparition de la glace de mer. Elle permet seulement de la retarder de 25 à 60 ans, selon le scénario utilisé (respectivement RCP8.5 et RCP4.5). Cependant, sans géo-ingénierie, la banquise ne recouvrirait plus en été que 1 million de km2 sur les 5,5 millions actuels dans le cas du scénario RCP8,5. Pour ce qui est de l’épaisseur de la couche de glace, dont la moyenne annuelle est actuellement de 1,7 m avec des zones où elle atteint 5,1 m, les simulations montrent une diminution au fil du temps sous l’action du réchauffement climatique, si rien n’est entrepris. Dans cette perspective, l’épaisseur maximale de la glace n’est plus que de 3,9 m dans le scénario RCP4.5 et même de 3 m dans le scénario RCP8.5. L’utilisation de l’ingénierie climatique, en revanche, limiterait l’amincissement de la banquise dans le scénario le moins favorable, maintiendrait la banquise en l’état dans le scénario intermédiaire et autoriserait un léger épaississement dans le scénario optimiste.

Le dégel du pergélisol est lui aussi retardé, si bien qu’à l’horizon 2100, le recours à la géo-ingénierie évite la disparition de respectivement 1,2 et 1,7 million de km2 de pergélisol dans les scénarios RCP4.5 et RCP8.5, sur les 4,3 et 8,9 millions de km2 qui seraient perdus sans géo-ingénierie. Cette perte limitée prévient l’émission de respectivement 32 et 40 Pg [9] de carbone (scénario RCP4.5 et RCP8.5). Cette quantité ne correspond cependant qu’à 3 à 4 années d’émissions de gaz à effet de serre au rythme actuel, et se révèle en outre bien faible au regard des 114 et 235 Pg de carbone qui seront, quoi qu’il en soit, libérés par le dégel du permafrost malgré tout inéluctable dans ces deux scénarios RCP.

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La formation d’écume au sommet des vagues pourrait-elle servir le climat ?
Crédit photo : Foundry
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Avec la réduction prévue du gradient thermique entre zones tropicales et zones polaires, sous l’action de l’amplification polaire du réchauffement, la redistribution océanique de chaleur vers les pôles est moins intense. Les projections climatiques usuelles anticipent un affaiblissement de la circulation méridienne de retournement en Atlantique, des résultats corroborés par les simulations conduites ici. Mais grâce à la géo-ingénierie, la conservation, voire la formation, facilitée de la glace marine entraînerait un apport accru en eau saline - une eau plus dense -, ce qui produirait une convection profonde plus intense dans la zone subpolaire de l’Atlantique Nord (entre 50 et 70° de latitude nord), si bien que le ralentissement de la circulation océanique thermohaline serait plus faible que prévu, tout au moins jusqu’en 2060. L’ingénierie climatique aurait alors pour conséquence inattendue de réchauffer la subsurface océanique (entre 400 et 1200 m de profondeur), sous l’action de deux phénomènes : d’une part l’absence de convection profonde au-delà de 70° de latitude nord, du fait de la présence maintenue artificiellement de la banquise qui entraverait la perte de chaleur et donc le refroidissement océanique en profondeur ; d’autre part un afflux accru de masses d’eau plus chaude vers le bassin arctique en provenance des latitudes plus basses. Or ces eaux de subsurface plus chaudes s’étendraient le long du talus continental de l’océan Arctique, là où sont précisément localisés les hydrates de gaz. Dès lors, le corollaire du recours à un tel procédé de géo-ingénierie pourrait être la déstabilisation des hydrates de méthane, leur fusion et ainsi la libération dans l’atmosphère de gaz à effet de serre supplémentaires !

L’autorégulation du système climatique terrestre ne permet pas à des techniques d’ingénierie climatique implémentées sur un échelon régional d’avoir une action durable et globale sur le climat. Intervenir sur l’albédo de l’océan Arctique ne fait que retarder le réchauffement et les conséquences associées. Au vu des effets collatéraux qui pourraient être engendrés et des risques qu’ils représentent, les chercheurs en concluent que sur des échelles de temps plus longues, les politiques climatiques de réduction volontaire des émissions de gaz à effet de serre demeurent le moyen le plus efficace et le plus sûr de prévenir des changements importants dans l’Arctique.

L’ingénierie climatique planétaire – ou géo-ingénierie du climat

Olivier Boucher, directeur de recherches au Laboratoire de météorologie dynamique, définit la géo-ingénierie du climat – ou ingénierie climatique planétaire – comme « toute technique de manipulation délibérée et à grande échelle de l’environnement dont le but est de contrecarrer le changement climatique ».

Les techniques d’ingénierie climatique se divisent en deux catégories : les méthodes d’extraction de gaz à effet de serre de longue durée de vie dans l’atmosphère, visant à réduire la concentration de ces gaz dans l’atmosphère, et celles de gestion du rayonnement solaire, s’efforçant de modifier le bilan radiatif terrestre, soit par diminution de l’effet de serre naturel, soit par réduction du rayonnement solaire absorbé. Dans cette dernière catégorie, on peut atténuer le rayonnement solaire entrant par l’augmentation artificielle soit de l’albédo atmosphérique, soit de l’albédo des surfaces terrestres continentales et/ou maritimes.

Pour intensifier artificiellement la réflectance des surfaces maritimes, l’ingénierie climatique propose plusieurs solutions : génération de microbulles démultipliant la rétrodiffusion lumineuse (plus efficace pour des microbulles que pour des bulles plus grandes), en combinaison ou non avec des agents de surface (qui aident à former des bulles et à les rendre persistantes) ; accroissement de la fraction d’écume à la surface de la mer (en induisant par exemple le déferlement des ondes océaniques de surface, à l’instar du processus naturel de déferlement des vagues sur un rivage) ; allongement au moyen d’agents de surface de la durée de vie des bulles produites dans le sillage des navires (de quelques minutes à plusieurs jours) et donc formation d’une zone océanique étendue plus brillante, de superficie suffisante pour avoir un impact sur le forçage radiatif...

En savoir plus :
La géo-ingénierie peut-elle combattre le réchauffement climatique ? – interview d’Olivier Boucher

L’ingénierie climatique face au réchauffement climatique : solution d’avenir ou fuite en avant ? – article d’Olivier Boucher

Camille de Salabert, INIST-CNRS

[1]Mécanisme de rétroaction : il amplifie les conséquences et l’impact spatial d’une perturbation initialement locale (rétroaction positive) ou les freine (rétroaction négative).

[2]Élément de basculement ou d’irréversibilité : sous-système du système terrestre, d’échelle au moins subcontinentale, susceptible de franchir un point de non-retour, seuil critique au-delà duquel une perturbation minime peut altérer l’état ou le développement d’un système.

[3]Circulation méridienne de retournement ou circulation thermohaline : circulation océanique permanente à l’échelle du globe, engendrée par des écarts de température et de salinité des masses d’eau (plus de détails dans le dossier Sagascience : « le climat de la Terre »).

[4]Hydrates de gaz : molécules de gaz – telles que le méthane – encapsulées dans un réseau de molécules d’eau (clathrates) et stables sous certaines conditions de température et de pression. Le service géologique américain (USGS) a récemment estimé à 20 millions de km3 la quantité de méthane présente sous forme d’hydrates dans les fonds marins et les sols gelés arctiques, l’impact de ce gaz sur le réchauffement global étant 28 fois plus puissant que celui du CO2 sur une échelle de 100 ans (source : Ifremer).

[5]Ces six éléments font partie d’une liste de quinze points de basculement potentiels, établie en 2008 par Lenton et al., qui comprend également : l’effondrement de l’inlandsis ouest-antarctique, la modification du mode de variabilité climatique ENSO, la déstabilisation de la circulation de mousson d’été indienne, la perturbation de la mousson d’Afrique de l’Ouest et de la zone sahélienne, le dépérissement de la forêt tropicale amazonienne, celui de la forêt boréale, le recul de la toundra, la perturbation de la formation de l’eau de fond antarctique et l’anoxie océanique (Lenton et al.. (2008). Tipping elements in the Earth’s climate system. PNAS, 105(6), 1786-1793. DOI : 10.1073/pnas.0705414105). Les éléments relatifs à l’Arctique sont révisés en 2012 (Lenton et al.. (2012). Arctic climate tipping points. Ambio, 21(1), 10-22. DOI : 10.1007/s13280-011-0221-x).

[6]Simulations faites dans le cadre du projet CMIP5 (21st century Coupled Model Intercomparison Project 5), au moyen du modèle UVic ESCM de complexité intermédiaire, comportant un modèle glace-océan couplé à un modèle atmosphérique simple et à un modèle de cycle de carbone global. Seule la rétroaction due à l’albédo de la glace de mer est prise en compte dans cette expérimentation.

[7]RCP (ou Representative Concentration Pathways) : profils représentatifs d’évolution de concentration de gaz à effet de serre, d’ozone et de précurseurs des aérosols, définis par un groupe international d’experts pour les besoins du GIEC. Les scientifiques ont défini quatre scénarios de référence de l’évolution du forçage radiatif (c’est-à-dire du changement du bilan radiatif terrestre) sur la période 2006-2300, en fonction de trajectoires d’évolution de la concentration de gaz à effet de serre plus ou moins pessimistes. Ces scénarios permettent notamment aux climatologues d’établir des projections climatiques (plus de détails sur le site Drias, les futurs du climat ou sur le site du Ministère de l’Environnement, de l’Énergie et de la Mer).

[8]L’augmentation artificielle de l’albédo océanique réduit la quantité de rayonnement solaire absorbé par l’océan durant l’été austral, ce qui produit un refroidissement de surface et donc une diminution du rayonnement infrarouge émis vers l’espace à l’automne suivant. A l’exception du scénario optimiste, scénario dans lequel la température atmosphérique moyenne annuelle en Arctique à la fin du XXIe siècle serait réduite de 0,6 °C, la tendance au réchauffement ne serait compensée que temporairement. Si les cinq premières années après le déploiement d’infrastructures de géo-ingénierie, les températures décroissent de 0,5 °C, elles recommencent à grimper par la suite, en suivant la même courbure que sans géo-ingénierie.

[9]1 Pg = 1 pétagramme = 1 milliard de tonnes

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