CO2 : nourriture des plantes ou poison du climat ?

Revenons aujourd’hui sur le sujet le plus abordé lorsque l’on parle du changement climatique : le CO₂.

La concentration de CO₂ dans l’atmosphère a augmenté de plus de 40% depuis les débuts de la période industrielle. Cette augmentation a fortement influencé le climat de notre planète, et il faut remonter jusqu’à trois millions d’années dans le passé pour trouver des niveaux de concentration de CO₂ atmosphérique similaires à ceux d’aujourd’hui.

Compte tenu de l’urgence climatique et en partenariat avec l’Institut National des Sciences de l’Univers, nous voulons démystifier ces idées reçues et rendre accessibles les connaissances scientifiques sur le climat au plus grand nombre. Afin de répondre aux différentes questions sur le CO₂, nous avons reçu l’aide de Laurent Bopp, et Philippe Peylin, chercheurs CNRS respectivement au Laboratoire de météorologie dynamique (LMD) et au Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement (LSCE).

Comment savons nous que la concentration de CO2 augmente ?

Depuis les années 60, un réseau de plus en plus dense de stations permet de mesurer l’évolution de la concentration atmosphérique de CO₂ en différents points reculés du globe avec une grande précision.

Pour remonter aux concentrations de CO₂ avant cette date, on analyse les bulles d’air piégées dans les glaces des calottes glaciaires et des glaciers. Elles permettent de reconstituer l’évolution du CO₂ dans l’atmosphère au cours du dernier million d’années. Pour remonter encore plus loin dans le passé, on peut utiliser d’autres techniques comme l’analyse des isotopes du carbone dans les paléosols, ou les isotopes du bore dans les sédiments marins.

Le CO₂ n’a-t-il vraiment pas tant augmenté que cela ?

Les données montrent que le CO₂ dans l’atmosphère a augmenté de 280 ppm* (parties par million en volume) en 1850 à plus de 400 ppm aujourd’hui. Techniquement, cela veut dire qu’actuellement le CO₂ représente une fraction du volume atmosphérique équivalent à 0, 04 %. Cela peut sembler insignifiant mais la croissance observée représente une augmentation relative de 42% en 170 ans ! Nous reviendrons plus bas sur les conséquences.

Avant 1850, la variation du CO₂ n’avait été que de quelques dizaines de ppm sur les derniers milliers d’années. Même sur des échelles de temps de plusieurs centaines de milliers d’années dans le passé, les concentrations de CO2 oscillent entre 180 et 280 ppm, soit des variations de l’ordre de 100 ppm.

Surtout, l’accroissement récent du CO₂ atmosphérique est de plus en plus rapide puisqu’il est de près de 2 ppm par an sur la dernière décennie alors qu’il n’était que de 0.5 ppm par an il y a 50 ans.

Il faut noter toutefois que la Terre a déjà connu des périodes où le CO₂ atmosphérique était très élevé, sans doute plusieurs milliers de ppm, comme pendant l’ère secondaire. Les facteurs étaient à l’époque des facteurs naturels, qu’on ne peut incriminer aujourd’hui. (Voir l’article Le climat a-t-il vraiment toujours changé ?)

Les humains sont-ils responsables de l’augmentation de CO₂ ?

Depuis le début de la révolution industrielle, les humains libèrent massivement du CO₂ en brûlant des ressources énergétiques fossiles (pétrole, charbon et gaz naturel). Le changement d’utilisation des sols (en particulier via la déforestation et les feux de forêt) représente une autre source de CO₂ pour l’atmosphère (environ 15% des émissions anthropiques totales au cours des 10 dernières années). Ces émissions anthropiques, qui ont dépassé les 40 milliards de tonnes de CO₂ par an ces dernières années, expliquent l’augmentation du CO2 observée.

Il faut noter cependant que la concentration de CO₂ dans l’atmosphère est aussi influencée par des processus naturels. Les océans et la biosphère continentale, par exemple, échangent chaque année des quantités très importantes de CO₂ avec l’atmosphère. Ainsi sur les 40 milliards de tonnes de CO2 émis chaque année, seulement environ la moitié s’accumule dans l’atmosphère, l’autre moitié étant réabsorbée dans des proportions similaires par les océans et la biosphère continentale.

Les éruptions volcaniques peuvent également émettre de grandes quantités de CO₂ . Actuellement, il a été évalué que la totalité des 1 500 volcans terrestres inventoriés, ajoutés à ceux sous les océans représentent au maximum 360 millions de tonnes de CO₂ rejetées chaque année dans l’atmosphère (en ordre de grandeur, c’est beaucoup plus faible que les émissions anthropiques décrites ci-dessus).

Enfin, la stabilité du CO₂ atmosphérique avant la perturbation anthropique démontre que ces flux naturels étaient plus ou moins à l’équilibre à cette époque, les sources naturelles étant compensées par des puits naturels.

“Le CO₂ augmente, et alors ? A chaque fois qu’on respire, on en rejette aussi !“

On entend souvent ces arguments de la part des climato-dénialistes :”Le CO₂ augmente, et alors ? A chaque fois qu’on respire, on en rejette aussi !“. Oui, certes. Mais le CO₂ que vous expirez était dans l’atmosphère il n’y a pas longtemps. Il a été capté par la végétation et a fait partie de votre alimentation (directement, si vous mangez des fruits ou des légumes, indirectement si vous mangez des animaux).

A l’inverse, le CO₂ que vous ajoutez à l’atmosphère en conduisant votre voiture, en vous chauffant ou en prenant l’avion, était dans le sous-sol, dans des réservoirs géologiques (charbon, pétrole, gaz) qui se sont formés sur de très grandes échelles de temps (millions d’années).

Expirer ne participe pas à l’augmentation durable de la concentration de CO2 atmosphérique, vous remettez dans l’atmosphère du carbone qui vient d’être assimilé par les végétaux (cycle « rapide » du carbone).

A l’inverse, bruler des combustibles fossiles ré-injecte dans ce cycle du carbone qui avait été stocké dans le sous-sol, grâce à des processus très lents (accumulation et sédimentation de débris végétaux). Réinjecter dans ce cycle « rapide » du carbone, qui en avait été soustrait depuis des millions d’années, perturbe donc notre climat.

“Le CO2, ce n’est pas mauvais !“

A petite dose, c’est très bien ! C’est en partie d’ailleurs grâce au CO₂ que la Terre n’est pas une planète complétement gelée.

Mais l’augmentation du CO₂ n’est pas sans poser de problèmes aux sociétés humaines.

Si une stabilité à long terme du CO2 atmosphérique a été observée, on sait cependant qu’elle a été ponctuée de grandes perturbations, au moins cinq fois au cours des 500 derniers millions d’années. Au cours de ces événements, d’énormes volumes de carbone ont été dégazés, entraînant un réchauffement de l’atmosphère, une acidification des océans et des extinctions massives.

En quoi le CO₂ influence-t-il le climat ?

Le climat de la Terre résulte d’un équilibre entre l’énergie solaire absorbée et l’énergie ré-émise par la Terre vers l’espace. Tout élément qui perturbe cet équilibre affecte la température de la planète : c’est ce qu’on appelle un facteur de forçage radiatif. C’est le cas de l’excédent de gaz à effet de serre (dont le CO₂) qui entraîne donc un surplus d’énergie. La planète ne peut l’évacuer qu’en modifiant sa température d’équilibre. (voir l’article Le climat a-t-il vraiment toujours changé ?)

Les archives glaciaires collectées à la station Dome C en Antarctique montrent une corrélation très forte entre la température et la concentration en CO₂ .

En parallèle, les projections climatiques réalisées avec des modèles de climat ont permis de mettre en évidence la corrélation très étroite entre les émissions anthropiques de CO₂ dans l’atmosphère et les anomalies de température.

Que deviennent les émissions de CO2 ?

Une fois émis, le CO₂ est aujourd’hui absorbé, environ pour moitié, par les puits de carbone naturels que sont la végétation, les sols et les océans.  L’autre moitié des émissions s’accumule dans l’atmosphère.

Comment l’océan absorbe le CO₂ ?

Dans l’océan, ce sont des processus physico-chimiques qui expliquent l’existence du puits de carbone océanique. Différents constats font craindre cependant une dégradation de la capacité d’absorption de ces puits de carbone. Le changement climatique lui-même pourrait affecter les puits de carbone et diminuer cette capacité. C’est ce qu’on appelle une rétroaction positive, qui entraîne une amplification du changement climatique.

En trop grande quantité, le CO₂ absorbé par l’océan modifie l’équilibre chimique de l’eau de mer en rendant son pH moins basique. C’est le phénomène l’acidification des océans. L’augmentation avérée de 30 % de l’acidité des océans a des impacts dévastateurs sur la construction et la conservation des coquillages et des squelettes de micro-organismes. Or ceux-ci sont à la base de la chaîne alimentaire de centaines d’espèces.

Comment la végétation absorbe le CO₂ ?

Sur les continents, le CO₂ stimule la croissance des végétaux en fertilisant les écosystèmes (accroissement de la photosynthèse). En 1997, une étude révélait que les températures plus élevées dans les hautes latitudes septentrionales de 1981 à 1991 ont favorisé l’augmentation de la croissance des plantes pendant l’été et/ou de leur respiration pendant l’hiver, d’une manière qui suggère une augmentation de la croissance végétale associée à un allongement de la saison de croissance active.

Données satellitaires et enregistrement du CO₂ indiquaient que le cycle mondial du carbone avait réagi aux fluctuations interannuelles de la température de l’air en surface qui sont très importantes au niveau régional. C’est ce qu’on a appelé le verdissement. C’est une bonne nouvelle dont se sont emparés les climato-dénialistes pour clamer haut et fort qu’on avait tort de s’alarmer sur le changement climatique … mais nous allons voir que ce n’est pas si simple.

Est-ce que le verdissement est une bonne nouvelle ?

Des données satellitaires (2000-2017) ont révélé qu’un tiers des terres végétalisées de la planète sont actuellement en train de verdir, c’est-à-dire de devenir plus productives. Un verdissement qui reflète l’utilisation intensive des terres pour les cultures et les fourrages sur tous les continents, mais surtout dans les deux pays les plus peuplés, la Chine et l’Inde.

• La Chine représente à elle seule 25 % de l’augmentation nette mondiale de la surface foliaire (la mesure du verdissement, qui représente une valeur de surface de feuille – en m²–  par m² de surface de terrain), pour seulement 6,6 % de la surface végétalisée mondiale. Elle élabore en effet des programmes ambitieux de conservation et d’expansion des forêts dans le but d’atténuer la dégradation des sols, la pollution atmosphérique et le changement climatique.
• L’Inde augmente essentiellement ses surfaces cultivées.

Dans les deux pays, la production alimentaire a augmenté de plus de 35 % depuis 2000, principalement en raison d’une augmentation de la superficie récoltée.

Or l’utilisation d’engrais ou de grandes quantités d’eau pour l’agriculture posent à leur tour des problèmes. Par ailleurs, l’augmentation du rendement agricole occasionne à terme un appauvrissement des sols. Il faut aussi noter que ce verdissement, qui s’est surtout produit dans les latitudes tempérées et élevées du Nord, ne compense pas les dommages déjà causés par la perte de surface foliaire dans la végétation naturelle tropicale … et les conséquences qui en découlent pour la durabilité des écosystèmes et la biodiversité.

Enfin le verdissement implique une consommation plus forte de nutriments pour le développement des feuilles et une plus forte transpiration de ces plantes (puisque leur indice foliaire plus grand). Il y a donc moins d’eau dans les sols.

Le verdissement a-t-il des limites ?

Le verdissement a bien sûr des limites. Si les températures continuent d’augmenter, le verdissement peut malheureusement saturer et ensuite s’inverser…. Mais ce sera très variable en fonction de la disponibilité en eau et de la la température moyenne. Pour tous les écosystèmes, il y a en effet une plage de température optimale : si la température va au-delà, on aboutira plutôt à une diminution de l’indice foliaire.
En cas de diminution trop forte des précipitations et/ou d’augmentation trop forte de la température, les forêts tropicales peuvent commencer à régresser (diminution de l’indice foliaire).  

Le changement climatique va modifier le climat régionalement. Certaines régions deviendront probablement moins hostiles à l’homme (comme les régions boréales). D’autres deviendront beaucoup plus hostiles (régions tropicales déjà sèches).

Le mot de la fin

Le surcroît d’émissions de CO₂ a déséquilibré le bilan d’énergie de la Terre, qui a donc accumulé une grande quantité de chaleur supplémentaire. La rapidité du changement est problématique. On craint une dégradation de la capacité d’absorption par les océans du CO₂ qui, par ailleurs, modifie l’équilibre chimique de l’eau de mer. Cette acidification des océans a déjà des conséquences sur les écosystèmes marins.

L’effet du CO₂ sur la végétation est certes pour le moment globalement positif mais si l’on fait un bilan des conséquences positives et négatives du CO₂ , le bilan est bel et bien négatif.

Bonus : Une infographie de cet article disponible sur le site du CNRS 😉

Sources :

• Global Carbon Project
• Global carbon atlas
• Quels sont les liens entre le CO2 et la température ?
• Le CO2 augmente-t-il dans l’atmosphère depuis 150 ans ?
• Recent trends and drivers of regional sources and sinks of carbon dioxide
• Scientists-quantify-global-volcanic-co2-venting-estimate-total-carbon-earth