Les notions fondamentales

La connaissance des causes du dérèglement climatique commande de rappeler quelques notions de physique :

• Energie
• Puissance
• Effet de Serre

Après ces quelques rappels, nous pourrons :

• Analyser les causes scientifiquement démontrées
• Comprendre les objectifs à tenir pour lutter contre le réchauffement climatique.

Energie

Qu’est-ce que l’énergie ?

• L’énergie est la grandeur physique qui permet de caractériser le changement d’état dans un système
  • Modification de température, de vitesse, de forme, de composition chimique ou atomique, …
• L’énergie est la capacité d’un système à produire un travail: déplacement d’un train, éclairage d’une ville, chauffage d’un immeuble …
• L’énergie ne peut être ni crée ni détruite, elle peut juste être transférée ou convertie en une autre énergie.
  • Conversion en chaleur, en énergie mécanique ou électrique …
• Lorsque l’on veut utiliser une énergie, il est toujours nécessaire de la convertir. Chaque conversion s’accompagne de pertes.
• Le rendement caractérise la quantité d’énergie perdue dans la conversion. Sa valeur est comprise entre [ 0 , 1 [

Unités d’énergie

• Le Joule (J) est l’unité de mesure légale de l’énergie dans le Système International des unités.
  • Une quantité d’énergie de 1 J est perçue comme petite dans l’activité d’un être humain et trop grande pour quantifier l’énergie des électrons dans un atome.
• Selon les domaines d’activités, d’autres unités sont employées qui peuvent être converties en Joules ou converties entre elles.
  • Le kilowattheure (kWh) et ses multiples sont utilisés dans les industries électriques. 1 kWh = 3,6.10⁶ J
  • La tonne d’équivalent pétrole (tep) et ses multiples sont  utilisées par les économistes de l’énergie. 1 tep = 4,186.10¹⁰ J
  • L’électronvolt (eV) est utilisé à l’échelle de l’atome pour décrire l’énergie des électrons. 1 eV = 1,602.10^-19 J

KILO  MEGA  GIGA  TERA
————————————-
kilo :   mille   (10³)
Méga :   million    (10⁶)
Giga :   milliard    (10⁹)
Téra :   mille milliards  (10¹²)

Energie primaire, énergie finale

• Energie Primaire, source disponible « gratuitement » dans la nature (seules l’extraction ou la transformation sont payantes).
  • Ressources épuisables, énergies fossiles : Charbon, pétrole, gaz, mais aussi uranium.
  • Ressources renouvelables : énergie hydraulique, éoliennes, marines, géothermiques, solaire y compris la biomasse qui concentre le carbone dans un végétal (arbres).
• Energie Secondaire, issue de la transformation d’énergies primaires avec pertes dues à la transformation. Le rapport énergie secondaire / énergie primaire s’appelle le rendement.
  • Produits pétroliers raffinés, électricité, …
  • Une centrale électrique qui fabrique de l’électricité en brulant du gaz ou du charbon a un rendement de 30 à 40% 
• Energie finale, utilisée par les êtres humains
  • Directe : se chauffer, se déplacer, utiliser un ordinateur
  • Indirecte : production de biens ou de services 

Consommation mondiale d’énergie primaire

• Les énergies s’ajoutent les unes aux autres au fil de leur mise en œuvre. 
• La découverte d’une nouvelle énergie ne remplace pas une énergie plus ancienne, elle s’y ajoute.
• Parmi toutes les énergies mise en œuvre, seule la part du bois décroit avec le temps.
  • Ceci s’explique par un déboisement des terres qui deviennent agricoles quand la mécanisation de l’agriculture apparait.
• Plus de 85% d’énergies fossiles dans le mix mondial

  1 200 kWh / an en Afrique subsaharienne
22 000 kWh / an en moyenne par habitant du monde
50 000 kWh / an pour un français
90 000 kWh / an pour un américain du Nord

« Mix » énergétique

• Le Mix énergétique est la répartition des différentes sources d’énergies primaires consommées dans une zone donnée.
• Le Mix énergétique du Monde permet de remarquer la part prépondérante  des énergies fossiles carbonées émettrices de Gaz à Effet de Serre (GES) lors de leur combustion ainsi que la faible part des Energies Renouvelables (EnR)
• La production d’électricité par l’éolien ou le solaire n’est pas « pilotable ». Un large déploiement impose de résoudre le problème du stockage de l’énergie (Hydrogène ?) et le déploiement de réseaux de distribution intelligents (Smart Grid). 
• Le Mix énergétique de la France, en raison de la faible part du charbon (il reste 4 usines produisant de l’électricité à partir du charbon dont celle de Gardanne) et de la part importante du nucléaire est environ 2 fois moins émetteur de GES que la moyenne mondiale. 
  • Cependant, notre consommation actuelle de pétrole et de gaz n’est pas compatible des objectifs de neutralité carbone.
  • L’énergie nucléaire permet une production d’énergie électrique non carbonée mais génère des déchets radioactifs et nécessite des investissements pour maintenir son niveau de sécurité

Puissance

Qu’est-ce que la puissance ?

• La puissance est la variation d’énergie (production ou consommation) au cours d’une durée, c’est un débit d’énergie.
• Deux systèmes de puissances différentes pourront fournir le même travail (la même énergie), mais le système le plus puissant pourra exécuter ce travail plus rapidement.
• La puissance correspond à la vitesse avec laquelle le travail s’accomplit.
• L’unité « légale » de Puissance est le Watt (W). Cette unité correspond à un échange d’énergie de 1 Joule en 1 seconde.
  • On a vu que l’unité d’Energie du domaine électrique est le Wh. On peut vérifier que l’unité de Puissance est homogène à Energie / Durée, donc Wh / h = W
  • Pour les moteurs thermiques, on utilise le cheval-vapeur (ch) en anglais horse-power (hp). 1 ch = 736 W.

Ordre de grandeur des puissances

Effet de Serre

Le Rayonnement

• La loi de Planck établi qu’un corps chauffé émet de l’énergie sous forme de rayonnement électromagnétique. Ce rayonnement « thermique » se propage dans le vide.
• Le rayonnement solaire est celui d’un Corps noir à 5525 K qui émet des photons dans les longueurs d’onde UV, visible (400 à 800 nm) et IR proche
• Le rayonnement de la Terre est celui d’un Corps noir à 288 K qui émet des photons en IR thermique (4 à 50μm)
• L’atmosphère est constituée à 99 % d’oxygène (O2) et d’azote (N2).
  • Ces gaz sont opaques au rayonnement UV et sont transparents au rayonnement IR thermique émis par la Terre 4 et 50μm.
• La capacité d’absorption d’un gaz est liée aux propriétés spectroscopiques des molécules qui le composent et à leur structure, en particulier en IR, à leur capacité à «vibrer». 
• Pour qu’un gaz joue un rôle dans l’effet de serre, il faut qu’il ait des propriétés d’absorption (et donc de réémission) dans le domaine spectral de la Terre et de son atmosphère.

Molécules de Gaz

• Les molécules diatomiques oxygène et azote n’ont pas la capacité de vibration. Elles n’absorbent pas le rayonnement IR. 
  • Par conséquent, 99,9 % des gaz de l’atmosphère n’ont pas d’impact sur la température de la Terre.
• Les molécules triatomiques à structure linéaire : gaz carbonique CO₂ et protoxyde d’azote NO₂, ou tétraédrique : méthane CH₄ ou sans symétrie : vapeur d’eau H₂0, ozone O₃ ou les chlorofluorocarbures CFCs possèdent des bandes d’absorption dans le domaine IR.
  • Par conséquent, les 0,1 % des gaz restants de l’atmosphère peuvent absorber la radiation IR thermique. Ce sont les « Gaz à Effet de Serre ». 
• Les molécules de GES absorbent les photons IR thermiques et passent de leur état fondamental à l’état excité (mode de vibration de la molécule).
  • Ces gaz piègent une partie de la radiation IR qui s’échappe de la Terre tandisque la « fenêtre atmosphérique », comprise entre   8 et 14μm, laisse s’échapper une partie de cette radiation vers l’espace.
• Lorsque les molécules reviennent à l’état stable elles réémettent des photons dans toutes les directions. 
  • L’effet de Serre est créé par la part des photons qui reviennent vers la Terre etqui s’ajoutent au rayonnement solaire, ce qui permet à la température terrestre d’atteindre 15°C. 
  • Sans l’effet de serre, la Terre aurait une température de -18°C.

Dérèglement Climatique

Variations climatiques – Orbite terrestre

• Cycles de Milankovitch
  • Excentricité : 100 000 et 413 000 ans
  • Obliquité : 41 000 ans
  • Précession : 23 000 et 19 000 ans
• Si l’axe de rotation de la Terre n’était pas incliné, il n’y aurait jamais de saison.
  • Plus l’axe est incliné, plus les saisons sont marquées.
• Notre ère géologique, le « quaternaire », commence il y a 2 millions d’années elle est marquée par des oscillations entre périodes glaciaires et interglaciaires liées aux cycles de Milankovitch.
  • La glaciation du Würm, la plus récente commence, il y a environ 115.000 ans et s’achève il y a quelque 15.000 ans, lorsque débuta l’âge interglaciaire dans lequel nous sommes actuellement. 
  • Lors de la dernière glaciation, les glaciers continentaux atteignent leur maximum abaissant le niveau de la mer à moins 120 m par rapport leur niveau actuel.

Relation Température et CO₂

• Forage calotte glaciaire antarctique jusqu’au socle rocheux (3260m) projet européen EPICA (1990) évolution sur 800 000 ans du climat. Mise en évidence des cycles de Milankovitch.
• Corrélation entre Température et concentration en CO₂
  • Nous nous situons actuellement au niveau des 3 plus grands pics de réchauffement passés
  • Mais, le réchauffement observé sur les 30 dernières années s’observait dans le passé plutôt sur 1 500 à 3 000 ans.
• Attention : Corrélation ne signifie pas Causalité.
  • Par le passé, ce sont les modifications de l’orbite terrestre qui ont entrainé le réchauffement. Pendant ces périodes, les modifications de T° ont induit la modification de concentration en CO₂ pas l’inverse.
  • Le CO₂ joue sur la température avec une inertie de 50 ans, alors que la température joue sur le CO₂ avec un retard de 800 à 1 000 ans.
• La concentration actuelle de CO₂ dépasse tous les records. La température à augmenté de 1,5°C depuis les débuts de l’ère industrielle (1750).
  • Selon notre capacité à limiter les émissions les scénarios des scientifiques du GIEC prévoient de 1 à 6°C de réchauffement supplémentaire en 2100. 

Neutralité Carbonne en 2050

• L’homme est devenu un agent climatique (anthropocène)
• L’Objectif est de pouvoir limiter le réchauffement climatique à 2°C à la fin du siècle.
• Depuis les débuts de l’industrialisation vers 1750, les activités humaines ont produit 2 250 Milliards de tonnes de CO2.
  • La durée de vie dans l’atmosphère des molécules de CO2 est de 100 ans, la valeur des émissions humaines conduit à un réchauffement de 1,5 °C 
• Pour limiter à 2°C le réchauffement climatique, il faudra rester en deçà de 3 000 Milliards de tonnes de CO2 pour les 80 ans à venir.
• La Stratégie Nationale Bas Carbone (SNBC) en France s’est fixée comme objectif :
  • la « neutralité » carbone en 2050 (zéro émissions nettes)
  • L’ensemble des émissions qui auront été très fortement réduites sera compensé par les absorptions, essentiellement celles des forêts.
  • Cela implique de diviser par 6 d’ici à 2050 nos émissions de GES par rapport à 1990 soit une réduction annuelle de 4%

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