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6 octobre 2008 1 06 /10 /octobre /2008 11:36

Oui, vous avez bien lu - « forcage » de la vapeur d'eau... Et non feedback – pas d'erreur, ni de lapsus... Je m'explique.

Une des objections les plus communes des sceptiques par rapport à l'origine anthropique du changement climatique est que le CO2 ne représente qu'une infime partie de l'atmosphère (0, 0384%), et que le premier gaz à effet de serre, est, de loin, la vapeur d'eau (0,3% du volume, pour un peu moins de 2/3 de l'effet de serre naturel, ou ¾ en comptant les nuages). Par conséquent, l'augmentation du CO2 atmosphérique d'origine anthropique ne « peut pas » (c'est vos tripes qui le disent...) avoir l'effet qu'on lui prête sur les températures, et ce qui compte, c'est la vapeur d'eau...

Bon – la réponse à cette objection est bien entendu que la vapeur d'eau intervient comme une rétroaction et non un forcage. C'est-à-dire que l'homme n'influe pas, significativement, de manière directe sur la quantité de vapeur d'eau présente dans l'atmosphère (au contraire, par exemple, de ce qui se passe pour le CO2 ou du CH4) - notamment parce que le temps de résidence moyen de l'eau dans la troposphère est très court – une dizaine de jours – et qu'il faudrait donc des flux entrants très importants et continus pour générer un différence de vapeur d'eau dans la troposphère. En revanche, le réchauffement dû à l'effet de serre additionnel anthropique, lui, permet de manière indirecte à la quantité de vapeur d'eau atmosphérique d'augmenter: grosso modo, une atmosphère plus chaude peut contenir davantage de vapeur d'eau , qui en tant que gaz à effet de serre va encore réchauffer l'atmosphère, qui pourra contenir encore un peu plus de vapeur d'eau -etc... c 'est la rétroaction (ou feedback) vapeur d'eau.

De façon générale, l'idée est donc que l'homme ne pertube pas le cycle de l'eau directement (forcage), mais que le réchauffement qu'il génère, lui, aura des répercussions sur ce cycle, répercussions qui pouront rétroagir à leur tour sur le réchauffement... La difficulté à prévoir de façon quantitativement précise cette réponse du cycle de l'eau au réchauffement - et notamment l'amplitude de ce feedback vapeur d'eau - conjuguée à l'importance de ce cycle pour l'effet de serre, explique une bonne partie de la dispersion des projections climatiques.

Pour autant, il y a quelque chose de bon à prendre dans cette objection de « la vapeur d'eau est le premier gaz à effet de serre »: lorsqu'on regarde autour de soi, on constate quand même que l'homme, à travers ses cheminées de centrales thermiques, la combustion d'hydrocarbures et de biomasse, et plus sérieusement ses modifications de l'évaporation par irrigation ou modification du couvert végétal, injecte une quantité certaine de vapeur d'eau dans l'amtosphère de façon permanente. On peut donc être fondé à se demander si cela ne finit pas par avoir un impact perceptible sur la teneur en vapeur d'eau de l'atmosphère, et le climat global.

A cet égard, la question qui émerge en premier lieu est celle de l'impact de l'irrigation: en effet, c'est un flux qui atteint aujourd'hui des proportions assez significatives, quantitativement parlant: certes, seuls 18% des terrres cultivées sont irriguées (soit ~2% des surfaces continentales – au passage, ces 18% génèrent 40% de la production agricole...) – mais l'irrigation représente environ 70% de la consommation humaine globale d'eau douce. Ce qui correspond à environ 2600 km3/an – ou encore, pour être plus parlant, environ 2% des précipitations annuelles continentales... une quantité qui a augmenté de 75% depuis 1960 et de quadruplé depuis 1900. Aujourd'hui, 70% de cette irriation a lieu en Asie.

Est-il possible que cette perturbation anthropique du cycle de l'eau ait un effet, à l'échelle globale, sur la vapeur d'eau et le climat global ?

La où les choses se compliquent un peu, c'est que on peut s'attendre à plus d'un effet de l'irrigation sur le climat. Evidemment, davantage de vapeur d'eau atmosphérique peut engendrer un renforcement de l'effet de serre (et donc un réchauffement); cependant, localement l'évaporation de l'eau permet un refroidissement (chose qu'on expérimente tous physiquement en sortant de la douche...) – et cette eau, évaporée en surface, va finalement se recondenser ailleurs dans l'atmosphère - peut-être dans une région différente – et donc, ce faisant, libérer de la chaleur latente: ainsi les profil de T°, d'humidité sont modifiés, modifications qui peuvent à leur tour avoir un effet sur la convection, la formation des nuages, les précipitations, etc... Le solde global de tout ca n'est donc pas nécessairement trivial.

A l'échelle locale, en tout cas, l'effet de l'irrigation est bien connu depuis longtemps: l'irrigation permet principalement un refroidissement, et notamment atténue les plus fortes températures. Récemment encore, Bonfils et Lobell (2007) montrait que les vallées de Californie soumises à une irrigation importante voyaient leurs températures estivales maximales réduites de 2-3°C par rapport aux vallées voisines non-irriguées. De nombreuses études à l'echelle régionale, issues de modèles ou d'observations, ont aussi montré des effets sur l'humidité, la convection et la nébulosité, voire les précipitations.

Néanmoins, à l'échelle globale, très peu d'études ont eu lieu. En 2006, Lobell et al montrait, à l'aide du modèle du NCAR, que l'irrigation pouvait provoquer un refroidissement global de la surface de -1.3°C, avec des pointes localement à -8°C – néanmoins, leur modélisation de l'irrigation consistait à garder artificiellement, dans le modèle, le sol des régions cultivées à saturation – sans se préoccuper de la quantité d'eau nécéssaire pour cela. Evidemment, cela amène à des chiffres très légèrement irréalistes: environ 100 fois l'irrigation actuelle...

La seule étude de référence « réaliste » était donc, jusqu'à très récemment, celle de Boucher et al (2004). Utilisant le modèle de l'IPSL dans lequel ils « forcent » les flux évaporatifs supplémentaires réels dûs à l'irrigation (qui représentent 0.18% de l'évaporation « normale » du modèle), ils montrent que l'irrigation augmente de 0.14% la quantité moyenne de vapeur d'eau dans la colonne amosphérique – mais bien davantage près de la surface qu'en altitude – provoquant au final un forcage radiatif global de ... +0.03 W/m2. En termes de températures, ils obtiennent des refroidissements jusqu'à -0.8°C localement, sur les régions les plus irriguées (Asie du Sud-est) – mais seulement de -0.05°C à l'échelle globale. Bref - autant dire pas grand chose...

  Changement de T° annuelle (en °C) dû à l'irrigation dans Boucher et al.

Néanmoins les lecteurs attentifs auront remarqué que, bien que de faible valeur, le forcage radiatif et le changement de température sont ici de signes opposés: cela signifie ici que les effets non-radiatifs (le refroidissement) l'emportent sur les effets radiatifs (l'effet de serre additionnel), et donc – Boucher et al évidemment le mettent en avant dans leur papier – cela met encore une fois en question le fait de comparer l'importance des forcages climatiques en termes de forcage radiatifs (W/m2). Même si O.Boucher travaille essentiellement, je crois, sur les aérosols, il rejoint ici une remise en question qui émane souvent de la communauté land-use, Roger Pielke en tête, puisque les effets non-radiatifs interviennent de façon prépondérante dans ce domaine – revoir par exemple ce papier de Davin et al que je commentais ici il y a quelque temps, où le forcage radiatif de la déforestation amazonienne, négatif (l'albédo augmentant) corespondait "paradoxalement" à une augmentation de température, du fait d'une moindre évaporation...


Enfin récemment (été 2008) sortait un papier de Sacks et al, qui utilisent à nouveau le modèle du NCAR, cette fois-ci avec des valeurs d'irrigation plus réalistes, pour étudier l'impact global de l'irigation sur le climat.

Le résultat général est plus ou moins le même: l'irrigation affecte significativement le climat de certaines régions – par exemple un refroidissement de -0.5°C sur l'Asie du Sud-est – mais a un effet négligeable sur la température du globe dans son ensemble. L'humidité spécifique augmentent (sur les terres) de 0.8%, et les précipitations de 4.3mm/an (soit ¼ de la valeur appliquée en irrigation, ce qui fait un « retour sur investissement » intéressant..). En revanche ils ne reportent pas de valeur de forcage radiatif, donc on ne peut comparer avec Boucher et al sur cet aspect là. Néanmoins, il n'est pas dit que cette valeur serait positive (du fait d'une augmentation de la vapeur d'eau atmosphérique, donc), car Sacks et al indique que le refroidissement, dans leur expérience, est en fait davantage dû à un accroissement de la nébulosité (donc une diminution du rayonnement incident) qu'à l'évaporation elle-même – un point (la nébulosité) qui n'est pas abordé dans Boucher et al., où ils ne mentionnent pas d'augmentation de la nébulosité. Il est donc bien possible que dans les simuls du NCAR le forcage radiatif résultant de l'irrigation soit négatif ?

 

Changement de T° annuelle (a) (en °C) dû à l'irrigation dans Sack et al. (b DJF, c MAM, d JJA, e SON.)

 

Bref – le tableau qui ressort en tout cas de ces études, malgré bien sûr toutes leurs limites, est donc celui d'une irrigation ayant des impacts régionaux significatifs, mais peu d'effet global - ou en tout cas pas dans le sens d'un effet de serre additionnel dû à davantage de vapeur d'eau. Pour en revenir au titre de ce post, le « forcage » de la vapeur d'eau semble donc pouvoir, au permier ordre, très raisonnablement être négligé... Sacks et al notent toutefois qu'à l'échelle régionale, les impacts du « land management » (par exemple, donc, le fait d'irriguer ou non) peuvent être aussi importants, en terms de températures, que ceux du « land-use » (par exemple, le fait de remplacer des forêts par des cultures). Une façon, peut-être de légitimier l'étude du land-management comme facteur climatique...

La question qui se pose finalement aussi est celle de l'avenir du développement de l'irrigation, entre nécessité d'augmenter la production agricole et celle de mieux gérer les réserves en eau (il serait intéressant d'avoir par exemple un pourcentage de la part d'irrigation provenant d'aquifères fossiles sur-exploitées). A ce titre, Bonfils et Lobell indiquent par exemple qu'en Californie, l'arrêt du l'expansion de l'irrigation pourrait prochainement « dé-masquer » (i-e, cesser de cacher partiellement) l'effet du réchauffement climatique...


 

Sources:
- Bonfils et Lobell, PNAS (2007) "Empirical evidence for a recent slowdown in irrigation-induced cooling"
- Boucher et al. Climate Dynamics (2004) "Direct human influence of irrigation on atmospheric water vapour and climate"
- Sacks et al, Climate Dynamics (2008) "Effects of global irrigation on the near-surface climate"

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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Agrandir 22/02/2014 11:57

Excellente recherche

vincent fleury 27/11/2008 02:00

Bonjour
si je comprends bien, l'effet local des variations de caluer latente de vaporisation est mesurable, même si l'effet global est sans doute nul
ça m'amène à oser la question sivante : on parle beaucou de réchauffement par gaz à effet de serre, on parle moins des joules injectés directement dans l'atmosphère par l'activité humaine est-ce que c'est négligeable?

vf

ICE 27/11/2008 14:12



Bonjour,


euh, je n'avais jamais envisagé la question, ou fait le calcul de coin de table pour vérifier, mais à vue de nez, oui, l'énergie
dégagée "directement par l'homme" (sous forme de chaleur) doit être plusieur ordres de grandeurs en-dessous de celle recue du Soleil (et donc de celles mises en jeu dans le système
climatique), et donc sur le plan global certainement totalement négligeable. Mais désolé je n'ai pas de chiffres. Apres, peut-être que localement (grandes agglomérations) ca peut avoir un
role - encore que j'y accorderais a priori bien plus d'importance au flux de chaleur sensible (lié à la bétonisation - l'inverse de l'irrigation en qq sortes) qu' à la chaleur
directe.



valikor 13/10/2008 11:47

Certes mais:
- le changement que cela amène est faible qd on considère l'étendue d'eau sur la terre et notamment la surface chaude des océans près des tropiques. quand je dis global, je pense toute la terre.
- l'eau qui ne s'est pas condensée est alors restée quelque part : ds l'atmosphère ou elle joue le rôle de gaz a effet de serre;

ICE 13/10/2008 16:41


bon, l'irrigation (plutot l'évaporation due à l'irrigation) reste certes un flux faible par rapport au cycle de l'eau dans son ensemble (et certainement vis-a-vis de l'évaporation oceanique
tropicale), personne ne dit le contraire !- mais c'est qd meme un flux supplémentaire significatif, notamment au-dessus des continents (comme je disais, ds le modele du ncar, c'est pour eux 2% des
precip continentales...)  - d'autre part, étant donné la rapidité de la partie atmosphérique du cycle de l'eau, on peut s'attendre à des effets locaux  - enfin ces effets, comme je
disais, sont multiples et qualitativement opposés... - donc vu tout ca, dans le doute, certes on imagine bien qu'on ne va pas avoir un effet boeuf sur le modèle, mais ca vaut le coup d'investiger
la question, modele à l'appui, afin de faire un peu le solde des différent processus et d'avoir uné réponse un peu quantifiée à la question de l'impact de l'irrigation...
oui, l'eau restant dans l'atmosphère joue alors un role de GES addtiionnel - mais faible - cf. Boucher - ce qui était attendu mais qu'il est toujours bon de revérifier ! ( et qui plus est cet effet
radiatif est dominé par l'effet chaleur latente (refroidissement))


sfo 10/10/2008 11:56

merci pour cet excellent post, que tous les thuriféraires d'un célèbre géochimiste devraient lire... ;-)

ICE 10/10/2008 20:15


@2
merci - et ce serait bon pour ma fréquentation...
@1
oui mais ce que vous dites dépend de l'échelle considérée - si vous évaporez un verre d'eau, ca ne changera rien. Si vous évaporez en continu, comme dans l'article de lobell que je mentionnais
ci-dessus, 100*2000 km3 (en ordre de grandeur) vous avez bien un rrefroidisssemt global de 1et qq K... toute l'eau ne se recondense pas nécessairement...



valikor 06/10/2008 16:35

C'est un peu normal qu'au niveau global cela ait peu d'impact ce me semble : si elle s'évapore quelque part, elle se condense ailleurs... l'enthalpie nécessaire à son évaporation est donc restituée à l'environnement...

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