Rôle des activités humaines dans le cycle global de l’eau et impacts sur le changement climatique

par Bruce Peachey et Nobuo Maeda (*)

Article initialement publié le 4 août en anglais sur le site de Judith Curry

(*) Nobua Maeda est professeur associé de génie civil et environnemental à l’Université d’Alberta, au Canada. Bruce Peachey est président de New Paradigm Engineering en Alberta, au Canada.

Les modèles climatiques contemporains n’incluent la vapeur d’eau que comme une rétroaction positive du réchauffement ; l’impact des émissions anthropiques directes de vapeur d’eau n’a pas été sérieusement pris en compte.

Contexte

Le changement climatique et la raréfaction des ressources en eau douce sont deux problèmes environnementaux majeurs auxquels l’humanité est confrontée. La vapeur d’eau est le gaz à effet de serre le plus abondant. Les modèles climatiques contemporains n’intègrent l’impact de la vapeur d’eau que comme rétroaction positive du réchauffement ; l’impact des émissions anthropiques directes de vapeur d’eau n’a pas été sérieusement pris en compte.

Notre récente publication a utilisé l’ensemble de données de réanalyse NCEP/NCAR pour examiner si l’équation de Clausius-Clapeyron peut servir de base à une rétroaction positive communément supposée dans les modèles climatiques contemporains [1]. Nous avons constaté que : (1) qualitativement, la nature log-linéaire de l’équation de Clausius-Clapeyron [(ln P _v ) vs (1/ T )] démontre un niveau significatif de cohérence lorsqu’elle est moyennée sur des régions étendues comme des zones de latitude spécifiques autour du globe ; (2) cette cohérence ne s’étend pas à des emplacements individuels où un tracé de (ln P _v ) vs (1/ T ) devient non linéaire, indiquant une sous-saturation substantielle qui varie avec le temps ; (3) quantitativement, les écarts entre les valeurs observées localement et les valeurs attendues des pentes de (ln P _v ) vs (1/ T ) sont très larges ; et (4) la quantité absolue de vapeur d’eau a augmenté considérablement au-dessus des centres de population et des zones agricoles de l’hémisphère nord entre 1960 et 2020, mais pas dans l’hémisphère sud où la surface des océans est beaucoup plus grande. Ces résultats suggèrent que les émissions anthropiques directes de vapeur d’eau sont un facteur important qui influence la teneur locale en vapeur d’eau.

Notre article conclut que l’utilisation de l’équation de Clausius-Clapeyron comme base de calcul de la rétroaction positive de la vapeur d’eau semble être mal fondée [1]. Étant donné que les écarts entre les valeurs observées et les valeurs attendues des pentes de (ln P _v ) vs (1/ T ) sont très importants [1], il n’est pas certain que la quantité de vapeur d’eau atmosphérique augmentera réellement de 6 à 7 % en réponse à un réchauffement de 1°C, comme on le suppose généralement.

Dans la présente contribution, nous soulignons : (1) le rôle des humains dans le cycle global de l’eau et leurs impacts sur le changement climatique, (2) la nature régionale de nombreux aspects du réchauffement « global », (3) nous proposons que les efforts de recherche futurs soient de toute urgence orientés vers l’obtention de données pertinentes .

Le cycle de l’eau

Les activités humaines ont effectivement un impact sur le climat, mais la plupart des facteurs clés sont liés à l’eau, par opposition au CO₂ [2-6]. L’augmentation de la vapeur d’eau atmosphérique dans l’hémisphère nord a été de plusieurs pour cent par décennie. En revanche, il y a eu peu de changement dans l’hémisphère sud. Contrairement à l’eau, le CO₂ est dans une seule phase et largement distribué uniformément dans l’atmosphère. Ainsi, si le CO₂ était la cause du changement climatique actuel, et si l’océan est la source de la vapeur d’eau qui est censée augmenter d’environ 6 à 7 % en réponse à chaque 1°C de réchauffement causé par les gaz à effet de serre non aqueux, alors l’hémisphère sud aurait dû observer plus de conséquences que l’hémisphère nord en raison de sa surface océanique beaucoup plus grande. Au contraire, une augmentation moyenne de 2 % des précipitations, ce qui équivaut à une moyenne d’environ 2 Tt/an au cours du siècle dernier, a été observée dans les précipitations terrestres de l’hémisphère nord, alors qu’aucune augmentation de ce type n’a été observée dans les précipitations terrestres de l’hémisphère sud [7]. Cette augmentation des précipitations terrestres dans l’hémisphère nord s’est accompagnée d’une augmentation estimée de 2 à 4 % de la fréquence des événements de fortes précipitations au cours des 50 dernières années, toujours dans l’hémisphère nord, mais pas dans l’hémisphère sud.

L’eau est consommée par les humains à un rythme croissant, principalement dans l’hémisphère nord, au moins de 3 à 4 Tt/an (sans compter certaines sources telles que l’évaporation des réservoirs). Cette consommation croissante d’eau s’est accompagnée d’une réduction des flux de retour d’eau douce vers les océans depuis les rivières dans les régions où l’irrigation et l’industrie sont intensives, là encore principalement dans l’hémisphère nord. Les autres contributeurs majeurs identifiés par le GIEC sont les émissions d’eau et l’utilisation des terres. Les appels à l’intégration complète des changements substantiels du cycle hydrologique dans les modèles climatiques mondiaux ne sont pas nouveaux [8, 9], mais ont reçu un soutien limité, et par conséquent ces causes ont généralement été ignorées et non intégrées dans les modèles climatiques contemporains à ce jour.

Le flux naturel d’eau terrestre est basé sur la vapeur d’eau qui arrive sur les terres depuis l’océan, l’eau qui tombe sous forme de précipitations, une partie étant réévaporée du paysage, le flux restant, d’environ 40 Tt/an, retournant dans l’océan pour équilibrer le flux de vapeur d’eau de l’océan. Le flux de vapeur d’eau océanique est 6 fois plus important que le flux de vapeur d’eau terrestre, même si la surface globale de l’eau n’est qu’environ 3 fois plus grande que la surface terrestre [2]. Cela est dû au fait que : (1) la surface de l’océan est plus sombre et absorbe donc plus d’énergie solaire et (2) la surface de l’océan est toujours humide, ce qui améliore le transfert de masse par rapport à la surface terrestre, qui est parfois humide et parfois sèche. À tout moment, l’atmosphère contient environ 13 Tt d’eau, qui contribue à la majeure partie de l’effet de serre, et une molécule d’eau donnée ne passe en moyenne qu’environ 10 jours dans l’atmosphère à chaque fois qu’elle traverse le cycle [10].

Les bilans hydriques mondiaux sont présentés dans de nombreuses publications sur la disponibilité de l’eau et montrent quelques variations dans les chiffres utilisés, mais ils se situent dans une fourchette raisonnable et concordent généralement entre eux. Pour cette analyse, nous présentons schématiquement un bilan hydrique mondial dans la figure 1, qui utilise les chiffres de « Global Warming – The Complete Briefing » de Houghton [11]. Nous supposons ici que la quantité totale d’eau dans l’atmosphère ne change pas matériellement dans un court laps de temps d’une année (après toutes les saisons d’une année), malgré le fait que le réchauffement entraîne une augmentation de la teneur en vapeur d’eau.

Des publications plus récentes fournissent des chiffres légèrement différents (après conversion de l’unité de m3 ^/ s en Tt/an) : 41 au lieu de 40 pour le flux horizontal terre-océan, 69 au lieu de 71 pour le flux ascendant terre-atmosphère dans la figure 1, 110 au lieu de 111 pour le flux descendant atmosphère-terre, 426 au lieu de 425 pour le flux ascendant océan-atmosphère et le même 385 pour le flux descendant atmosphère-océan, ce qui donne aux lecteurs une idée de la quantité de variations impliquées. Nos conclusions resteront inchangées quelle que soit la version des chiffres que nous utilisons.

Les chiffres de la figure 1 montrent les mouvements d’eau en tératonnes (1 Tt = 10 ¹² t = 10 ¹⁵ kg) par an avant le réchauffement récent. Les apports et les sorties d’eau doivent être équilibrés à chaque réservoir de « terre », « océan », « ciel au-dessus de la terre » et « ciel au-dessus de l’océan », pour satisfaire à la conservation de la masse. Ces quatre entités peuvent, mais ne doivent pas nécessairement, être géométriquement continues.

Les données sur les prélèvements et l’utilisation de l’eau sont disponibles auprès de plusieurs sources et études. La plupart des estimations situent les prélèvements d’eau par les humains dans une fourchette de 4 à 5 Tt/an à l’échelle mondiale, dont plus de 60 % sont destinés à l’irrigation, 20 à 30 % au refroidissement industriel et le reste à l’usage domestique. Par exemple, l’estimation du GIEC selon laquelle les prélèvements d’eau anthropiques réduisent les débits de rejet océanique dans des fleuves tels que le Nil, le Colorado, le fleuve Jaune, le Rio Grande et d’autres fleuves qui sont fortement utilisés pour l’irrigation place la réduction des débits de retour vers l’océan (les 40 Tt de la « terre » à l’« océan ») à environ 10 %, soit 4 Tt/an [7, 12]. Houghton rapporte « aux États-Unis, pour le bassin du fleuve Missouri, ce pourcentage est de 30 %, pour le Rio Grande, de 64 % et pour le cours inférieur du Colorado, de 96 %. Presque aucune eau du fleuve Colorado n’atteint la mer » [11]. En bref, la consommation d’eau de ces systèmes fluviaux en pourcentage du débit total peut être substantielle. Plus récemment, le dernier rapport 2021 du GIEC sur le changement climatique a fait état de l’ampleur des impacts que les humains ont eu sur le cycle de l’eau sur terre : « La redistribution directe de l’eau par les activités humaines à des fins domestiques, agricoles et industrielles d’environ 24 000 km3 ^/ an équivaut à la moitié du débit mondial des rivières ou au double de la recharge mondiale des eaux souterraines chaque année » [13]. Par conséquent, ces 24 Tt/an représentent environ 60 % du débit total estimé de retour de 40 Tt/an vers les océans.

Malheureusement, ces rapports ne fournissent aucune explication sur la destination de l’eau après son prélèvement ou sa redistribution. Par conséquent, la quantité réelle d’eau évaporée dans l’atmosphère est moins claire. Pour les prélèvements d’eau pour l’irrigation, la majeure partie de l’eau s’évapore pendant l’irrigation ou du champ après l’irrigation, alors que pour la plupart des prélèvements d’eau domestique, l’eau peut être renvoyée à la source ou à un autre plan d’eau sous forme d’eaux usées. L’eau industrielle est principalement utilisée pour refroidir les centrales thermiques, mais la relation entre les prélèvements et les pertes d’eau par évaporation varie considérablement, en fonction du procédé de refroidissement utilisé (c’est-à-dire le refroidissement par évaporation sur site ou le retour de l’eau chaude dans un grand plan d’eau). Certaines sources de données ventilent les volumes d’eau par utilisation, par bassin hydrographique ou par pays, avec une précision variable en fonction de ce qui est rapporté, de la cohérence des rapports, des méthodes de mesure et de la rigueur appliquée au processus de collecte des données [11, 14-21]. Souvent, ces estimations n’incluent pas d’autres pertes d’eau, lorsque le transfert d’eau est involontaire ou non mesuré, comme les pertes dans les réservoirs d’eau souterraine ou l’évaporation des réservoirs hydroélectriques ou d’irrigation. Elles peuvent également ne pas contenir les prélèvements d’eau souterraine des aquifères, qui ont considérablement augmenté ces dernières années [22].

L’un des principaux défis d’un modèle climatique contemporain est le suivant : comment générer une augmentation de 5 % des précipitations terrestres dans les zones terrestres de l’hémisphère nord, comme le signalent les rapports du GIEC [7, 12], mais pas dans les zones terrestres de l’hémisphère sud ?

Étant donné que l’hémisphère nord abrite 67,3 % des terres émergées de la planète, si nous négligeons les augmentations des précipitations terrestres de l’hémisphère sud pour simplifier, l’augmentation de 5 % des précipitations terrestres de l’hémisphère nord entraînerait une augmentation d’environ 3,4 % des précipitations terrestres mondiales. Cette augmentation de 3,4 % du flux d’eau descendant de 111 Tt sur l’ensemble de la masse terrestre équivaut à environ 4 Tt de flux d’eau descendant supplémentaire. Dans le paradigme contemporain du réchauffement climatique induit par les gaz à effet de serre non aqueux, ces 4 Tt supplémentaires devraient provenir des océans par le biais d’une augmentation de 10 % (des 40 Tt) de la teneur en vapeur d’eau de l’air traversant les masses terrestres en provenance des océans. Or, on ne peut pas supposer de manière réaliste que 100 % de cette vapeur d’eau supplémentaire générée par la surface des océans s’écoulera exclusivement vers les terres : la majorité devrait précipiter vers l’océan.

Pour simplifier, nous supposons ici que la même proportion de vapeur d’eau générée que celle illustrée dans la figure 1 se répartirait entre les flux descendants terrestres et océaniques. Ensuite, pour générer l’augmentation de 4 Tt de la teneur en vapeur d’eau sur la masse continentale, les flux d’eau ascendants et descendants sur toute la surface de l’océan doivent également augmenter de 10 % par rapport aux niveaux historiques. Le bilan hydrique global qui en résulterait (sans tenir compte des répartitions de l’eau entre l’hémisphère nord et l’hémisphère sud) ressemblerait alors à ce que nous dessinons schématiquement dans la figure 2.

Le déplacement supposé de l’eau des océans vers les terres émergées, qui serait responsable de l’augmentation des précipitations terrestres, entraînerait une augmentation significative (+10%) du débit total sortant des masses continentales (le débit de retour d’environ 4 tératonnes pour compenser l’excès d’eau évaporée de l’océan dans le cadre du mécanisme de rétroaction positive supposé dans les modèles climatiques contemporains), comme le montre la figure 2, ce qui est d’ailleurs contraire aux observations qui montrent une diminution du débit sortant des principaux fleuves du globe [7, 12]. Cela n’explique pas non plus pourquoi la seule zone présentant une augmentation des précipitations est la bande de latitude de 30 à 60 degrés Nord, sans changement significatif dans l’hémisphère sud.

Le bilan massique de l’eau (bilan) ci-dessus a également des implications importantes en termes de bilan énergétique. Pour atteindre les 42 Tt/an d’évaporation d’eau supplémentaire requise au large des océans, il faudrait absorber une grande quantité d’énergie solaire supplémentaire. Nous estimons que cela nécessiterait de l’ordre de 10 Zeta Joules/an absorbés par les océans (42 Tt/an × 2260 kJ/kg) ou une augmentation de 10 % de l’énergie solaire absorbée. Étant donné que le forçage radiatif incrémental estimé moyen est d’environ 2 W/m2 de la surface terrestre, il est beaucoup plus réaliste de supposer que le forçage radiatif incrémental se répartirait proportionnellement de sorte que le flux d’eau de l’océan vers l’atmosphère océanique augmenterait d’environ 2 [W/m2 ^] / 300 [W/m2 ^] × 425 [Tt/an] = 2,8 Tt/an, en supposant que 300 W/m2 ^est le rayonnement moyen net absorbé par la terre et 425 Tt/an le flux d’eau ascendant au-dessus des océans (notez que notre conclusion reste inchangée même si le nombre correct était de 200 W/m2 ou 400 W/m2 comme rayonnement moyen net absorbé par la terre). Ainsi, environ 10 % (la même proportion que dans la figure 2) des 2,8 Tt/an de vapeur d’eau supplémentaire, soit 0,28 Tt/an, seraient transférés vers les zones terrestres tandis que le reste précipiterait vers l’océan, ce qui serait considérablement inférieur aux 4 Tt/an de précipitations supplémentaires observées sur les zones terrestres. En bref, le scénario envisagé dans la figure 2 est très irréaliste.

La figure 2 concerne le bilan massique global des eaux et ne tient donc pas compte des détails à l’échelle régionale. Du point de vue de la conservation des masses d’eau et de l’énergie à l’échelle régionale, un effet de serre non aqueux intensifié entraînant un réchauffement climatique devrait avoir un impact beaucoup plus important sur le climat dans l’hémisphère sud, car sa part dans l’océan est bien plus importante. Pourtant, les données climatiques du GIEC montrent une nette tendance à considérer que les précipitations dues au changement climatique sont un phénomène principalement présent dans l’hémisphère nord, et les précipitations totales sur les masses terrestres de l’hémisphère sud n’ont pas augmenté [7, 12]. Les simulations des modèles climatiques contemporains montrent que la majeure partie de l’évaporation supplémentaire provient de l’hémisphère sud, ce qui laisse la question ouverte de savoir comment la vapeur d’eau prétendument générée dans les océans de l’hémisphère sud traverse préférentiellement les masses terrestres de l’hémisphère nord.

Au contraire, les zones de précipitations accrues ont tendance à se situer dans les régions froides et humides du Nord, alimentées par des masses d’air provenant de régions chaudes, sèches ou très peuplées, avec de fortes émissions d’eau anthropiques, qui ne sont pas associées au réchauffement « global ». La principale région de l’hémisphère sud qui présente une réponse similaire à celle de l’hémisphère nord est la Patagonie en Amérique du Sud, qui a une économie à forte intensité d’irrigation et d’énergie. La Patagonie, par le biais des schémas de circulation océanique et atmosphérique, alimente en eau et en énergie la péninsule Antarctique, qui est la seule partie de l’Antarctique à montrer un quelconque impact du réchauffement « global » [23]. Étant donné que la chaleur latente de vaporisation de l’eau est importante, une tonne de vapeur d’eau contient suffisamment d’énergie pour faire fondre 6,7 tonnes de glace ou de neige. Une analyse devrait être entreprise quant à la relation entre l’utilisation de l’eau en Patagonie et la détérioration des masses de glace sur la péninsule Antarctique.

D’autres régions de l’hémisphère sud, comme la Nouvelle-Zélande, les côtes occidentales de l’Australie et l’Afrique australe, ne connaissent que peu de changements dans les précipitations qu’elles auraient dû connaître avec l’augmentation de l’évaporation de l’eau des océans, qui est censée se produire dans le cadre du paradigme de la rétroaction positive amplifiée de la vapeur d’eau, provoquée par les gaz à effet de serre non aqueux. Au contraire, l’île du Sud de la Nouvelle-Zélande, avec ses hautes montagnes et la mer de Tasman à l’ouest, qui aurait dû connaître des précipitations nettement plus importantes, n’en a pas connu. En Australie, les côtes de l’Australie occidentale restent sèches, et des précipitations accrues et des pluies extrêmement fortes se produisent plutôt dans l’Australie orientale, qui se trouve sous le vent de l’eau prélevée dans le bassin Murray-Darling pour l’irrigation.

Étant donné qu’il existe suffisamment de preuves/observations qui soutiennent l’idée que les émissions anthropiques sont un facteur important du réchauffement récent [1], nous examinons maintenant à quoi pourrait ressembler la conservation des masses d’eau si les émissions anthropiques de vapeur d’eau étaient effectivement le principal facteur de la tendance récente du réchauffement climatique. Comme indiqué ci-dessus, les surfaces terrestres plus humides et la nouvelle couverture végétale après irrigation sont plus sombres que les surfaces sèches avant irrigation et absorbent par conséquent plus de lumière solaire. L’énergie de rayonnement supplémentaire concomitante absorbée par l’augmentation de la zone d’absorption en répandant l’eau des lacs, des rivières et des aquifères souterrains sur les champs et les rizières est toujours un apport d’énergie supplémentaire et doit être libérée par l’eau pendant la condensation (formation de nuages) et les précipitations dans les régions du Nord. Les émissions anthropiques de vapeur d’eau, qui sont principalement émises dans les latitudes basses et moyennes de l’hémisphère nord (entre 0 et 60°N), déplaceraient l’eau et l’énergie vers les pôles jusqu’à l’Arctique par le biais des schémas de circulation atmosphérique.

La condensation de la vapeur d’eau libérerait de la chaleur latente, provoquerait la fonte des calottes glaciaires du Nord et de l’intérieur des terres, augmenterait la couverture nuageuse du Nord et augmenterait les précipitations et les phénomènes météorologiques violents, quel que soit l’endroit où l’eau sort. De tels mouvements de masses d’eau expliquent également la tendance au rafraîchissement signalée des eaux qui s’écoulent vers l’Arctique, l’Atlantique et le Pacifique, ainsi que l’augmentation de la salinité et de la température des masses d’eau tropicales, qui ne reçoivent plus ces retours d’eau douce fraîche des rivières. La figure 3 montre à quoi pourrait ressembler le bilan hydrique dans ce scénario. Comme c’était le cas dans les figures 1 et 2, la figure 3 correspond à la description à l’échelle mondiale qui n’inclut aucune granularité ou répartition géographique de chacune des composantes terrestres et océaniques.

Comme nous l’avons fait lors du calcul du bilan massique de l’eau dans la figure 2, puisque l’hémisphère nord contient 67,3 % des terres émergées de la Terre, si nous négligeons les augmentations des précipitations terrestres dans l’hémisphère sud pour simplifier, l’augmentation de 5 % des précipitations terrestres dans l’hémisphère nord entraînerait une augmentation d’environ 3,4 % des précipitations terrestres mondiales. Cette augmentation de 3,4 % du flux d’eau descendant de 111 Tt sur l’ensemble de la masse continentale équivaut à un flux d’eau descendant supplémentaire d’environ 4 Tt, qui a été observé comme étant concentré dans la masse continentale froide de l’hémisphère nord. Cependant, contrairement à la figure 2, les 4 Tt supplémentaires ne proviennent pas du ciel au-dessus de l’océan, mais proviennent plutôt des régions chaudes, sèches et/ou peuplées de la masse continentale.

À l’échelle régionale, les émissions anthropiques de vapeur d’eau correspondent également mieux aux observations de débits réduits dans les rivières et les lacs très fréquentés dans les régions sèches et densément peuplées telles que la Chine, l’Inde, le Pakistan et le sud-ouest des États-Unis, et aux augmentations correspondantes des précipitations dans les régions tempérées du Nord. Voici quelques exemples de « schémas inhabituels » à l’échelle régionale : (1) les schémas hebdomadaires des précipitations sur la côte est des États-Unis ont montré que les précipitations étaient 22 % plus élevées le samedi que n’importe quel autre jour de la semaine, les jours les plus bas étant du dimanche au mardi [24] ; (2) les variations de température diurnes de la semaine de travail, où certaines zones émettrices d’eau ont montré un refroidissement nocturne le week-end, tandis que d’autres régions n’émettant pas d’eau ont montré des nuits plus fraîches en semaine [25]. Ni les cycles orbitaux planétaires naturels ni le réchauffement climatique ne devraient être en mesure de générer des schémas hebdomadaires ou hebdomadaires, mais les émissions d’eau provenant de la production d’électricité et de l’irrigation ont tendance à diminuer le week-end.

Un autre problème notable à l’échelle régionale est que le bilan massique et le bilan énergétique autour du golfe du Mexique devraient montrer les impacts de la réduction des apports d’eau dans le golfe en provenance du Rio Grande, du Missouri et du Mississippi. La réduction des flux d’eau douce et froide dans le golfe devrait entraîner un réchauffement des eaux de surface qui, à son tour, pourrait potentiellement (1) avoir un impact sur la force et la trajectoire des ouragans, (2) générer un climat plus chaud en aval du Gulf Stream (par exemple, en Europe occidentale en raison d’un débit plus chaud mais plus faible). Il s’agit de phénomènes régionaux, par opposition aux « schémas inhabituels » mondiaux, mais le fait est que les émissions anthropiques de vapeur d’eau ont des impacts majeurs et observables à l’échelle régionale.

Conclusions et recommandations

Les émissions d’eau anthropiques sont suffisamment importantes pour entraîner une augmentation d’environ 5 à 7 % (4 à 5 Tt/an) du flux d’eau terre-atmosphère et une augmentation similaire de la vapeur d’eau dans l’atmosphère au-dessus des zones terrestres touchées par les utilisations humaines de l’eau telles que l’irrigation, le refroidissement par évaporation et l’évaporation des réservoirs d’eau. Ces émissions d’eau représentent environ 1 000 fois l’augmentation nette de la masse de carbone émise dans l’atmosphère et contribuent à des quantités importantes d’énergie latente dans l’atmosphère dans les zones froides du nord, ce que ne font pas les émissions de GES. Nous recommandons que ces émissions anthropiques directes de vapeur d’eau soient intégrées de manière cohérente dans les modèles climatiques contemporains avant d’imposer des actions extrêmes liées au seul bilan carbone.

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