Analyse : Quel « budget carbone » pour limiter le réchauffement climatique à 1,5C ?

§ De nombreuses nouvelles estimations

L’idée d’un « budget carbone » liant une quantité de réchauffement futur à une quantité totale d’émissions de CO2 repose sur la relation forte entre les émissions cumulées et les températures dans les modèles climatiques. Mais ce qui était au départ un simple outil de communication est devenu assez complexe. Différentes études donnent en effet des résultats très variables concernant les budgets carbone associés aux trajectoires d’émissions très faibles, comme celles correspondant à un réchauffement de 1,5C.

Cette relation entre les émissions cumulées et le réchauffement est imparfaite, car elle change en fonction de ce qu’il advient des gaz à effet de serre autres que le CO2, comme le méthane et l’oxyde d’azote, et du rythme de réduction des aérosols qui refroidissent le climat. En outre, elle ne fonctionne pas aussi bien lorsqu’il existe des émissions « négatives nettes », c’est-à-dire lorsque davantage d’émissions sont retirées de l’atmosphère qu’il n’en est ajouté.

Le graphique ci-dessous présente plusieurs estimations de budget carbone permettant de maintenir la hausse des températures nettement en dessous de 1,5C, ce « nettement en dessous » sous-entendant une probabilité de 66% de rester sous ce seuil (et donc de 33% de le dépasser). Ces probabilités reflètent l’incertitude importante concernant la sensibilité du climat aux émissions de CO2. Les barres colorées correspondent aux budgets carbone de différentes études (mentionnées à gauche). Les valeurs négatives signifient que les émissions cumulées à ce jour dépassent déjà le budget carbone pour rester « nettement en dessous » de 1,5C.

Un certain nombre de méthodes ont été mises en œuvre pour estimer les budgets carbone, parmi lesquelles des ESM complexes (en jaune), des modèles climatiques simples utilisés par les modèles d’évaluation intégrée (Integrated Assessment Models en anglais, ou IAM, ainsi que l’utilisation de données d’observation sur les émissions et le réchauffement constatés pour « contraindre » les résultats des ESM (en bleu).

Les budgets présentés diffèrent dans leur approche de l’objectif 1,5C. Les modèles ESM et les combinaisons d’observations et d’ESM utilisent ce qu’on appelle des « budgets de dépassement de seuil ». Ils accroissent les émissions jusqu’à ce que les températures progressent de 1,5C et supposent qu’elles cessent immédiatement une fois ce seuil atteint, ce qui est bien sûr impossible dans le monde réel. Le budget reflétant une probabilité de 66% d’éviter une élévation des températures de 1,5C est ainsi simplement basé sur le 66e centile de tous les budgets ESM. Les IAM, pour leur part, reposent sur des « budgets d’évitement de seuil » qui créent des scénarios d’émissions calibrés pour maintenir un réchauffement bien inférieur à 1,5C en 2100.

§ Modèles ESM

Les « modèles de système Terre » ou « Earth System Model » (ESM) sont un type de modèles climatiques complexes qui simulent le cycle du carbone et de l’azote, la chimie de l’atmosphère, l’écologie des océans et les changements dans l’utilisation de la végétation et des terres. Tous ces paramètres influent sur la façon dont le climat répond aux émissions de gaz à effet de serre d’origine humaine. La végétation, par exemple, réagit à la température et aux précipitations, ce qui modifie à la fois l’absorption et la libération de carbone dans l’atmosphère.

Ces modèles ont récemment tourné dans le cadre de la cinquième phase du Projet d’intercomparaison des modèles couplés (Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 en anglais, acronyme CMIP5), une initiative internationale de groupes de modélisation pour réaliser des tests à partir d’un ensemble de scénarios climatiques communs, qui a conduit au cinquième rapport d’évaluation du GIEC en 2013.

Ces modèles, baptisés « IPCC AR5 ESMs » dans le graphique ci-dessus, estiment le budget carbone restant pour contenir la hausse des températures nettement en dessous des 1,5C à 118GtCO2 entre 2018 et 2100, soit environ trois ans d’émissions au rythme actuel.

Une nouvelle étude du Professeur Jason Lowe et du Dr Dan Bernie, du Met Office Hadley Centre, au Royaume-Uni, tente d’intégrer à ces modèles CMIP5 des incertitudes supplémentaires provenant des rétroactions induites par le changement climatique, comme le carbone libéré par la fonte du pergélisol ou la production de méthane dans les zones humides. Ils incorporent un large éventail de rétroactions supplémentaires, dont certaines améliorent et d’autres réduisent les émissions futures et le réchauffement qui en résulte. La prise en compte de ces rétroactions aboutit à un budget carbone situé entre -192 et 243 GtCO2 pour rester « nettement en dessous » de 1,5C de réchauffement, avec une meilleure estimation de 67GtCO2.

Un budget carbone négatif signifie que les émissions produites nous inscrivent déjà sur la trajectoire d’un réchauffement de 1,5C ou plus d’ici à la fin du siècle, avec une probabilité supérieure à 33%, et qu’il faudrait pour atteindre l’objectif retirer de l’atmosphère, à partir de maintenant, plus d’émissions qu’on en y envoie.

Les modèles CMIP5 se basent sur les scénarios RCP (Representative Concentration Pathways), qui précisent les concentrations futures de CO2 et d’autres gaz à effet de serre entre 2005 et 2100, mais pas les émissions réelles de CO2 au cours d’une année donnée. Cette approche a été choisie car tous les modèles climatiques intégrés au CMIP5 n’étaient pas des ESM ; certains étaient des modèles de circulation générale (General Circulation Models en anglais, acronyme GSM), plus simples, qui n’utilisent pas de cycle du carbone pour convertir les émissions en concentrations atmosphériques.

Pour estimer les émissions cumulées de CO2 à intégrer dans le calcul du budget carbone, les ESM exploités dans le CMIP5 ont dû les recalculer sur la base des concentrations atmosphériques en utilisant le cycle du carbone dans chaque modèle. Ces modèles de cycle du carbone sont imparfaits et tendent, en moyenne, à avoir des émissions associées aux concentrations actuelles de CO2 inférieures à notre meilleure estimation des émissions réelles. Ce décalage semble résulter d’une sous-estimation des puits de carbone terrestres ou océaniques dans certains ESM.

Les modèles obtiennent un réchauffement à peu près correct pour les concentrations actuelles de CO2, mais leur tendance à avoir des estimations plus faibles d’émissions historiques signifie que les budgets carbone basés sur la relation entre les émissions cumulées de CO2 et le réchauffement tendent à être situés en bas de fourchette.

Ce point a été soulevé pour la première fois par le Professeur Pierre Friedlingstein et ses collègues de l’Université d’Exeter dans une étude publiée en 2014. Ses implications potentielles pour les budgets carbone 1,5C ont été mises en évidence par Dr Richard Millar et ses collègues dans un article publié l’an dernier.

Ce décalage entre émissions modélisées et observées est certes relativement faible, mais il peut entraîner une différence considérable pour des budgets carbone très serrés, comme ceux associés au seuil de 1,5C.

§ Estimations combinant les ESM et les observations

Un certain nombre d’études ont tenté d’améliorer les estimations de budget carbone des ESM en les harmonisant plus étroitement avec les observations sur le réchauffement et les émissions réelles.

Cela a pris un certain nombre de formes. Dans leur article publié en 2017, Millar et ses collègues ont ainsi calibré dans les ESM la totalité des émissions et du réchauffement passés pour qu’ils correspondent aux observations actuelles. Ils se sont ensuite penchés sur la quantité d’émissions supplémentaires qui augmenterait les températures de la différence entre la température actuelle et le seuil de 1,5C au-dessus des niveaux préindustriels. Cette méthode a l’avantage d’éliminer tout décalage entre les émissions ou les températures passées dans les observations et les ESM.

Les calculs de Millar sur le budget carbone restant pour maintenir le réchauffement « nettement en dessous » de 1,5C de réchauffement ont conduit à une estimation de 625GtCO2, soit environ 15 années d’émissions au rythme actuel. Ce chiffre, cinq fois plus élevé que l’estimation précédente du GIEC, a suscité une controverse considérable au sein de la communauté lors de sa première publication.

L’article de Millar et consorts a ainsi été critiqué par Dr Andrew Schurer de l’Université d’Edimbourg, ainsi que d’autres chercheurs, pour avoir utilisé un historique de températures non représentatif de ce que les ESM simulent réellement. Plus précisément, Millar et ses collègues ont utilisé la série de températures HadCRUT4 pour estimer le réchauffement résiduel nous séparant du seuil des 1,5C. Bien qu’elle soit conforme aux évaluations du GIEC sur le réchauffement passé, cette série ne couvre pas une grande partie de la région Arctique, qui se réchauffe rapidement, et agrège les températures de l’air à la surface des terres émergées avec les températures de surface de la mer, qui progressent plus lentement.

Schurer et ses collègues avancent que si l’on utilise un historique d’observations global tout en simulant les mêmes températures globales de l’air en surface que celles employées par les modèles ESM, une obtient un niveau de réchauffement estimé à ce jour plus important, ce qui réduit sensiblement le budget carbone.

En appliquant leur approche au budget carbone calculé par Millar et ses collègues pour rester « nettement en dessous » de 1,5C de réchauffement, Carbon Brief estime que le budget ressortirait entre 325GtCO2 et 506GtCO2, avec une meilleure estimation de 416GtCO2, soit 10 années supplémentaires d’émissions à notre rythme actuel. Ce calcul est basé sur la fourchette entre le 5e et le 95e centile deSchurer pour le réchauffement actuel par rapport à la fin du XIXe siècle, qui utilise l’historique de températures Cowtan and Way corrigé de la différence entre les taux de réchauffement de la température de surface de la mer et de la température de l’air en surface. Ce budget carbone reste considérablement plus élevé que l’estimation du GIEC, ce qui suggère que les approches fondées sur des observations sont importantes pour corriger les estimations trop basses des modèles.

Schurer et d’autres chercheurs soulignent de plus que le budget carbone serait encore plus restreint si la période « préindustrielle » était définie par rapport aux années 1700, voire antérieures, plutôt qu’à la fin des années 1800. Il est en effet probable que des émissions anthropiques se soient produites avant la fin du XIXe siècle, entraînant le réchauffement climatique. Cependant, les ESM et les IAM utilisent tous pour base la fin des années 1800. La définition de l’ère préindustrielle n’explique donc pas les différences entre les estimations de budget carbone.

Dr Mark Richardson du Jet Propulsion Laboratory de la NASA et ses coauteurs – dont Millar – ont récemment examiné la façon dont le budget carbone varie si les seules régions des modèles pour lesquelles des observations sont disponibles sont utilisées. En recourant à la base de données HadCRUT4, ils parviennent à un budget carbone de 779GtCO2, environ 25% plus élevé que le résultat de Millar et consorts. Mais, en se basant sur les données de Berkeley Earth, le budget carbone ressort à 467GtCO2, un chiffre bien moins élevé.

Un article de Dr Katarzyna Tokarska et Dr Nathan Gillett utilise une approche similaire à celle de Millar et de ses collègues, en harmonisant les ESM avec les émissions et les températures actuelles. Ils évitent certains des écueils rencontrés par Millar en utilisant des historiques de températures de surface plus représentatifs d’un point de vue global, bien que mélangeant toujours les températures de l’air à la surface des terres émergées avec les températures de surface de la mer, qui progressent plus lentement.

Tokarska et Gillett testent également les ESM pour garder ceux qui coïncident correctement avec les émissions observées, éliminant un certain nombre de modèles dont les émissions historiques différent trop. Ils concluent à un budget carbone de 395GtCO2 pour rester « nettement en dessous » de 1,5C, considérablement inférieur à celui de Millar mais raisonnablement proche de celui de Schurer..

Enfin, Dr Philip Goodwin  de l’Université de Southampton et ses collègues ont également modifié dans un article les données de base des ESM pour les faire correspondre aux émissions et températures actuelles. Mais au lieu d’utiliser les modèles CMIP5 pour établir leur budget, ils utilisent un ESM simplifié conçu pour être cohérent avec le réchauffement et les émissions observés à ce jour. Ils concluent ainsi à un budget carbone de 693GtCO2, assez similaire à celui de Millar, pour rester « nettement en dessous » des 1,5C. Cependant, l’étalement des budgets carbone qu’ils calculent est bien plus limité que chez Millar et consorts ; ceux-ci s’échelonnent ainsi entre 693 et 821 GtCO2, correspondant à des probabilités respectives de 66% et 44% de ne pas dépasser 1,5C de réchauffement, contre une fourchette de 625 à 1.870 GtCO2 pour Millar et ses collègues.

§ Modèles d’évaluation intégrée

Les modèles d’évaluation intégrée, ou IAM, prennent en compte les facteurs socioéconomiques sous-jacents, tels que la croissance démographique et économique, ainsi qu’un objectif climatique – comme la limitation du réchauffement à 1,5C – et évaluent les changements qui pourraient survenir dans la production et l’utilisation d’énergie, ainsi que sur les émissions dans différentes régions du monde, pour atteindre les objectifs de la manière la plus efficace économiquement.

Ils s’appuient sur le modèle climatique simple connu sous le nom de « MAGICC » (Model for the Assessment of Greenhouse Gas Induced Climate Change) pour convertir les émissions de différents gaz à effet de serre en concentrations atmosphériques et en réchauffement. Le modèle de cycle du carbone du MAGICC est conçu pour faire correspondre les concentrations historiques aux émissions observées, et devrait ainsi déjouer le problème de la sous-estimation des émissions historiques observé dans les ESM plus complexes.

Les IAM présentés dans le dernier rapport du GIEC concluaient que le budget carbone permettant de maintenir la hausse des températures « nettement en dessous » de 1,5C, à partir de janvier 2018, ressortait entre -192GtCO2 et 26GtCO2. Ceci signifierait que le budget carbone serait déjà épuisé, et que le réchauffement ne pourrait être maintenu sous 1,5C d’ici à la fin du siècle qu’en éliminant plus de CO2 de l’atmosphère qu’il n’en serait émis d’ici là.

Ces IAM ont été récemment actualisés par Dr Joeri Rogelj et ses collègues de l’International Institute for Applied Systems Analysis (IIASA), en Autriche, dans le cadre des exercices de modélisation conduits pour le prochain rapport du GIEC. Ils présentent désormais une fourchette un peu plus large, de -182 à 393 GtCO2. La variation par rapport à la série précédente d’IAM résulte en partie d’hypothèses différentes concernant les émissions futures de gaz à effet de serre autres que le CO2.

Les budgets carbone fondés sur les IAM diffèrent à plusieurs égards de ceux qui proviennent des ESM. Premièrement, plutôt que d’utiliser un ensemble de modèles pour calculer le 66e centile des simulations qui entraînent un réchauffement de 1,5C, ils utilisent une fourchette de valeurs de sensibilité climatique qui aboutissent à une estimation plus prudente des émissions qui nous amènerait à dépasser ce seuil.

Plus précisément, alors que les ESM qui calculent une probabilité de 66% d’éviter une hausse des températures de 1,5C montrent toujours un réchauffement d’environ 1,45C, les IAM qui tablent sur un objectif similaire présentent un réchauffement beaucoup plus faible en 2100, de 1,3C à 1,4C par rapport aux niveaux préindustriels. Tous les IAM ne ciblent pas non plus une probabilité de 66% d’éviter un réchauffement de 1,5C, certains adoptant des cibles un peu plus prudentes.

Deuxièmement, les IAM visent précisément une hausse de la température moyenne à la surface du globe inférieure à 1,5C en 2100, plutôt que sur l’ensemble de la période s’étirant d’aujourd’hui à cette échéance. La quasi-totalité des IAM qui atteignent l’objectif de 1,5C dépassent ce seuil vers le milieu du siècle, avant que les températures ne diminuent durant la seconde moitié grâce à des émissions négatives massives.

Ceci modifie quelque peu le calcul du budget, d’autant plus que les émissions nettes négatives peuvent remettre en cause les hypothèses concernant la relation entre les émissions cumulées et le réchauffement.

Troisièmement, parce que le réchauffement maximal se matérialise avec environ une décennie de retard sur les émissions de carbone, les budgets basés sur les ESM (ou les observations et les ESM combinés) n’intègrent pas pleinement les émissions produites sur la dernière décennie précédant le dépassement du seuil de 1,5C. Les IAM, au contraire, sont d’une certaine façon pénalisés, car le refroidissement induit par les émissions négatives de la dernière décennie précédant 2100 n’est pas entièrement pris en compte.

Ces différents facteurs expliquent que les budgets carbone des IAM soient relativement faibles comparés aux budgets de combinaisons d’observations et d’ESM. Pour tenter de réconcilier les deux, Rogelj et ses collègues ont recalculé le budget de Millar en prenant en compte des observations de températures plus représentatives globalement et des différences entre le niveau de réchauffement atteint, ainsi que d’autres facteurs, afin de le rendre plus comparable aux budgets des IAM. Ils ont constaté que le budget de Millar se situerait alors entre 25 et 375 GtCO2, retombant bien sur l’essentiel de la fourchette des budgets des IAM.

Cependant, Millar suggère que des recherches supplémentaires pourraient être nécessaires pour résoudre complètement la question des différences observées sur les budgets. Il explique à Carbon Brief:

« Il s’agit, à mon avis, d’un domaine important sur lequel la communauté doit poursuivre son travail. Il semble probable qu’une combinaison de facteurs et de différences de définition, comme le dit Dr Rogelj, explique la différence entre les budgets des IAM et des non IAM. En effet, tant les incertitudes climatiques physiques que les incertitudes techniques et sociétales concernant notre capacité à réduire les contributions non CO2 au réchauffement influent sur les estimations des budgets restants »

Dr Glen Peters, du CICERO Center for International Climate Research, en Norvège, a récemment publié un commentaire dans Nature Geoscience sur la différence que provoque le choix d’un budget de dépassement ou d’évitement pour les IAM. Ces modèles dépassent généralement 1,5C de réchauffement avant 2050, avant de voir les températures refluer grâce au déploiement à grande échelle d’émissions négatives d’ici la fin du siècle. Glen Peters a constaté que, alors que le budget carbone des IAM pour l’objectif 1,5C en 2100 se situait entre -182 et 393 GtCO2, il serait beaucoup plus élevé – entre 318 et 518 GtCO2, ce qui correspond à de nombreuses estimations provenant de combinaisons d’observations et d’ESM – si le budget est fondé sur le moment où les modèles atteignent 1,5C de hausse pour la première fois.

§ Définir 1,5C, un défi

Bien que l’objectif ait été fixé de « poursuivre l’action menée pour limiter la hausse des températures à 1,5C », l’accord de Paris n’a jamais défini ce que cela signifie exactement. Ce pourrait être interprété soit comme visant un réchauffement de 1,5C avec 50% de probabilité d’y parvenir, soit comme visant à contenir la hausse des températures « nettement en dessous » de 1,5C avec 66% de chance, comme pour l’objectif 2C. Le texte ne précise pas non plus s’il se réfère aux changements de température globale de l’air que simulent les modèles, ou aux combinaisons entre la température de l’air et la température de surface de la mer, plus comparables aux historiques de températures observées.

Certains articles ont mis l’accent sur une probabilité de 50%, d’autres sur 66%. Il semble probable, à ce stade, que l’interprétation « nettement en dessous » de 1,5C avec 66% de chance l’emporte finalement. Les modèles IAM tournant en préparation du prochain rapport du GIEC ont en effet adopté cette approche.

Le graphique ci-dessous montre les budgets carbone de toutes les études récentes ayant examiné la possibilité de limiter le réchauffement à 1,5C avec une probabilité de 50%. Il inclut de nombreuses recherches qui se sont également penchées sur le cas d’un réchauffement bien inférieur à 1,5C avec une probabilité de 66%, ainsi que deux nouvelles études explorant ce même objectif avec 50% de chance.

Sans surprise, les budgets carbone reflétant une probabilité de 50% d’éviter 1,5C de réchauffement sont tous plus élevés que ceux calculés avec l’objectif de rester « nettement en dessous » de 1,5C avec 66% de chance.

Dr Elmar Kriegler et de ses collègues de l’Institut de Potsdam, en Allemagne ont synthétisé les différentes études existantes se basant sur les différentes méthodes d’estimation. Son nouvel article situe le budget carbone restant à partir de janvier 2018 dans une fourchette large, allant de -182 à 818 GtCO2 (montré en gris).

Les deux nouvelles études (en violet), de Professeur Damon Matthews et de ses collègues, et de Millar et Friedlingstein, utilisent pour leur part une approche qui s’affranchit des modèles pour calculer leurs budgets carbone. Ils évaluent la relation entre le réchauffement observé et les émissions cumulées de CO2 constatées, en calculant la « réponse transitoire du climat aux émissions cumulées » – la quantité de réchauffement par tératonne de carbone (TtC, ou 1000 gigatonnes de carbone).

Les deux études obtiennent, pour la réponse transitoire du climat aux émissions cumulées, des estimations inférieures à celles que l’on trouve dans les modèles climatiques – et, en conséquence, un budget carbone plus important. Même ici, toutefois, les résultats montrent une sensibilité aux séries de températures utilisées. Millar et Friedlingstein aboutissent à une réponse climatique transitoire de 1,84C/TtC avec l’historique de température Cowtan and Way, de 2,05C/TtC avec celui de Berkeley Earth, et une estimation médiane de 2,11C/TtC avec les ESM du CMIP5 (mais avec une fourchette large de 0,8 à 2,5C/TtC). Inversement, ils constatent que la réponse climatique transitoire serait réduite en utilisant les nouvelles estimations 2017 du Global Carbon Project, qui intègrent des émissions de CO2 historiques plus élevées pour l’utilisation des terres.

Matthews et ses collègues estiment à 977GtCO2 (24 ans d’émissions actuelles) le budget carbone restant à partir de janvier 2018 pour ne pas dépasser 1,5C de réchauffement avec 50% de probabilité, tandis que Millar et Friedlingstein l’évaluent à 835GtCO2 (20 ans d’émissions actuelles). Ce chiffre est considérablement plus élevé que la valeur de 268GtCO2 (sept ans d’émissions actuelles) du modèle ESM du GIEC.

Une nouvelle étude de Nicholas Leach et de ses collègues de l’Université d’Oxford adopte une approche similaire, se basant sur une combinaison du niveau et du taux de réchauffement anthropique estimé, tout en maintenant inchangée la contribution des facteurs non-CO2. Ils concluent à un budget carbone compris entre 479 et 1.239 GtCO2 – soit 12 à 31 ans d’émissions au rythme actuel – avec une meilleure estimation de 839GtCO2.

§ D’importantes incertitudes subsistent

De nombreuses études ont été publiées au cours des deux dernières années sur le budget carbone à notre disposition pour limiter le réchauffement à moins de 1,5C. Elles ont généralement conforté la conclusion de Millar et de ses collègues selon laquelle les modèles du GIEC ont sous-estimé le budget carbone restant, mais des différences significatives subsistent entre les études et il est difficile de déterminer un chiffre précis.

En général, parce que la différence entre les émissions cumulées à ce jour et celles d’un monde à 1,5C de réchauffement est si faible, les estimations sont sensibles à de nombreux facteurs, par exemple la quantité de réchauffement observé à ce jour, celle des émissions non CO2 attendues à l’avenir, la fourchette de sensibilité climatique utilisée pour calculer une probabilité de 66%, et encore bien d’autres paramètres.

Les IAM tendent à trouver des budgets carbone bien moins importants que ceux issus des combinaisons entre ESM et observations, mais les deux types de modèles ne sont pas nécessairement directement comparables. Les IAM travaillent sur le réchauffement en 2100 (et dépassent souvent le seuil de 1,5C avant la fin du siècle), tandis que les ESM ne font que regarder la quantité de CO2 pouvant être émise avant que les températures n’augmentent de 1,5C. À ce stade, il est probablement prématuré de suggérer que les budgets carbone des IAM soient trop faibles.

En fin de compte, comme l’a fait valoir Peters, l’idée d’un budget carbone pourrait tout simplement ne pas être un concept très utile pour des objectifs d’émissions restreints, comme ceux du 1,5C. La hausse des températures mondiales étant déjà assez proche de 1,5C, de petites différences dans les calculs ont un impact important.

De même, parce que presque tous les scénarios plausibles requièrent ultérieurement une grande quantité d’émissions négatives, le budget carbone ne représente pas en soi un plafond absolu sur les émissions. Quel que soit le budget carbone utilisé, il ne reste que moins de 0,5C de réchauffement supplémentaire avant que le seuil des 1,5C ne soit franchi, et quelques décennies seulement avant que le monde ne doive parvenir à des émissions nettes nulles, puis négatives.

Traduction de « Analysis: How much ‘carbon budget’ is left to limit global warming to 1.5C?” » par Olivier Hensgen et Benjamin Jullien.