vignette|redresse=1.5|Diagramme des facteurs qui déterminent la sensibilité du climat. L'augmentation des niveaux de entraîne un réchauffement initial. Ce réchauffement est amplifié par l'effet net des rétroactions. Parmi les rétroactions qui se renforcent d'elles-mêmes, on peut citer la fonte des glaces qui réfléchissent la lumière du soleil et l'augmentation de l'évaporation, qui accroît la quantité moyenne de vapeur d'eau dans l'atmosphère, laquelle est un gaz à effet de serre. La sensibilité climatique caractérise l'évolution de la température de l'atmosphère terrestre en réponse à un forçage radiatif donné. C'est un paramètre de la modélisation du réchauffement climatique. La sensibilité du climat au est souvent exprimée comme la variation de température en degrés Celsius associée à un doublement de la concentration de dioxyde de carbone dans l'atmosphère terrestre.
La sensibilité climatique ne prend cependant pas en compte les rétroactions du cycle du carbone. La réponse à l'équilibre du système peut donc être encore plus importante que ne l'indique la sensibilité du système Terre. Depuis la fin des années 2000 des études tentent d'aborder le problème d'un autre point de vue pour résoudre cette difficulté.
Bien que la sensibilité du climat soit généralement utilisée dans le contexte du forçage radiatif par le dioxyde de carbone, elle est considérée comme étant une propriété générale du système climatique : le changement de température de surface à la suite d'un changement d'une unité de forçage radiatif, est ainsi exprimée en °C par () (la densité surfacique de puissance).
Pour un modèle climatique global couplé atmosphère-océan, la sensibilité du climat est une propriété émergente : ce n'est pas un paramètre du modèle, mais la résultante d'une combinaison de facteurs physiques et de paramètres du modèle.
Il est également possible d'estimer la sensibilité du climat à partir d'observations, notamment paléoclimatologiques, mais cela est difficile en raison des incertitudes sur les forçages et sur l'histoire des températures.
Contexte Le bilan de l'énergie qui atteint la Terre sous forme de lumière solaire et la quitte sous forme de rayonnement thermique vers l'espace doit être équilibré. Dans le cas contraire, la quantité totale d'énergie thermique sur la planète augmente ou diminue, ce qui se traduit par une planète globalement plus chaude ou plus froide. Le forçage radiatif est le moteur d'un déséquilibre entre les taux d'énergie de rayonnement entrant et sortant. Une planète plus chaude émet plus rapidement de la chaleur vers l'espace, de sorte qu'un nouvel équilibre est finalement atteint, avec une température plus élevée et un contenu énergétique stocké. Toutefois, le réchauffement de la planète a également des effets rétroactifs, qui entraînent un réchauffement supplémentaire dans une boucle de rétroaction exacerbée. La sensibilité du climat est une mesure de l'ampleur du changement de température qu'une quantité donnée de forçage radiatif provoquera..
Forçage radiatif
Les forçages radiatifs sont généralement quantifiés en watts par mètre carré () et moyennés sur la surface de la Terre à la plus haute altitude, définie comme le sommet de l'atmosphère. L'ampleur d'un forçage est spécifique au facteur physique et est définie par rapport à une période de temps d'intérêt pour son application.. Dans le contexte d'une contribution à la sensibilité du climat à long terme entre 1750 et 2020, l'augmentation de 50 % du taux de atmosphérique est caractérisée par un forçage d'environ .. Dans le contexte de contributions à plus court terme au déséquilibre énergétique de la Terre (c'est-à-dire son taux de réchauffement/refroidissement), les intervalles de temps d'intérêt peuvent être aussi courts que l'intervalle entre les échantillonnages de données de mesure ou de simulation, et sont donc susceptibles d'être accompagnés par des valeurs de forçage plus faibles. Les forçages calculés par ces études sont également analysés et rapportés à des échelles de temps décennales...
Le forçage radiatif entraîne des changements à long terme de la température mondiale. Plusieurs facteurs contribuent au forçage radiatif : l'augmentation du rayonnement descendant due à l'effet de serre, la variabilité du rayonnement solaire due aux changements d'orbite planétaire, les changements d'irradiation solaire, les effets directs et indirects causés par les aérosols (par exemple les changements d'albédo dus à la couverture nuageuse) et les changements dans l'utilisation des terres (déforestation ou perte de la couverture de glace réfléchissante). Au , le forçage radiatif par les gaz à effet de serre est bien compris. En 2019, de grandes incertitudes subsistent en ce qui concerne les aérosols.
Chiffres clés Les niveaux de dioxyde de carbone () sont passés de par million (ppm) au à plus de en 2020. Le étant un gaz à effet de serre, il empêche l'énergie thermique de quitter l'atmosphère terrestre. En 2016, les niveaux de dans l'atmosphère avaient augmenté de 45 % par rapport aux niveaux préindustriels, et le forçage radiatif causé par l'augmentation du était déjà plus de 50 % plus élevé qu'à l'époque préindustrielle en raison d'effets non linéairesLe niveau de en 2016 était de , soit moins de 50 % de plus que la concentration de préindustrielle de . Cependant, comme l'augmentation des concentrations a un effet de réchauffement progressivement plus faible, la Terre était déjà plus qu'à mi-chemin du doublement du forçage radiatif causé par le .. Entre le début de la révolution industrielle au et la fin de l'ère industrielle, la température de la Terre a augmenté d'un peu plus d'un degré Celsius.
Importance pour la société Étant donné que l'économie de l'atténuation du réchauffement climatique dépend fortement de la rapidité avec laquelle la neutralité carbone doit être atteinte, les estimations de la sensibilité du climat peuvent avoir d'importantes implications économiques et politiques. Une étude suggère que la réduction de moitié de l'incertitude de la valeur de la réponse climatique transitoire pourrait permettre d'économiser des milliers de milliards de dollars. Les scientifiques ne sont pas certains de la précision des estimations de l'augmentation des gaz à effet de serre sur la température future, car une sensibilité climatique plus élevée signifierait des augmentations de température plus spectaculaires, ce qui rendrait plus prudente la prise de mesures climatiques importantes. Si la sensibilité climatique s'avère être dans la partie supérieure des estimations des scientifiques, l'objectif de l'Accord de Paris de limiter le réchauffement climatique à bien moins de ne pourra pas être atteint, et les augmentations de température dépasseront cette limite, au moins temporairement. Une étude a estimé qu'il n'est pas possible de réduire les émissions assez rapidement pour atteindre l'objectif de si la sensibilité climatique à l'équilibre (la mesure à long terme) est supérieure à . Plus le système climatique est sensible aux variations des concentrations de gaz à effet de serre, plus il est probable qu'il y ait des décennies où les températures sont beaucoup plus élevées ou beaucoup plus basses que la moyenne à long terme...
Rétroactions La réponse brute à un doublement de la concentration de dans l'atmosphère est de . Des rétroactions modifient cependant cette valeur.
Rétroactions rapides Rétroaction de la vapeur d'eau La teneur en vapeur d'eau évolue avec le réchauffement. En effet, un air plus chaud peut contenir plus d'humidité. Cette évolution se fait avec une humidité relative fixe, donc une humidité absolue croissante.
Rétroaction des nuages Elle est très probablement positiveDessler, 2010.
Gradient thermique Il augmente dans les régions polaires et diminue dans les régions tropicales, à la suite de la formation du point chaud dans la troposphère tropicale.
Rétroaction lentes Modification de l'albédo Les calottes glaciaires et les surfaces enneigées ont un albédo élevé, si elles se rétractent le sol plus sombre sera exposé aux rayonnements solaires. De même, l'évolution de la végétation et/ou des surfaces de déserts modifie l'albédo de la Terre.
Perturbation du cycle du carbone Cette rétroaction n'entre pas en compte dans le calcul de la sensibilité climatique. Cependant, il est probable que sous la contrainte du réchauffement climatique, le cycle du carbone devienne une source de carbone, amplifiant alors un peu plus le réchauffement initialMacDougall A.H, Avis C.A & Weaver AJ (2012) Significant contribution to climate warming from the permafrost carbon feedback | Nature Geoscience |5, 719–721 | 09 septembre |doi:10.1038/ngeo1573|.
Détermination empirique Calcul à l'aide des données de l'ère industrielle Rahmstorf (2008) fournit un exemple informel de la façon dont la sensibilité climatique pourrait être estimée de façon empirique, méthode légèrement modifiée ci-après.
Notons la sensibilité, c'est-à-dire l'augmentation à l'équilibre de la température moyenne mondiale, y compris les effets des rétroactions dues au forçage maintenu à la suite d'un doublement du (pris à +), par x °C.
Si la Terre devait faire l'expérience d'un changement de température à l'équilibre de ΔT (°C) en raison d'un forçage soutenu de ΔF (), alors on peut dire que
x / (ΔT) = () / (ΔF), c'est-à-dire que x = ΔT × () / ΔF.
L'augmentation de la température mondiale depuis le début de l'ère industrielle (prise en 1750) est d'environ +0,8 °C, et le forçage radiatif dû au et d'autres gaz à effet de serre à long terme (principalement le méthane CH4, l'oxyde nitreux (ou protoxyde d'azote) N2O, et les chlorofluorocarbures) émis depuis ce temps, est d'environ +. Négliger les autres forçages et considérer l'augmentation de la température comme étant une augmentation à l'équilibre aboutirait à une sensibilité d'environ +.
Cependant, ΔF contient également des contributions dues aux aérosols (−), et d'autres influences moindres, notamment solaire, qui s'annulent approximativement, ce qui porte le forçage total sur la période industrielle à + selon les meilleures estimations, mais avec une forte incertitude. En outre, le fait que le système climatique n'est pas à l'équilibre doit être pris en compte, ce qui est fait en soustrayant le taux d'absorption thermique planétaire H au forçage, c'est-à-dire, x = ΔT × () / (ΔF – H). En prenant un taux d'absorption thermique planétaire comme égal au taux d'absorption thermique de l'océan, estimé par les mesures ARGO à , on obtient une valeur de x de +.
Les chiffres sont cependant très incertains, et permettent plutôt de vérifier en première approximation que l'évolution actuelle est cohérente avec ce qu'il est connu du système climatique, le fait de tomber sur la valeur exacte étant plus un hasard qu'autre chose.
Calcul en utilisant les données de l'époque glaciaire
Estimations par les modèles
Mesures Réponse climatique transitoire La réponse climatique transitoire (en anglais, , TCR) est la sensibilité à court terme du système climatique à un doublement de la concentration en carbone dans l'atmosphère. Plus précisément, il s'agit de la hausse des températures au moment précis du doublement de la concentration atmosphérique en après une hausse annuelle de 1 % de celle-ci, soit après le début de la hausse.... La TCR mesure ainsi le réchauffement lorsque le bilan énergétique de la planète n'est pas encore équilibré, et notamment alors que les océans absorbent une partie du réchauffement avant d'atteindre leur état d'équilibre, réduisant momentanément l'ampleur de la hausse des températures de surface.