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Résumé des vidéos : Durabilité, climat et cycle du carbone

Résumé de la vidéo 1

1. Introduction et contexte

• Ce cours de niveau Bachelor aborde la durabilité en se concentrant sur l’impact de l’humanité sur la planète, avec des exemples liés au climat et au cycle du carbone.
• Le professeur dirige le groupe SENSE à l’EPFL et préside la fondation Ice Memory, apportant une expertise sur les gaz à effet de serre, le climat terrestre et la science polaire.

2. Croissance démographique et énergétique

• La population humaine est passée d’environ 4 millions d’individus il y a 10 000 ans à 1 milliard au début du XIXᵉ siècle, pour atteindre 8 milliards aujourd’hui, avec une projection à 10 milliards pour 2050.
• Cette croissance a des impacts majeurs, notamment par l’occupation des sols via l’agriculture et l’urbanisation.
• La consommation d’énergie primaire a explosé de manière disproportionnée :
  • Multipliée par 30 entre 1800 et 2023
  • Tandis que la population n’était multipliée que par 8 sur la même période
• L’impact humain dépend donc de l’augmentation de la population, mais surtout de l’augmentation drastique des usages énergétiques par individu.
• Exemple :
  • Bien que la pandémie de COVID-19 ait fait chuter le trafic aérien de 60 % en 2020, la consommation mondiale d’énergie primaire n’a diminué que de 5 %.

3. L’exploitation des ressources — l’exemple du cuivre

• Les besoins en ressources minérales, biologiques et hydrauliques ne cessent de croître.
• Le cuivre, essentiel pour l’électricité et l’électronique, a vu sa production passer de 0,5 million de tonnes par an en 1900 à 20 millions de tonnes dans la décennie 2020.
• La transition vers les voitures électriques va encore augmenter cette demande.
• Le recyclage commence cependant à réduire indirectement les besoins en production de matières premières neuves.

4. La « Grande accélération » et ses impacts globaux

• Les changements mondiaux actuels, caractérisés par une croissance exponentielle de divers indicateurs (PIB, population urbaine, transports, usage de l’eau, etc.), sont résumés sous le terme de « Grande accélération ».
• Ces changements socio-économiques entraînent de profonds impacts environnementaux.

Impacts physiques

• Augmentation de la température de surface
• Artificialisation des sols

Impacts chimiques

• Hausse des gaz à effet de serre (CO2, méthane, protoxyde d’azote)
• Augmentation de l’ozone stratosphérique
• Acidification des océans
• Augmentation des apports d’azote sur les côtes

Impacts biologiques

• Hausse des captures de poissons
• Perte de forêts tropicales
• Dégradation de la biosphère
• Perte de biodiversité

Conclusion

• Ce modèle reposant sur une croissance exponentielle est insoutenable pour l’équilibre physique, chimique et biologique de la planète.

Réponses au quiz — vidéo 1

Question 3.1.1 : Quels sont les impacts de la croissance démographique humaine sur la planète ?

• ✅ Augmentation des besoins en ressources
• ✅ Augmentation de l’urbanisation

Question 3.1.2 : Quels facteurs ont contribué à l’augmentation de la consommation énergétique depuis la révolution industrielle ?

• ✅ Augmentation des usages industriels
• ✅ Croissance de la population

Question 3.1.3 : Quelles stratégies peut-on mettre en place pour gérer durablement les ressources comme le cuivre ?

• ✅ Réduction de l’utilisation des ressources premières
• ✅ Recyclage des matériaux

Question 3.1.4 : Quels sont les impacts environnementaux de l’activité humaine sur la planète ?

• ✅ Perte de biodiversité
• ✅ Augmentation des gaz à effet de serre
• ✅ Augmentation de la température de surface
• ✅ Augmentation de l’acidification des océans

Résumé de la vidéo 2

1. Le bilan énergétique de la Terre et l’effet de serre

• La température à la surface de la Terre résulte d’un équilibre entre l’énergie reçue du soleil et l’énergie renvoyée vers l’espace.
• En moyenne, 340 watts par mètre carré (W/m²) arrivent au sommet de notre atmosphère.
• Sur cette quantité :
  • Environ un quart est réfléchi par les nuages ou la surface
  • Un autre quart est absorbé par l’atmosphère
  • Près de la moitié (environ 160 W/m²) est absorbée à la surface de la Terre
• La Terre émet ensuite de l’énergie sous forme de rayonnement infrarouge vers l’espace.
• Cependant, 95 % de cette énergie infrarouge est absorbée par l’atmosphère, puis réémise vers la surface, contribuant fortement à son réchauffement.
• L’équilibre est atteint lorsque l’énergie solaire entrante correspond à l’énergie renvoyée vers l’espace :
  • Rayonnement infrarouge
  • Énergie solaire réfléchie
• Sans cet effet de serre naturel, la température moyenne sur Terre serait de -18 °C au lieu des 15 °C actuels, et il n’y aurait pas de vie.

2. Comparaison avec les autres planètes du système solaire

Vénus

• Elle reçoit deux fois plus d’énergie solaire que la Terre.
• Seule une infime partie atteint sa surface car ses nuages d’acide sulfurique sont très réfléchissants.
• Son atmosphère composée à 95 % de CO2 et sa pression 100 fois supérieure à celle de la Terre génèrent un effet de serre massif.
• Résultat :
  • Température de surface de 462 °C

Mars

• Plus éloignée, elle reçoit deux fois moins d’énergie solaire que la Terre.
• Bien que son atmosphère contienne le même pourcentage de CO2 que Vénus, sa pression atmosphérique est 150 fois plus faible que sur Terre.
• Son effet de serre est donc très faible.
• Avec des tempêtes de poussière qui la refroidissent, sa température moyenne est de -55 °C.

3. Les facteurs influençant le climat terrestre dans le temps

• À l’échelle de centaines de millions d’années :
  • Le contrôle majeur du climat est la quantité de CO2 dans l’atmosphère
  • Celle-ci dépend d’une balance entre la tectonique et le volcanisme
• La tectonique, par l’érosion des montagnes, transfère le CO2 vers l’océan et diminue sa présence dans l’atmosphère.
• Le volcanisme est une source majeure de CO2.
• À l’échelle courte, de quelques décennies à quelques milliers d’années :
  • L’activité solaire varie cycliquement et influence le climat
  • Le volcanisme a au contraire un effet refroidissant grâce aux gouttelettes de sulfates qui réfléchissent l’énergie solaire vers l’espace
• Aujourd’hui, les humains déséquilibrent ce système naturel en ajoutant des gaz à effet de serre dans l’atmosphère.

Réponses au quiz — vidéo 2

Question 3.2.1 : Quels sont les facteurs qui influencent le climat terrestre sur des échelles de temps de millions d’années ?

• ✅ Volcanisme

Question 3.2.2 : Quelles planètes présentent un effet de serre significatif ?

• ✅ Terre
• ✅ Vénus

Question 3.2.3 : Quels éléments contribuent à l’équilibre énergétique de la Terre ?

• ✅ Énergie infrarouge émise par la surface
• ✅ Énergie solaire réfléchie

Question 3.2.4 : Comment le volcanisme influence-t-il le climat terrestre ?

• ✅ Refroidissement par aérosols de sulfate
• ✅ Augmentation du CO2 atmosphérique

Résumé de la vidéo 3

1. Le GIEC et le forçage radiatif

• Les Nations Unies ont créé le GIEC (Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat) pour évaluer l’état des connaissances sur le changement climatique.
• Les activités humaines depuis 1750 ont généré un forçage radiatif supplémentaire de +3,8 watts par mètre carré (W/m²), dû à l’accumulation de divers gaz à effet de serre :
  • CO2
  • Méthane
  • Protoxyde d’azote
  • Ozone
  • Vapeur d’eau stratosphérique
• Les aérosols (particules de pollution) ont, à l’inverse, un effet refroidissant estimé à -1,1 W/m².
• Le bilan net de l’impact humain est donc un réchauffement de +2,7 W/m².
• Les variations naturelles du soleil ou des volcans ne suffisent pas à expliquer ce réchauffement.

2. Les scénarios futurs (RCP) et la vitesse du changement

• Le GIEC modélise le XXIᵉ siècle à l’aide de scénarios appelés RCP (Representative Concentration Pathways), qui correspondent à différents niveaux de forçage radiatif.
• Exemples :
  • RCP2.6 = +2,6 W/m²
  • RCP4.5 = scénario intermédiaire
  • RCP8.5 = poursuite du rythme actuel des émissions
• Ces scénarios projettent un réchauffement global de +1,5 °C à +4,5 °C d’ici la fin du siècle.
• La règle est linéaire :
  • L’émission de 1000 gigatonnes (Gt) de CO2 augmente la température mondiale d’environ 0,5 °C
  • Actuellement, nous émettons 40 Gt par an
• Ce qui est alarmant, c’est la vitesse de ce réchauffement :
  • La transition naturelle depuis la dernière ère glaciaire a pris 10 000 ans pour un réchauffement de 4 °C
  • Les scénarios actuels projettent une amplitude similaire en seulement 300 ans

3. Impacts régionaux, santé et points de bascule

• Les impacts varient selon les régions :
  • Le monde s’est réchauffé de +1,2 °C
  • La Suisse a déjà subi un réchauffement de +2,8 °C
• Cela s’accompagne de :
  • Canicules
  • Fonte des glaciers
  • Fortes pluies hivernales
  • Sécheresses estivales
• La hausse de la température combinée à l’humidité pourrait rendre certaines régions, comme l’Asie du Sud-Est, inhabitables pour l’être humain sans climatisation.
• Des événements extrêmes, comme les ouragans et les inondations, deviendront plus fréquents.
• Le franchissement de certains seuils de température peut déclencher des points de bascule climatiques.
• Il s’agit de réorganisations abruptes et irréversibles du système.
• Exemple :
  • La désintégration de la calotte glaciaire du Groenland entraînerait une hausse de 7 mètres du niveau des mers.

Réponses au quiz — vidéo 3

Question 3.2.5 : Quels gaz suivants contribuent au forçage radiatif selon le GIEC ?

• ✅ Ozone et vapeur d’eau stratosphérique
• ✅ Méthane et protoxyde d’azote

Question 3.2.6 : À quoi correspondent les valeurs numériques des RCP ?

• ✅ Au forçage radiatif (en W/m²)

Question 3.2.7 : Quelles conséquences globales sont attendues avec un réchauffement de plusieurs degrés ?

• ✅ Augmentation du niveau des mers
• ✅ Augmentation des phénomènes de sécheresse
• ✅ Augmentation de la fréquence des vagues de chaleur

Question 3.2.8 : Quels phénomènes peuvent survenir au-delà de certains seuils de réchauffement ?

• ✅ Réorganisation abrupte du système climatique
• ✅ Désintégration de la calotte glaciaire du Groenland

Question 3.2.9 : Quelles affirmations sont vraies concernant les émissions de CO2 et le réchauffement ?

• ✅ Les émissions annuelles actuelles sont de 40 Gt de CO2

Résumé de la vidéo 4

1. Le cycle du gaz carbonique (CO2)

• Le CO2 s’échange entre l’atmosphère et plusieurs réservoirs :
  • Les réservoirs fossiles (charbon, pétrole, gaz)
  • La biosphère terrestre (végétation et sols, y compris sols gelés)
  • Les océans, qui constituent de loin le plus gros réservoir échangeable, notamment via le carbone inorganique dissous
  • Les réservoirs intermédiaires (rivières, lacs, régions côtières, sédiments)
• Naturellement, ces échanges sont dominés par :
  • La photosynthèse, qui extrait le CO2 de l’atmosphère
  • La respiration, qui en émet
• La biosphère continentale contrôle 60 % de ces échanges, et les océans 40 %.
• L’impact humain est flagrant :
  • La concentration de CO2 atmosphérique est passée de 280 ppm au début du XIXᵉ siècle à 420 ppm en 2024
  • Soit une hausse de plus de 50 % en deux siècles
• En 2023, les humains ont émis 11 gigatonnes (Gt) de carbone, soit 40 Gt de CO2.
• Ces émissions proviennent principalement :
  • De la combustion d’énergies fossiles (9,6 Gt)
  • De la modification de l’usage des sols, comme la déforestation
• Heureusement, la moitié de ces émissions est réabsorbée par la surface terrestre et par les océans.
• Les technologies actuelles de capture du CO2 atmosphérique sont encore dérisoires :
  • 3 000 tonnes capturées en 2023
  • Il faudrait multiplier cette capacité par 10 millions pour compenser les émissions
• Le problème majeur est le bilan cumulé :
  • Depuis 1850, l’humanité a ajouté 485 Gt de carbone via les fossiles
  • Et 220 Gt via l’usage des sols

2. Le cycle du méthane (CH4)

• Le méthane est naturellement produit par la décomposition de matière organique sans oxygène, dans des milieux anaérobies comme :
  • Les marécages
  • La panse des ruminants
• Actuellement, environ 600 millions de tonnes sont émises par an.
• Les bilans comportent encore de larges incertitudes quant aux sources et aux puits exacts.
• La perturbation humaine est responsable de 60 % du bilan de ce gaz.
• Cela a multiplié sa concentration atmosphérique par 2,7 depuis 1800.
• Les sources humaines comprennent principalement :
  • L’agriculture (élevage de ruminants, culture du riz)
  • L’exploitation du gaz naturel
  • Les décharges
  • Les feux de biomasse
• Bien que le méthane soit détruit par oxydation dans l’atmosphère, cette réaction crée :
  • De l’ozone troposphérique
  • De la vapeur d’eau stratosphérique
• Ces deux éléments sont eux-mêmes des gaz à effet de serre.
• Point crucial :
  • Le temps de résidence du méthane dans l’atmosphère n’est que de 10 ans
  • Réduire drastiquement ses émissions aurait donc un bénéfice rapide sur le climat

Réponses au quiz — vidéo 4

Question 3.3.1 : Quels réservoirs échangent actuellement du carbone avec l’atmosphère ?

• ✅ Réservoirs fossiles comme le charbon
• ✅ Océans avec carbone organique
• ✅ Biosphère terrestre et sols gelés

Question 3.3.2 : Quelles sont les principales sources d’émissions de CO2 dues aux activités humaines ?

• ✅ Combustion d’énergies fossiles
• ✅ Modification de l’usage des sols

Question 3.3.3 : Quelles activités humaines contribuent aux émissions de méthane ?

• ✅ Élevage de ruminants
• ✅ Exploitation du gaz naturel
• ✅ Culture du riz

Question 3.3.4 : Quels processus naturels modulent le CO2 dans l’atmosphère ?

• ✅ Photosynthèse
• ✅ Respiration

Résumé complémentaire — rétroactions climat-carbone

1. Les rétroactions entre le climat et le cycle du carbone

• Dans un climat qui se réchauffe, la nature pourrait déclencher des surprises amplifiant le phénomène.
• Les océans et la biosphère terrestre pourraient voir leur capacité d’absorption du CO2 modifiée.
• Les océans risqueraient même de relarguer une partie du CO2 qu’ils ont accumulé.
• Le risque majeur est la libération de carbone stocké dans des réservoirs naturels.
• Exemple :
  • Le dégel du permafrost (sols gelés d’Arctique) est déjà en cours
  • Ces sols contiennent deux fois plus de carbone que l’atmosphère
• Un autre danger concerne la décomposition des hydrates de gaz dans les sédiments marins, qui libérerait du méthane.
• L’augmentation des feux de forêts boréales participe aussi à ces émissions et accélère la fonte des sols.
• Même en limitant le réchauffement à +1,5 degré, ces rétroactions pourraient libérer 100 à 200 gigatonnes de carbone supplémentaires.

2. Les budgets carbone et la trajectoire des émissions

• Il est impératif de réduire globalement nos émissions.
• Pour espérer limiter le réchauffement à +1,5 degré d’ici la fin du siècle :
  • Le budget restant n’est plus que de 200 gigatonnes de CO2 équivalent
  • Cela représente à peine quatre années d’émissions au rythme actuel
• Pour une limite à 2 degrés :
  • Le budget est de 1 000 gigatonnes
  • Soit environ 20 ans d’émissions
• Développer nos capacités à capter le CO2 de l’atmosphère sera indispensable.

3. Le cas de la Suisse et les émissions importées

• La Suisse a réduit ses émissions territoriales d’environ 20 % depuis 1990, contre 29 % pour l’Europe.
• Cependant, si l’on compte les flux commerciaux, le CO2 importé représente près de trois fois le CO2 produit directement sur le sol suisse.
• À titre d’exemple, les citoyens suisses prennent l’avion en moyenne trois fois plus que le reste des Européens.

4. Répondre aux arguments sceptiques

• Face à l’idée que le climat a toujours changé, les scientifiques soulignent que le changement actuel ne s’explique pas par des processus naturels et que sa vitesse est inédite.
• À ceux qui pensent que ce n’est pas si grave, il faut rappeler que la fonte de la cryosphère impactera 3 milliards d’individus via la perte des ressources en eau et la montée des mers.
• Cela générera de fortes pressions migratoires.
• Enfin, bien que les émissions anthropiques semblent petites face aux échanges naturels, l’ajout de carbone fossile crée un déséquilibre critique dans un cycle jusque-là stable.

Réponses au quiz — rétroactions climat-carbone

Question 3.4.1 : Quels sont les effets possibles d’un climat plus chaud sur le cycle du carbone ?

• ✅ Décomposition d’hydrate de gaz dans les sédiments marins
• ✅ Mobilisation du carbone des sols gelés
• ✅ Relargage de CO2 par les océans

Question 3.4.2 : Quelles sont les conséquences possibles du réchauffement climatique sur l’environnement ?

• ✅ Augmentation de la fonte des glaces
• ✅ Diminution de la biodiversité

Synthèse globale : l’impact de l’humanité sur la Terre et le climat

1. La « Grande Accélération » : démographie, énergie et ressources

• L’impact de l’humanité sur la planète a connu une croissance exponentielle depuis la révolution industrielle, période qualifiée de « Grande accélération ».
• La population est passée d’environ 1 milliard au début du XIXᵉ siècle à 8 milliards aujourd’hui.
• Cependant, l’impact humain ne provient pas uniquement de l’augmentation de la population, mais surtout de l’explosion des usages par individu.
• La consommation d’énergie primaire a été multipliée par 30 entre 1800 et 2023.
• Cette dépendance est si forte qu’une crise mondiale majeure comme la pandémie de COVID-19 n’a fait baisser cette consommation que de 5 %.
• Nos besoins en ressources explosent.
• Pour des éléments fondamentaux comme le cuivre, dont la production a atteint 20 millions de tonnes par an, la stratégie la plus viable pour gérer durablement la ressource face à l’électrification mondiale est le recyclage.
• Ces activités génèrent des impacts :
  • Physiques : hausse des températures
  • Chimiques : hausse des gaz à effet de serre, acidification des océans
  • Biologiques : perte massive de biodiversité

2. La machine climatique et l’effet de serre

• Le climat terrestre repose sur un équilibre énergétique :
  • Le sommet de l’atmosphère reçoit en moyenne 340 watts par mètre carré (W/m²) du soleil
  • Cette énergie doit être équilibrée par l’énergie renvoyée vers l’espace
• L’énergie renvoyée vers l’espace prend deux formes :
  • Énergie solaire réfléchie
  • Énergie infrarouge émise
• Sans l’effet de serre naturel, la température moyenne sur Terre serait de -18 °C au lieu des 15 °C actuels.
• La vie n’y serait pas possible.
• Comparaison planétaire :
  • Vénus possède un effet de serre massif générant une température de surface de 462 °C
  • Mars, avec une atmosphère très ténue, présente un effet de serre faible et une température de -55 °C
• À l’échelle de millions d’années, le climat est régulé par la tectonique et le volcanisme.
• À court terme, le volcanisme a paradoxalement un effet refroidissant grâce aux aérosols de sulfate qui réfléchissent l’énergie solaire.

3. La perturbation anthropique du cycle du carbone

• Naturellement, le cycle du carbone est modulé par la photosynthèse et la respiration entre l’atmosphère, les océans et la biosphère terrestre.
• L’humain a profondément déséquilibré ce cycle.
• Pour le dioxyde de carbone (CO2) :
  • En extrayant et brûlant des réservoirs fossiles (charbon, pétrole, gaz)
  • En modifiant l’usage des sols (déforestation)
  • L’humanité a fait bondir la concentration de CO2 de 280 ppm à 420 ppm en deux siècles
• Pour le méthane (CH4) :
  • L’humain est responsable de 60 % de ses émissions actuelles
  • Principalement via l’élevage de ruminants, la culture du riz, l’exploitation du gaz naturel et les décharges
  • Bien que son temps de résidence ne soit que d’environ 10 ans, son potentiel de réchauffement est immense

4. Forçage radiatif et projections du GIEC

• Le GIEC évalue le dérèglement via le « forçage radiatif ».
• Bilan radiatif :
  • Les gaz à effet de serre anthropiques génèrent un forçage supplémentaire de +3,8 W/m²
  • Les aérosols atmosphériques ont un effet refroidissant estimé à -1,1 W/m²
  • Le bilan net est donc de +2,7 W/m²
• Les projections RCP envisagent un réchauffement de +1,5 °C à +4,5 °C d’ici 2100.
• Ce qui est critique, c’est la vitesse :
  • Une transition naturelle de 4 °C prenait environ 10 000 ans
  • Aujourd’hui, une amplitude comparable pourrait se produire en environ 300 ans
• Le réchauffement est linéairement relié aux émissions cumulées :
  • L’émission de 1000 gigatonnes de CO2 augmente la température d’environ 0,5 °C

5. Rétroactions, points de bascule et défis politiques

• L’impact humain s’inscrit dans une dynamique systémique dangereuse.
• Boucles de rétroaction :
  • Un climat plus chaud risque de mobiliser le carbone stocké naturellement
  • Par exemple via la fonte des sols gelés (permafrost) en Arctique
  • Ou via la décomposition d’hydrates de gaz sous-marins
• Points de bascule :
  • Même avec un réchauffement inférieur à +2 °C, des réorganisations abruptes et irréversibles, comme la désintégration de la calotte glaciaire du Groenland, sont fortement probables
• L’illusion technologique :
  • Les procédés industriels de captage du CO2 sont aujourd’hui très marginaux
  • Ils ne retirent qu’environ 3 000 tonnes par an, bien loin du millième de nos émissions
• La responsabilité locale et l’empreinte importée :
  • Le budget carbone restant est critique, avec environ 4 années d’émissions au rythme actuel pour viser +1,5 °C
  • Si la Suisse semble être un bon élève en réduisant ses émissions territoriales, son impact réel est gonflé par ses importations
  • Le CO2 importé représente près de trois fois le CO2 produit sur le sol suisse
  • Cela s’explique notamment par des habitudes de consommation comme l’usage intensif de l’avion