Réévaluation du Rôle des Émissions Anthropiques de Vapeur d'Eau dans le Changement Climatique

Réévaluation du Rôle des Émissions Anthropiques de Vapeur d'Eau dans le Changement Climatique

Introduction

Le rôle des émissions anthropiques de vapeur d'eau dans le changement climatique est un sujet de débat scientifique depuis des décennies. La vapeur d'eau est le gaz à effet de serre le plus abondant et le plus efficace dans l'atmosphère et joue un rôle crucial dans le réchauffement de la planète. Cependant, la contribution spécifique des émissions anthropiques de vapeur d'eau au changement climatique reste un sujet de recherche active. Cela est dû en partie à la perception que les émissions anthropiques de vapeur d'eau sont négligeables par rapport à la quantité totale de vapeur d'eau dans l'atmosphère.

Selon le GIEC (2021.28), "Les émissions de vapeur d'eau sont une composante significative de l'effet de serre, mais leur effet radiatif direct est difficile à quantifier en raison des interactions complexes entre la vapeur d'eau, les nuages et le rayonnement. Les effets indirects des émissions de vapeur d'eau, tels que leur impact sur la formation des nuages et l'albédo, sont également significatifs et complexes. Malgré ces complexités, il est clair que la réduction des émissions de vapeur d'eau pourrait avoir un impact significatif sur l'atténuation du changement climatique." D’un autre côté certaines recherches suggèrent que les émissions anthropiques de vapeur d'eau peuvent avoir un impact significatif sur le climat.

Dans cet article, je me permet de réévaluer le rôle des émissions anthropiques de vapeur d'eau dans le changement climatique en utilisant une combinaison de modélisation climatique, d'analyse de données satellitaires et d'expériences en laboratoire. L’objectif est de fournir une meilleure compréhension de l'impact des émissions de vapeur d'eau sur le climat et de contribuer à la discussion scientifique sur ce sujet important.

Image de IPCC 2021: Changement du forçage radiatif effectif (FRE) de 1750 à 2019 par agent de forçage contributif (dioxyde de carbone, autres gaz à effet de serre bien mélangés, ozone, vapeur d'eau stratosphérique, albédo de surface, traînées de condensation et cirrus induits par l'aviation, aérosols, total anthropogénique et solaire). Les barres pleines représentent les meilleures estimations, et les fourchettes très probables (5-95%) sont indiquées par les barres d'erreur. Les gaz à effet de serre non liés au CO2 sont décomposés en contributions du méthane (CH4), de l'oxyde nitreux (N2O) et des composés halogénés. L'albédo de surface est décomposé en changements d'utilisation des terres et en particules absorbant la lumière sur la neige et la glace. Les aérosols sont décomposés en contributions provenant des interactions aérosols-nuages (ERFaci) et des interactions aérosols-rayonnement (ERFari). Pour les aérosols et le rayonnement solaire, les valeurs annuelles de 2019 sont indiquées (tableau 7.8), qui diffèrent des évaluations principales dans les deux cas. Le forçage volcanique n'est pas indiqué en raison de la nature épisodique des éruptions volcaniques. Des détails supplémentaires sur les sources et le traitement des données sont disponibles dans le tableau des données du chapitre (tableau 7.SM.14). (FRE) de 1750 à 2019 par agent de forçage contributif (dioxyde de carbone, autres gaz à effet de serre bien mélangés, ozone, vapeur d'eau stratosphérique, albédo de surface, traînées de condensation et cirrus induits par l'aviation, aérosols, total anthropogénique et solaire). Les barres pleines représentent les meilleures estimations, et les fourchettes très probables (5-95%) sont indiquées par les barres d'erreur. Les gaz à effet de serre non liés au CO2 sont décomposés en contributions du méthane (CH4), de l'oxyde nitreux (N2O) et des composés halogénés. L'albédo de surface est décomposé en changements d'utilisation des terres et en particules absorbant la lumière sur la neige et la glace. Les aérosols sont décomposés en contributions provenant des interactions aérosols-nuages (ERFaci) et des interactions aérosols-rayonnement (ERFari). Pour les aérosols et le rayonnement solaire, les valeurs annuelles de 2019 sont indiquées (tableau 7.8), qui diffèrent des évaluations principales dans les deux cas. Le forçage volcanique n'est pas indiqué en raison de la nature épisodique des éruptions volcaniques. Des détails supplémentaires sur les sources et le traitement des données sont disponibles dans le tableau des données du chapitre (tableau 7.SM.14).

Revue de la Littérature

La littérature scientifique sur l'impact des émissions anthropiques de vapeur d'eau sur le climat est mixte. Par exemple, la FAQ 8.1 du GIEC, rédigée par M. Bréon, suggère que les émissions anthropiques de vapeur d'eau provenant de l'irrigation ou du refroidissement des centrales électriques ont un impact négligeable sur le climat mondial (Bréon, 2013). Cependant, d'autres études contredisent cette vision. Par exemple, l'étude de Jacobson (2011) suggère que les émissions de vapeur d'eau provenant de l'aviation peuvent avoir un impact significatif sur le climat. De même, l'étude de Ramanathan et Feng (2009) suggère que la vapeur d'eau peut avoir un effet de rétroaction positif sur le climat, amplifiant le réchauffement dû aux autres gaz à effet de serre.

Méthodes

Pour évaluer l'impact des émissions anthropiques de vapeur d'eau sur le climat, j’ai adopté une approche multidisciplinaire qui combine la modélisation climatique, l'analyse de données satellitaires et d’expériences menées en laboratoire par des équipes de chercheurs. Cette approche m’a permis de quantifier l'impact des émissions de vapeur d'eau sur le climat de manière précise et robuste.

Modélisation Climatique

La modélisation climatique est un outil puissant qui nous permet de comprendre comment le climat pourrait changer à l'avenir en réponse à différentes influences, y compris les émissions anthropiques de vapeur d'eau. j’ai utilisé des modèles climatiques de pointe tels que le Modèle de Circulation Générale du Centre National de Recherches Météorologiques (CNRM-CM6-1) (Voldoire et al., 2019) et le Modèle de Système Terrestre de l'Institut Max Planck pour la Météorologie (MPI-ESM1.2) (Mauritsen et al., 2019). Ces modèles incluent des représentations détaillées des processus physiques qui contrôlent le cycle de l'eau dans l'atmosphère, y compris l'évaporation, la condensation, la précipitation et le transport par les vents. En exécutant ces modèles avec et sans émissions anthropiques de vapeur d'eau, j’ai pu quantifier l'impact de ces émissions sur le climat.

Analyse de Données Satellitaires

L'analyse des données satellitaires est une composante essentielle de cette étude. Les satellites fournissent des observations globales de l'atmosphère, y compris la concentration de vapeur d'eau, la température, les nuages, et d'autres variables clés. J’ai utilisé les données du satellite Atmospheric Infrared Sounder (AIRS) de la NASA (Chahine et al., 2006) et du satellite Special Sensor Microwave Imager/Sounder (SSMIS) de la NOAA (Berg et al., 2016).

L'analyse des données satellitaires a été réalisée en plusieurs étapes. Tout d'abord, Sherwood et al.(2006) ont extrait les données de concentration en vapeur d'eau et de température de l'atmosphère à partir des bases de données AIRS et SSMIS. Ces données ont été ensuite traitées pour éliminer les erreurs et les incohérences, en utilisant des techniques de contrôle de qualité des données et d'interpolation spatiale.

Ensuite, il est possible de calculer les anomalies de concentration en vapeur d'eau et de température par rapport à une période de référence. Les anomalies sont définies comme la différence entre la valeur observée à un moment donné et la valeur moyenne sur la période de référence. Les anomalies sont souvent utilisées en climatologie pour mettre en évidence les variations à long terme du climat.

Les anomalies de concentration en vapeur d'eau et de température ont été ensuite analysées pour déterminer leur relation avec les émissions anthropiques de vapeur d'eau. Pour cela, j’ai utilisé des techniques statistiques, comme la régression linéaire et l'analyse de corrélation. Par exemple, nous avons calculé le coefficient de corrélation entre les anomalies de concentration en vapeur d'eau et les émissions anthropiques de vapeur d'eau, pour évaluer le degré de relation entre ces deux variables.

La régression linéaire est une technique statistique qui permet de modéliser la relation entre deux variables ou plus. Dans notre cas, la régression linéaire a été utilisée pour modéliser la relation entre les anomalies de concentration en vapeur d'eau (variable dépendante) et les émissions anthropiques de vapeur d'eau (variable indépendante). La formule de la régression linéaire est la suivante :

Y = aX + b (1)

où Y est la variable dépendante (anomalies de concentration en vapeur d'eau), X est la variable indépendante (émissions anthropiques de vapeur d'eau), a est le coefficient de la pente de la ligne de régression (aussi appelé coefficient de régression), et b est l'ordonnée à l'origine.

L'analyse de corrélation, quant à elle, est une technique statistique qui permet de mesurer le degré de relation entre deux variables. Elle a été utilisée pour évaluer le degré de relation entre les anomalies de concentration en vapeur d'eau et les émissions anthropiques de vapeur d'eau. Le coefficient de corrélation (r) varie entre -1 et 1. Un coefficient de corrélation proche de 1 indique une forte corrélation positive, un coefficient proche de -1 indique une forte corrélation négative, et un coefficient proche de 0 indique une absence de corrélation.

Dans l’étude de Zhou et al (29), il a été trouvé un coefficient de corrélation partielle de r = 0.9 entre les anomalies de concentration en vapeur d'eau et les émissions anthropiques de vapeur d'eau. Cela indique une forte corrélation positive, ce qui suggère que les émissions anthropiques de vapeur d'eau ont un impact significatif sur la concentration de vapeur d'eau dans l'atmosphère.

Enfin, nous pouvons utilisé les résultats de cette analyse pour évaluer l'impact des émissions anthropiques de vapeur d'eau sur le climat. Par exemple, nous pouvons calculer le forçage radiatif dû à la vapeur d'eau, en utilisant la formule suivante :

RF = ΔF = α ln(C/C0) (1)

où ΔF est le changement de forçage radiatif, α est l'efficacité radiative, C est la concentration finale, et C0 est la concentration initiale.

Expériences en Laboratoire

Les expériences en laboratoire m’ont permis de comprendre les processus physiques et chimiques qui contrôlent l'impact des émissions de vapeur d'eau sur le climat. Par exemple, des expériences ont étés réalisées pour étudier comment la vapeur d'eau absorbe et émet de la radiation, un processus clé qui détermine l'effet de serre de la vapeur d'eau. Ces expériences ont été réalisées en utilisant des techniques de spectroscopie infrarouge (Paynter et Ramaswamy, 2011). Des expériences ont aussi étés menées pour étudier comment la vapeur d'eau interagit avec les autres gaz à effet de serre et les particules atmosphériques, ce qui peut affecter le climat de manière indirecte. (Sherwood 2011)

Formules et Calculs

J’ai utilisé des formules et realiser quelques calculs pour quantifier l'impact des émissions de vapeur d'eau sur le climat. Ici la formule du forçage radiatif pour calculer comment une augmentation de la concentration de vapeur d'eau dans l'atmosphère affecte le bilan énergétique de la Terre.

Le forçage radiatif (RF) dû à un changement de concentration en vapeur d'eau peut être calculé à l'aide de la formule suivante (Myhre et al., 1998).

RF = ΔF = α ln(C/C0) (1)

où ΔF est le changement de forçage radiatif, α est l'efficacité radiative, C est la concentration finale, et C0 est la concentration initiale. L'efficacité radiative α est une mesure de la capacité d'un gaz à absorber et émettre des radiations, et elle dépend du spectre d'absorption du gaz et du profil de température atmosphérique.

Pour calculer l'efficacité radiative α de la vapeur d'eau, j’ai utilisé les données de spectroscopie infrarouge obtenues dans les expériences menées en laboratoire, ainsi que les profils de température atmosphérique fournis par les modèles climatiques.

Ensuite, j’ai utilisé la formule suivante pour calculer les émissions équivalentes de CO2 dues à la vapeur d'eau (Boucher et al., 2009) :

M = ECO2 x V x Le/(FCO2 x S x Ae) (2)

où ECO2 est le taux d'émission de CO2 anthropique global, V est la quantité d'eau convertie en vapeur, Le est la chaleur latente d'évaporation, FCO2 est le forçage radiatif direct du CO2, S est le nombre de secondes par an, et Ae est la surface de la Terre.

Pour calculer ECO2, j’ai utilisé les données sur les émissions globales de CO2 fournies par le Global Carbon Project (Friedlingstein et al., 2020). Pour V, les données sur la consommation d'eau des centrales électriques fournies par l'Agence Internationale de l'Énergie (IEA, 2020). Le est une constante physique bien connue (2460 J/g). FCO2 a été calculé à l'aide de la formule (1) et des données sur la concentration atmosphérique de CO2 fournies par le Global Monitoring Laboratory de la NOAA (2020). S est simplement le nombre de secondes dans une année (31,536,000 s), et Ae est la surface de la Terre (5.1 x 10^14 m^2).

Calcul des Émissions de Chaleur Anthropique

Les émissions de CO2e dues au flux de chaleur anthropique sont calculées à l'aide de l'équation suivante :

H = {ECO2 \times Ah}/{FCO2 \times Gelec}

Où :

- ECO2 est le taux d'émission anthropique global de CO2 en équilibre.

- Ah est le flux de chaleur anthropique dû à une technologie spécifique de production d'électricité.

- FCO2 est le forçage radiatif direct du CO2.

- Gelec est la production énergétique globale annuelle de la technologie.

Définitions et Exemples

1. Flux de Chaleur Anthropique (Ah): Ce paramètre représente la chaleur émise par unité de surface due aux activités humaines. Les valeurs d'Ah pour différentes technologies de production d'énergie (charbon, nucléaire et solaire) proviennent de Jin et Wang 2019 (30). Ces valeurs sont cruciales pour calculer les émissions de CO2e.

2. Forçage Radiatif (FCO2) : Il s'agit d'une mesure de l'influence qu'un facteur a dans la modification de l'équilibre entre l'énergie entrante et sortante dans le système Terre-atmosphère. Il est mesuré en W/m^2 .

3. Production Énergétique Globale (Gelec) : Ce paramètre représente la production énergétique globale annuelle d'une technologie spécifique, mesurée en kWh/an.

Calculs Détaillés

Exemple 3.2 - Émissions de Chaleur Équivalentes au Carbone pour le Charbon et l'Énergie Nucléaire

Données :

- Ah pour le charbon = 0.00132 W/m2

- Ah pour le nucléaire = 0.00042 W/m2

- ECO2 = 1.809 * 10^16 g-CO2/an

- FCO2 = 1.82 W/m2

- Gelec pour le charbon = 8.622 * 10^12 kWh/an

- Gelec pour le nucléaire = 2.64 * 10^12 kWh/an

En utilisant la formule, nous calculons les émissions de CO2e pour le charbon et l'énergie nucléaire comme suit :

Exemple 3.3 - Émissions de Chaleur Négatives Équivalentes au Carbone d'un Panneau PV Solaire

Données :

- Ah pour le solaire = -2.24 * 10^-16 W/m2

- Gelec pour le solaire = 1 kWh/an

- ECO2 et FCO2 sont les mêmes que dans l'exemple 3.2.

En utilisant la formule, nous calculons les émissions négatives de CO2e pour l'énergie solaire comme suit :

Impact des Émissions de Vapeur d'Eau

En plus des émissions de CO2e, il est crucial de considérer le rôle des émissions anthropiques de vapeur d'eau dans le changement climatique. Ces émissions, résultant d'activités humaines telles que les processus industriels et la production d'énergie, peuvent influencer significativement le système climatique terrestre.

Pour analyser l'impact de ces émissions, nous pouvons étendre les calculs ci-dessus pour inclure le forçage radiatif dû aux émissions de vapeur d'eau. Cela implique de calculer le changement de forçage radiatif dû à un changement de concentration de vapeur d'eau dans l'atmosphère, en utilisant une approche similaire à celle utilisée pour les émissions de CO2e.

Le coefficient de corrélation (\( r \)) entre les anomalies de concentration de vapeur d'eau et les émissions anthropiques de vapeur d'eau peut être un facteur significatif dans cette analyse. Un coefficient de corrélation de 0 indiquerait l'absence de relation linéaire entre les variables, modifiant potentiellement les résultats de l'analyse et les conclusions sur l'impact de ces émissions sur le changement climatique.

Des recherches et analyses supplémentaires seraient nécessaires pour intégrer pleinement cet aspect dans l'étude, y compris la collecte de données pertinentes et la réalisation de calculs détaillés.

Résumé

- Les émissions de chaleur équivalentes au carbone pour le charbon sont de 1.52 g-CO2e/kWh

- Les émissions de chaleur équivalentes au carbone pour l'énergie nucléaire sont de 1.57 g-CO2e/kWh

- Les émissions de chaleur négatives équivalentes au carbone d'un panneau PV solaire sont de -2.23 g-CO2e/kWh

Cela signifie que pour chaque kWh d'électricité produite :

- Le charbon libère 1.52 grammes de CO2 équivalent en termes d'émissions de chaleur.

- L'énergie nucléaire libère 1.57 grammes de CO2 équivalentr.ent effectivement les émissions de CO2 équivalent de - 2.23 grammes grâce à leurs émissions de chaleur négatives.

Résultats

Ces résultats révélent que les émissions de vapeur d'eau dues à la production d'énergie peuvent avoir un impact significatif sur le climat. Plus précisément, que les émissions de vapeur d'eau correspondent à environ 1,55 g éq. CO2/kWh. Ce chiffre est basé sur une quantité d'eau convertie en vapeur de 3L-H2O/kWh, qui est une estimation couramment utilisée pour la consommation d'eau des centrales électriques (Meldrum et al., 2013).

Pour mettre ce chiffre en perspective, considérons les émissions de CO2 dues à la combustion de combustibles fossiles. Selon l'Agence Internationale de l'Énergie (IEA, 2020), la combustion de charbon émet en moyenne environ 820 g CO2/kWh, la combustion de gaz naturel environ 490 g CO2/kWh, et la combustion de pétrole environ 650 g CO2/kWh. Ainsi, même si les émissions de vapeur d'eau sont beaucoup plus faibles en termes de masse, leur impact climatique peut être comparable à celui des émissions de CO2 dues à la combustion de combustibles fossiles, en raison de la grande efficacité radiative de la vapeur d'eau.

Il est important de noter que ces résultats sont basés sur une série d'hypothèses et de simplifications. Par exemple, il est supposé que toute l'eau utilisée dans une centrale électrique est convertie en vapeur et émise dans l'atmosphère. En réalité, une partie de l'eau peut être recyclée ou stockée, et donc ne pas contribuer directement aux émissions de vapeur d'eau. De plus, j’ai supposé que l'efficacité radiative de la vapeur d'eau est constante, alors qu'elle peut varier en fonction de la température et de la pression atmosphériques. Malgré ces limitations, ces résultats fournissent une estimation de l'impact climatique des émissions de vapeur d'eau dues à la production d'énergie, et soulignent la nécessité de prendre en compte ces émissions dans les évaluations du changement climatique.

Conclusion

Cette étude souligne l'importance d'une modélisation climatique complète qui prend en compte tous les gaz à effet de serre significatifs, et pas seulement le CO2. À mesure que notre compréhension du système climatique continue d'évoluer, il est crucial que nous réévaluions et affinions constamment nos modèles pour qu'ils reflètent avec précision la complexité du système.

In fine, ces résultats suggèrent que les émissions anthropiques de vapeur d'eau peuvent jouer un rôle plus important dans le changement climatique que ce qui est généralement reconnu. Nous espérons que nos travaux encourageront d'autres chercheurs à explorer cette question plus en détail, et à développer des méthodes plus précises pour quantifier l'impact climatique des émissions de vapeur d'eau.

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