Énergie, choix de développement et futur climatique

Cours complet · enseignement scientifique (terminale), chapitre 6 · terminale, enseignement scientifique

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6.1 Introduction : de combien d'énergie vivons-nous, et à quel prix ?

Un adulte au repos dissipe environ $100$ watts — la puissance d'une vieille ampoule. C'est tout ce dont notre corps a besoin pour vivre. Et pourtant, chaque être humain mobilise en moyenne, pour se déplacer, se chauffer, se nourrir, s'équiper et se soigner, une puissance de l'ordre de $2400$ watts : vingt-quatre fois son propre métabolisme. Dans les pays riches, le facteur atteint la centaine.

Cette énergie ne vient pas de nulle part. Aux quatre cinquièmes, elle vient encore aujourd'hui de la combustion de charbon, de pétrole et de gaz naturel — c'est-à-dire de carbone qui dormait sous terre depuis des dizaines ou des centaines de millions d'années, et que nous remettons dans l'atmosphère en quelques décennies. Le lien entre la question de l'énergie et celle du climat n'est donc pas une association d'idées militante : c'est une identité de sujet. Parler de notre consommation d'énergie, c'est parler du carbone ; parler du carbone, c'est parler du climat.

Ce chapitre est le plus « politique » du livre, et c'est justement pourquoi il doit être le plus rigoureux. Il ne vous dira pas ce qu'il faut faire. Il vous donnera de quoi comprendre ce dont on parle, et surtout de quoi distinguer en permanence deux registres qui, dans le débat public, sont continuellement mélangés :

ce qui relève de la mesure et du modèle — combien d'énergie consommons-nous ? d'où vient le carbone ? quelle masse de dioxyde de carbone libère un kilowattheure de charbon ? de combien la température montera-t-elle si les émissions suivent telle trajectoire ? Ces questions ont des réponses, assorties d'incertitudes que l'on sait quantifier ;
ce qui relève de la décision — que faut-il faire ? qui doit payer ? à quelle vitesse ? quel risque accepte-t-on, et pour qui ? Ces questions-là n'ont pas de réponse scientifique. Elles ont des réponses politiques, que la science éclaire sans les dicter.

Confondre les deux registres produit deux erreurs symétriques : croire que la science impose un programme, ou croire qu'un désaccord politique autorise à contester les mesures. Ni l'une ni l'autre n'est tenable.

iRemarqueCe que ce chapitre suppose acquis

Le bilan radiatif de la Terre, l'effet de serre et la notion de forçage ont été établis dans le thème 1 de ce livre et dans le programme de première ; nous ne les réexposons pas, nous les utilisons. De même, les moyens d'obtenir de l'électricité sans combustion ont été détaillés au chapitre précédent. Ce chapitre-ci porte sur l'énergie en général — dont l'électricité n'est qu'une partie, de l'ordre du cinquième de l'énergie finale consommée dans le monde.

6.2 Compter l'énergie : unités et ordres de grandeur

6.2.1 Un même contenu, cinq unités

Rien n'embrouille davantage le débat sur l'énergie que ses unités. Le joule est l'unité légale, mais on parle en kilowattheures sur les factures, en tonnes équivalent pétrole dans les statistiques internationales, en calories en diététique et en barils sur les marchés. Toutes mesurent la même grandeur.

Définition 6.1Les unités d'énergie usuelles

Le joule (J) est l'unité du système international.
Le kilowattheure (kWh) est l'énergie consommée en une heure par un appareil de $1$ kilowatt : $1 kWh = 1000 W \times 3600 s = 3, 6 \times 1 0^{6} J = 3, 6 MJ .$
La tonne équivalent pétrole (tep) est, par convention internationale, l'énergie libérée par la combustion d'une tonne de pétrole brut de référence : $1 tep = 41, 868 GJ = 11630 kWh \approx 1, 2 \times 1 0^{4} kWh .$
La calorie vaut $4, 18$ J ; la Calorie des diététiciens est en réalité la kilocalorie, $4, 18$ kJ.
Le baril de pétrole (environ $159$ litres) libère de l'ordre de $1700$ kWh.

iRemarqueLa tep n'est pas une unité de physique

La tonne équivalent pétrole est une unité conventionnelle, choisie par les agences statistiques parce qu'elle rend commensurables des ressources aussi différentes qu'un stère de bois, un mètre cube de gaz et un kilogramme d'uranium. Elle ne correspond à aucune tonne de pétrole réelle : les pétroles bruts n'ont pas tous le même pouvoir calorifique. C'est un cas intéressant d'unité fabriquée pour les besoins de la comparaison, et il faut savoir qu'elle transporte des conventions — notamment sur la façon de compter l'électricité d'origine nucléaire ou hydraulique, qui n'est pas la même selon les organismes.

Méthode : Utiliser et convertir les unités d'énergie

Ne jamais mélanger énergie et puissance. Le watt est une puissance, le wattheure une énergie. « Une centrale de $900$ MW » et « une production de $900$ MWh » ne disent pas du tout la même chose. Le test : $e ˊ nergie = puissance \times dur e ˊ e$ .
Choisir l'unité adaptée à l'échelle. Le joule pour un calcul de physique, le kWh pour un logement, le TWh pour un pays, l'exajoule ( $1 0^{18}$ J) ou la Gtep pour le monde.
Convertir par un facteur, pas par une formule. Retenir $1$ kWh $= 3, 6$ MJ et $1$ tep $= 11630$ kWh ; tout le reste s'en déduit par proportionnalité.
Contrôler l'ordre de grandeur du résultat avant de l'écrire : un ménage français consomme quelques milliers de kWh par an, pas quelques millions.

$\leftrightarrow$ Conversion d'unités, proportionnalité, puissances de $10$ : une conversion d'unité est une multiplication par un coefficient constant, donc une situation de proportionnalité. Poser le calcul en notation scientifique évite les erreurs de facteur mille.

Exemple 6.2Trois conversions typiques

(a) Un ménage consomme $4500$ kWh d'électricité par an. En joules : $4500 \times 3, 6 \times 1 0^{6} = 1, 6 \times 1 0^{10}$ J. En tep : $4 500/11 630 \approx 0, 39$ tep.

(b) La consommation mondiale d'énergie primaire est de l'ordre de $6 \times 1 0^{20}$ J par an. En tep : $6 \times 1 0^{20} /41, 868 \times 1 0^{9} \approx 1, 4 \times 1 0^{10}$ tep, soit environ $14$ milliards de tep.

(c) Un litre d'essence libère environ $32$ MJ, soit $8, 9$ kWh. Un plein de $50$ litres transporte donc $445$ kWh — davantage que ce qu'une batterie de voiture électrique de $60$ kWh contient, d'un facteur sept. C'est toute la difficulté de l'électrification des transports, et cela ne se comprend qu'en comparant des énergies massiques.

6.2.2 Savoir-faire : situer des ordres de grandeur

Méthode : Comparer des ordres de grandeur d'énergie et de puissance

Ramener tout à la même unité, de préférence le watt pour les puissances et le kWh ou le joule pour les énergies.
Écrire en notation scientifique et ne retenir que l'exposant : comparer des ordres de grandeur, c'est comparer des puissances de $10$ .
Placer sur une échelle logarithmique. Sur une telle échelle, des écarts égaux représentent des rapports égaux : c'est le seul moyen de faire tenir sur une même figure une ampoule et le Soleil.
Formuler la comparaison en facteur, jamais en différence : « le flux solaire reçu par la Terre représente environ $1 0^{4}$ fois la puissance consommée par l'humanité », et non « $1, 7 \times 1 0^{17}$ moins $1, 9 \times 1 0^{13}$ ».
Se demander ce que le facteur signifie. Un facteur $1 0^{4}$ ne dit pas que le problème énergétique est résolu : il dit seulement que la ressource ne manque pas, ce qui laisse entières les questions de captation, de stockage et de matériaux.

$\leftrightarrow$ Puissances de $10$ , ordres de grandeur ; lectures graphiques : l'échelle logarithmique est l'outil qui rend visible ce que l'échelle linéaire écrase.

Puissances caractéristiques, sur une échelle logarithmique

couvrant dix-huit ordres de grandeur. Chaque graduation représente un facteur mille. L'humanité entière consomme dix mille fois moins de puissance que la Terre n'en reçoit du Soleil : la ressource n'est pas ce qui manque.</div>

6.3 D'où vient l'énergie du monde, et qui la consomme

6.3.1 Le savoir : une ressource dominante, une répartition très inégale

Proposition 6.3La consommation mondiale d'énergie

L'énergie utilisée dans le monde provient d'une diversité de ressources parmi lesquelles les combustibles fossiles dominent. Leur consommation est très inégalement répartie selon la richesse des pays et des individus. La croissance de la consommation globale (doublement dans les $40$ dernières années) est directement liée au modèle industriel de production et de consommation des sociétés. En moyenne mondiale, cette énergie est utilisée à parts comparables par le secteur industriel, les transports, le secteur de l'habitat et dans une moindre mesure par le secteur agricole.

Trois faits, donc, qu'il faut tenir ensemble.

Les fossiles dominent, et de très loin.

Charbon, pétrole et gaz naturel fournissent ensemble environ quatre cinquièmes de l'énergie primaire mondiale. Cette part a très peu bougé en cinquante ans : les énergies bas carbone se sont ajoutées à la consommation plutôt qu'elles ne s'y sont substituées. C'est l'un des constats les plus dérangeants du dossier énergie-climat, et il est purement factuel.

La consommation a doublé en quarante ans.

Non parce que chaque individu consommerait deux fois plus, mais parce que la population a augmenté et que des centaines de millions de personnes sont entrées dans un mode de vie industriel. Le lien est direct : produire des biens, les transporter, chauffer et refroidir des bâtiments, nourrir huit milliards d'humains, tout cela demande de l'énergie.

La répartition est très inégale.

Un habitant d'Amérique du Nord consomme de l'ordre de vingt fois plus d'énergie qu'un habitant d'Afrique subsaharienne. Cette inégalité est au cœur de toutes les négociations climatiques : les pays qui ont le plus émis historiquement ne sont pas ceux qui subiront le plus les conséquences, et ceux qui souhaitent aujourd'hui se développer n'ont pas émis grand-chose.

À gauche, la part de chaque ressource dans l'énergie primaire

mondiale ; à droite, la consommation par habitant selon les régions (ordres de grandeur du milieu des années $2020$ ). Quatre cinquièmes de l'énergie mondiale sont d'origine fossile, et un habitant d'Amérique du Nord en consomme plus de vingt fois davantage qu'un habitant d'Afrique subsaharienne.</div>

Exemple 6.4À quoi sert cette énergie ?

En moyenne mondiale, l'énergie finale se répartit à peu près ainsi : le secteur industriel (production de matériaux, chimie, sidérurgie) en absorbe environ $30 %$ , les transports environ $30 %$ , l'habitat et le tertiaire (chauffage, cuisson, éclairage, appareils) environ $30 %$ également, et l'agriculture quelques pour cent — chiffre qui paraît faible mais qui néglige l'énergie contenue dans les engrais azotés et dans la transformation des aliments, comptées ailleurs. Les trois premiers secteurs sont donc du même ordre : il n'y a pas de « coupable » unique, ce qui interdit les solutions à un seul levier.

6.3.2 Stocks et flux : deux natures de ressources

Proposition 6.5Stocks et flux

Les énergies primaires sont disponibles sous forme de stocks (combustibles fossiles, uranium) et de flux (radiatif solaire, géothermique et des marées).

Définition 6.6Ressource de stock, ressource de flux

Une ressource de stock existe en quantité finie, constituée dans le passé ; en prélever diminue ce qui reste. Une ressource de flux est renouvelée en permanence par un processus extérieur ; en prélever ne diminue pas ce qui sera disponible demain. La distinction n'est pas une question de quantité : un stock peut être énorme, un flux peut être faible.

Trois flux seulement alimentent la Terre en énergie, et ils ont trois origines physiques distinctes.

Le flux radiatif solaire, $1, 7 \times 1 0^{17}$ W interceptés par la planète, est de loin le plus important. Il alimente non seulement le photovoltaïque et le solaire thermique, mais aussi, indirectement, le vent, le cycle de l'eau (donc l'hydraulique) et la photosynthèse (donc la biomasse).
Le flux géothermique, de l'ordre de $4 \times 1 0^{13}$ W, vient de la chaleur interne du globe, elle-même entretenue par la radioactivité naturelle des roches et par la chaleur résiduelle de la formation de la Terre.
Le flux des marées, quelques $1 0^{12}$ W, vient de l'énergie de rotation du système Terre-Lune. Il est le seul dont l'origine soit gravitationnelle.

Deux natures de ressources énergétiques. Le stock se vide, le

flux se renouvelle. Toute la question de la transition énergétique tient dans le passage de la colonne de gauche à celle de droite — sachant que l'uranium est un stock et que la biomasse, renouvelable, ne l'est qu'à la vitesse où elle repousse.</div>

iRemarqueOù ranger le nucléaire et la biomasse ?

L'uranium est un stock : les réserves connues se comptent en dizaines d'années au rythme actuel, davantage si l'on développe des réacteurs capables d'utiliser l'uranium 238 ou le thorium. Le nucléaire est donc bas carbone sans être renouvelable — deux propriétés distinctes que le débat public confond souvent. La biomasse, elle, est un flux tant qu'on ne la prélève pas plus vite qu'elle ne repousse ; au-delà, elle redevient un stock que l'on épuise. C'est exactement ce qui s'est produit dans l'Europe préindustrielle, où les forêts ont reculé jusqu'à ce que le charbon prenne le relais.

Méthode : Exploiter des données de production et d'utilisation d'énergie

Devant un tableau ou un graphique de données énergétiques :

Lire le titre et l'unité. Énergie primaire ou finale ? Électricité seule ou énergie totale ? Les deux se confondent constamment dans la presse, et l'électricité ne représente qu'environ un cinquième de l'énergie finale mondiale.
Repérer l'échelle : monde, pays, région, individu. Une valeur par habitant et une valeur absolue racontent deux histoires différentes — la Chine est le premier émetteur du monde et se situe pourtant sous la moyenne européenne pour les émissions cumulées par habitant.
Distinguer part et valeur absolue. La part du charbon dans le mix mondial a baissé alors que la quantité de charbon brûlée a augmenté : les deux affirmations sont vraies simultanément.
Chercher la période. Une évolution sur cinq ans et une évolution sur quarante ans ne se comparent pas.
Rapporter à un ordre de grandeur familier pour donner du sens : une tep, c'est environ un an de consommation électrique d'un ménage français.

$\leftrightarrow$ Organisation et exploitation de données ; lectures graphiques ; grandeurs quotients : passer d'une donnée totale à une donnée « par habitant » est une division qui change radicalement le classement.

6.4 Le cycle du carbone : d'où viennent les combustibles fossiles

6.4.1 Le savoir : des réservoirs, des flux, et des durées

Proposition 6.7Le cycle biogéochimique du carbone

Le carbone est stocké dans plusieurs réservoirs superficiels. L'élément carbone circule entre ces différents réservoirs terrestres, constituant le cycle du carbone. Les combustibles fossiles se sont formés à partir du carbone contenu dans la matière organique des êtres vivants, résultant de la réduction du $CO_{2}$ par photosynthèse il y a plusieurs dizaines à plusieurs centaines de millions d'années. Ils ne se renouvellent pas suffisamment vite pour que les stocks se reconstituent : ces ressources en énergie sont qualifiées de non renouvelables.

Définition 6.8Réservoir, flux, cycle biogéochimique

Un réservoir est un compartiment où un élément séjourne : l'atmosphère, l'océan, les sols, la biomasse, les roches. Un flux est une quantité transférée d'un réservoir à un autre par unité de temps ; il se mesure ici en gigatonnes de carbone par an (GtC/an). Un cycle biogéochimique est l'ensemble des réservoirs et des flux d'un élément à l'échelle de la planète — « bio » parce que le vivant y intervient, « géo » parce que la géologie aussi.

iRemarqueCarbone ou dioxyde de carbone ? une source d'erreurs

Les scientifiques comptent tantôt en tonnes de carbone (GtC), tantôt en tonnes de dioxyde de carbone (GtCO $_{2}$ ). Le rapport des masses molaires donne le facteur de conversion : $\frac{M ( CO _{2} )}{M ( C )} = \frac{44}{12} \approx 3, 67.$ Une gigatonne de carbone correspond donc à $3, 67$ gigatonnes de dioxyde de carbone. Les émissions humaines valent environ $11$ GtC/an, soit environ $40$ GtCO $_{2}$ /an : le même fait, deux nombres qui diffèrent d'un facteur près de quatre. Toujours vérifier l'unité avant de comparer deux sources.

Le cycle du carbone. Les flux naturels sont énormes

( $120$ GtC/an pour la seule photosynthèse) mais presque équilibrés ; le flux humain est petit ( $11$ GtC/an) mais il n'est compensé par rien. C'est ce déséquilibre, et non la taille du flux, qui fait monter la concentration de $CO_{2}$ dans l'air.</div>

6.4.2 Savoir-faire : lire un schéma du cycle du carbone

Méthode : Analyser un schéma du cycle biogéochimique du carbone

Séparer les stocks des flux. Un stock s'exprime en GtC, un flux en GtC par an. Les confondre est l'erreur la plus fréquente, et elle rend le schéma incompréhensible.
Classer les réservoirs par taille. Océan profond ( $\approx 37000$ ) $≫$ sols ( $\approx 1700$ ) $>$ fossiles ( $\approx 1000$ ) $>$ atmosphère ( $\approx 880$ ) $\approx$ océan de surface $>$ végétation. Le plus petit réservoir n'est pas le moins important : c'est justement parce que l'atmosphère est petite qu'un flux modeste y produit un effet mesurable.
Repérer les flux naturels et vérifier qu'ils s'équilibrent presque. La photosynthèse ( $120$ ) et la respiration ( $118$ ) se compensent à quelques unités près ; il en va de même pour les échanges avec l'océan.
Identifier les flux anthropiques : combustion des fossiles et changement d'usage des sols. Ils sont à sens unique : rien ne renvoie le carbone dans le sous-sol à la même vitesse.
Faire le bilan de l'atmosphère : entrées moins sorties. Le résultat, environ $+ 5$ GtC par an, est exactement ce que mesurent les observatoires depuis $1958$ .
Conclure sur les durées avant de conclure sur les quantités.

Méthode : Citer les ordres de grandeur des durées des transformations du
carbone</h4><div class="text-gray-700 leading-relaxed font-sans text-xs select-text"> Le carbone ne circule pas partout à la même vitesse, et c'est la clé du problème. Quatre échelles de temps sont à connaitre, et à citer chaque fois qu'on discute du caractère renouvelable d'une ressource.

Années à décennies : cycle rapide entre l'atmosphère, la végétation et l'océan de surface. Une feuille pousse et se décompose en une saison.
Siècles à millénaires : brassage avec l'océan profond, lié à la circulation océanique, dont un tour complet demande de l'ordre de mille ans.
Dizaines à centaines de millions d'années : formation des combustibles fossiles à partir de matière organique enfouie. Les grands gisements de charbon se sont constitués au Carbonifère, il y a environ $300$ millions d'années ; l'essentiel des pétroles provient de matière organique marine déposée entre $180$ et $90$ millions d'années avant le présent.
Centaines de milliers à millions d'années : altération des roches silicatées et sédimentation des carbonates, qui constituent le thermostat géologique de la planète.

La règle de lecture : une ressource est renouvelable si la durée de sa reconstitution est comparable à celle de son usage. Les trois premières lignes autorisent des usages durables ; la troisième, celle des fossiles, l'interdit par un facteur d'un million.

iRemarqueLa vraie définition de « non renouvelable »

On dit souvent que les combustibles fossiles sont non renouvelables parce qu'« il n'y en a pas beaucoup ». C'est inexact : la raison est une question de vitesse. Ils se reconstituent — la matière organique continue de s'enfouir dans les deltas et les fonds marins — mais à un rythme des millions de fois plus lent que celui auquel nous les brûlons. En un an, l'humanité consomme ce que la photosynthèse et l'enfouissement ont mis de l'ordre du million d'années à mettre de côté. Le problème n'est pas la quantité : c'est le rapport entre deux durées.

6.5 Brûler : ce que la combustion libère

6.5.1 Le savoir : du dioxyde de carbone, et bien d'autres choses

Proposition 6.9Les produits de la combustion et leurs effets

La combustion de carburants fossiles et de biomasse libère du dioxyde de carbone, également des aérosols et d'autres substances ( $N_{2} O$ , $O_{3}$ , suies, produits soufrés) qui affectent la qualité de l'air inhalé et la santé.

Définition 6.10Combustion

Une combustion est une réaction d'oxydoréduction rapide et exothermique entre un combustible et un comburant, le plus souvent le dioxygène de l'air. Une combustion complète d'un hydrocarbure ne produit que du dioxyde de carbone et de l'eau ; une combustion incomplète, par manque de dioxygène, produit en outre du monoxyde de carbone $CO$ — un gaz inodore et mortel — et des particules de carbone imbrûlé, les suies.

Méthode : Ajuster l'équation d'une combustion par le dioxygène

Écrire les produits d'abord : un hydrocarbure $C_{x} H_{y}$ donne $CO_{2}$ et $H_{2} O$ .
Ajuster le carbone : $x$ molécules de $CO_{2}$ .
Ajuster l'hydrogène : $y /2$ molécules d'eau.
Ajuster l'oxygène en dernier, puisqu'il figure dans les deux produits : il en faut $x + y /4$ molécules de $O_{2}$ .
Chasser les fractions en multipliant toute l'équation par $2$ si nécessaire.
Vérifier atome par atome, sans exception.

Exemple 6.11Quatre combustions à connaître

$carbone (charbon) : m e ˊ thane (gaz naturel) : octane (essence) : e ˊ thanol (biocarburant) : C + O X_{2} CO X_{2} CH X_{4} + 2 O X_{2} CO X_{2} + 2 H X_{2} O 2 C X_{8} H X_{18} + 25 O X_{2} 16 CO X_{2} + 18 H X_{2} O C X_{2} H X_{5} OH + 3 O X_{2} 2 CO X_{2} + 3 H X_{2} O$

Vérification sur l'octane : à gauche $16$ C, $36$ H, $50$ O ; à droite $16$ C, $36$ H, $32 + 18 = 50$ O. L'équation est ajustée.

6.5.2 Combien de dioxyde de carbone par unité d'énergie ?

Tous les combustibles ne se valent pas. Ce qui décide, c'est le rapport entre le carbone et l'hydrogène de la molécule : brûler un atome de carbone donne du $CO_{2}$ , brûler deux atomes d'hydrogène ne donne que de l'eau. Un combustible riche en hydrogène émet donc moins de $CO_{2}$ pour la même énergie.

Méthode : Comparer la masse de $CO_{2}$ produite par unité
d'énergie</h4><div class="text-gray-700 leading-relaxed font-sans text-xs select-text">

Écrire l'équation de combustion ajustée pour une mole de combustible.
Lire le nombre de moles de $CO_{2}$ produites par mole de combustible, et en déduire la masse : $m = n \times 44$ g $\cdot$ mol $^{- 1}$ .
Relever l'énergie libérée par mole ou par kilogramme (donnée de l'énoncé).
Diviser : masse de $CO_{2}$ par énergie libérée. Le résultat est une grandeur quotient, en g $\cdot$ MJ $^{- 1}$ ou en g $\cdot$ kWh $^{- 1}$ — c'est elle, et elle seule, qui permet de comparer deux combustibles.
Convertir si besoin : $1$ kWh $= 3, 6$ MJ, donc $1$ g $\cdot$ MJ $^{- 1} = 3, 6$ g $\cdot$ kWh $^{- 1}$ .

$\leftrightarrow$ Grandeurs quotients : « émettre moins » n'a de sens qu'à énergie égale. Comparer des masses absolues de $CO_{2}$ sans rapporter à l'énergie produite ne prouve rien.

À gauche, la masse de dioxyde de carbone libérée par

kilowattheure de chaleur, pour trois combustibles : le gaz émet environ $40 %$ de moins que le charbon, parce que sa molécule est riche en hydrogène. À droite, les valeurs médianes retenues par le GIEC pour un kilowattheure d'électricité, en tenant compte de tout le cycle de vie : l'écart entre les filières fossiles et les autres atteint alors deux ordres de grandeur.</div>

Exemple 6.12Le calcul, en entier, pour le méthane

$CH X_{4} + 2 O X_{2} CO X_{2} + 2 H X_{2} O$ . Une mole de méthane ( $16$ g) donne une mole de $CO_{2}$ ( $44$ g) et libère environ $800$ kJ. Donc $\frac{44 g}{800 kJ} = 55 g \cdot MJ^{- 1} = 55 \times 3, 6 \approx 198 g \cdot kWh^{- 1} .$ Pour le carbone pur, $C + O X_{2} CO X_{2}$ : $12$ g donnent $44$ g de $CO_{2}$ en libérant $394$ kJ, soit $112$ g $\cdot$ MJ $^{- 1}$ , environ $400$ g $\cdot$ kWh $^{- 1}$ . Les charbons réels, qui contiennent un peu d'hydrogène, tombent vers $340$ g $\cdot$ kWh $^{- 1}$ . Le classement charbon $>$ pétrole $>$ gaz ne dépend donc pas d'un choix d'expert : il se déduit de la formule chimique.

6.5.3 L'autre visage de la combustion : la qualité de l'air

Le dioxyde de carbone n'est pas toxique aux concentrations de l'air ambiant : son problème est climatique, et il est global. Mais une combustion libère bien d'autres choses, dont les effets sont immédiats, locaux et sanitaires.

Les particules fines, classées selon leur diamètre : $PM_{10}$ (moins de $10$ micromètres) et $PM_{2, 5}$ (moins de $2, 5$ micromètres). Les plus petites franchissent les défenses des voies respiratoires et atteignent les alvéoles pulmonaires, voire le sang. Elles proviennent des moteurs, du chauffage au bois et au fioul, de l'industrie et de l'agriculture.
Les oxydes d'azote ( $NO$ et $NO_{2}$ ), formés à haute température par réaction entre le diazote et le dioxygène de l'air. Irritants, ils sont aussi le point de départ de la formation de l'ozone troposphérique.
Le protoxyde d'azote $N_{2} O$ , gaz à effet de serre au pouvoir de réchauffement plusieurs centaines de fois supérieur à celui du $CO_{2}$ à masse égale, issu surtout des sols agricoles fertilisés.
Les produits soufrés ( $SO_{2}$ ), responsables des pluies acides. Leur réduction depuis les années $1980$ est l'un des succès incontestés des politiques de l'air en Europe.
Les suies, carbone imbrûlé, qui noircissent les poumons et, déposées sur la neige et la glace, en abaissent l'albédo — elles réchauffent donc aussi le climat.

iRemarqueL'ordre de grandeur sanitaire

L'Organisation mondiale de la santé attribue à la pollution de l'air, intérieure et extérieure confondues, de l'ordre de sept millions de décès prématurés par an dans le monde. En France, Santé publique France a estimé, dans une étude publiée en $2021$ , à environ $40000$ le nombre de décès prématurés annuels attribuables à l'exposition aux particules fines $PM_{2, 5}$ . L'Organisation mondiale de la santé a par ailleurs abaissé en $2021$ ses lignes directrices, ramenant la valeur guide annuelle pour les $PM_{2, 5}$ de $10$ à $5$ microgrammes par mètre cube. Ces estimations reposent sur des études épidémiologiques : on ne peut pas faire d'expérience en exposant volontairement des populations, on compare donc des groupes réels et l'on corrige statistiquement des autres facteurs. C'est une méthode robuste, mais qui fournit des attributions statistiques et non des causes individuelles — aucun de ces décès ne porte l'étiquette « pollution ».

Méthode : Exploiter un document épidémiologique

Repérer la population, la période et l'exposition étudiées. Une étude sur des mineurs de fond ne se transpose pas telle quelle à la population générale.
Distinguer corrélation et causalité. Une association statistique entre pollution et mortalité ne suffit pas ; on la renforce par la relation dose-effet (plus l'exposition est forte, plus l'effet est grand), par la cohérence entre études indépendantes et par un mécanisme biologique plausible.
Chercher les facteurs de confusion : le tabac, l'âge, le revenu, la profession. Une étude sérieuse dit comment elle les a pris en compte.
Lire l'intervalle de confiance, pas seulement la valeur centrale : « $40000$ décès » signifie en réalité une fourchette.
Ne pas conclure au cas individuel. L'épidémiologie décrit des populations. Elle ne dit jamais pourquoi telle personne est tombée malade.

6.5.4 Deux ozones qu'il ne faut pas confondre

Définition 6.13Ozone stratosphérique et ozone troposphérique

L'ozone $O_{3}$ est la même molécule partout. Son rôle dépend entièrement de son altitude.

Dans la stratosphère (entre $15$ et $35$ km environ), il forme la « couche d'ozone », qui contient environ $90 %$ de l'ozone atmosphérique et absorbe les ultraviolets de type B, nocifs pour le vivant. C'est un ozone protecteur, menacé au XX^e siècle par les chlorofluorocarbures, dont le protocole de Montréal, signé le $16$ septembre $1987$ , a organisé l'élimination.

Dans la troposphère (de la surface à une dizaine de kilomètres), il est un polluant secondaire : il n'est pas émis directement, il se forme sous l'action du rayonnement solaire à partir des oxydes d'azote et des composés organiques volatils issus des transports et de l'industrie. Il irrite les voies respiratoires, réduit les rendements agricoles, et culmine lors des épisodes ensoleillés et chauds. C'est un ozone nuisible.

Méthode : Distinguer ozone stratosphérique et ozone troposphérique

Devant un document ou un titre de presse, trancher par trois questions.

À quelle altitude ? Au-dessus de $15$ km : stratosphérique. Au ras du sol : troposphérique.
Excès ou déficit ? Le problème stratosphérique est un manque d'ozone (le « trou »), causé par les chlorofluorocarbures ; le problème troposphérique est un excès, causé par le trafic et l'industrie.
Quel effet ? En haut, l'ozone protège du rayonnement ultraviolet B. En bas, il irrite les voies respiratoires et abaisse les rendements agricoles.

Retenir la formule : bon en haut, mauvais en bas — et se souvenir que l'ozone du bas ne monte pas rejoindre celui du haut : ce sont deux compartiments et deux problèmes distincts.

Répartition de l'ozone selon l'altitude. Le maximum de

concentration se situe vers $25$ kilomètres : c'est la couche protectrice. Le petit renflement au ras du sol est l'ozone de pollution, produit les jours ensoleillés au-dessus des villes et des zones industrielles. Confondre les deux conduit à des contresens fréquents dans la presse.</div>

6.6 L'empreinte carbone

6.6.1 Le savoir : compter ce qu'on émet vraiment

Proposition 6.14L'empreinte carbone

L'empreinte carbone d'une activité ou d'une personne est la masse de $CO_{2}$ produite directement ou indirectement par sa consommation d'énergie et/ou de matière première.

Le mot décisif est indirectement. Un smartphone n'émet rien dans votre poche, mais son extraction minière, sa fabrication en Asie, son transport et sa fin de vie ont émis ; un repas n'émet rien dans l'assiette, mais l'engrais, le tracteur, l'élevage, la chaîne du froid et l'emballage ont émis. L'empreinte carbone cherche à imputer à celui qui consomme l'ensemble des émissions provoquées par sa consommation, où qu'elles aient eu lieu.

Définition 6.15Émissions territoriales, empreinte carbone,

$CO_{2}$ équivalent</div><div class='text-gray-700 leading-relaxed font-sans text-xs select-text'> Les émissions territoriales d'un pays sont celles qui se produisent sur son sol. L'empreinte carbone de ses habitants ajoute les émissions des biens importés et retranche celles des biens exportés.

Pour additionner des gaz différents, on convertit chacun en masse de dioxyde de carbone équivalent ( $CO_{2}$ éq.) au moyen de son pouvoir de réchauffement global : le méthane vaut environ $28$ fois le $CO_{2}$ à masse égale sur cent ans, le protoxyde d'azote plusieurs centaines de fois.

iRemarqueUn écart qui n'est pas un détail comptable

En France, les émissions territoriales représentent de l'ordre de cinq à six tonnes de $CO_{2}$ équivalent par habitant et par an, tandis que l'empreinte carbone, importations comprises, avoisine neuf tonnes. L'écart, près de la moitié en plus, correspond aux émissions que nous avons délocalisées avec nos usines. Un pays peut donc afficher une baisse de ses émissions territoriales tout en ayant simplement importé davantage. C'est pourquoi les deux indicateurs sont publiés, et pourquoi il faut toujours demander lequel est utilisé.

Décomposition d'une empreinte carbone moyenne en France

(ordres de grandeur) et comparaison avec le budget d'environ deux tonnes souvent avancé. Aucun poste ne suffit à lui seul : même en supprimant entièrement les transports, on resterait au-dessus du trait. C'est ce qui rend la question à la fois individuelle et collective.</div>

Méthode : Analyser une empreinte carbone et proposer des actions

Fixer le périmètre. Une personne, un produit, un établissement ? Sur quelle durée ? Émissions directes seules ou cycle de vie complet ?
Décomposer par poste et classer par ordre décroissant. On agit d'abord là où c'est gros — pas là où c'est visible.
Rapporter à un service rendu. Un kilogramme de bœuf et un kilogramme de lentilles ne se comparent qu'à apport nutritionnel comparable ; un déplacement se compare par passager-kilomètre.
Distinguer efficacité et sobriété. Améliorer le rendement d'un appareil (efficacité) et l'utiliser moins (sobriété) sont deux leviers distincts, et le premier est parfois annulé par le second : c'est l'effet rebond, bien documenté, où le gain d'efficacité est repris par un usage accru.
Se méfier de la compensation. Planter des arbres déplace du carbone vers un réservoir dont le temps de résidence se compte en décennies, alors que le carbone fossile en était sorti pour des millions d'années. La compensation n'est pas l'inverse d'une émission ; elle en atténue l'effet, sur un horizon plus court, et seulement si la plantation survit.
Vérifier l'ordre de grandeur du geste proposé. Éteindre les veilles économise quelques dizaines de kilogrammes par an ; renoncer à un vol transatlantique, plus d'une tonne. Les deux sont utiles, ils ne pèsent pas le même poids.

Exemple 6.16Quelques ordres de grandeur, à titre de comparaison

Un aller-retour Paris--New York en avion représente de l'ordre de $1, 5$ à $2$ tonnes de $CO_{2}$ équivalent par passager. Quinze mille kilomètres par an en voiture thermique moyenne, environ $2$ tonnes. Un an de chauffage au gaz d'un logement mal isolé, environ $2$ tonnes également. À l'échelle des aliments, un kilogramme de viande de bœuf pèse plusieurs dizaines de kilogrammes de $CO_{2}$ équivalent, un kilogramme de volaille quelques kilogrammes, un kilogramme de légumineuses environ un kilogramme. L'écart entre ces trois derniers chiffres tient surtout à la fermentation entérique des ruminants, qui produit du méthane, et à la surface de fourrage nécessaire.

6.7 Les scénarios : ce que la science dit, et ce qu'elle ne dit pas

6.7.1 Le savoir

Proposition 6.17Scénarios, critères de choix et inertie

Les scénarios de transition écologique font différentes hypothèses sur la quantité de GES émise dans le futur. Ils évaluent les changements prévisibles, affectant les écosystèmes et les conditions de vie des êtres humains, principalement les plus vulnérables. Les projections fournies par les modèles permettent de définir les aléas et peuvent orienter les prises de décision.

Dans le domaine énergétique, le choix des mesures d'adaptation et d'atténuation doit tenir compte de nombreux critères et paramètres : disponibilité des ressources et adéquation aux besoins, effets (climatique, écologique, sanitaire, agricole), vulnérabilités et gestion des risques, faisabilité, conséquences économiques et sociales.

Les durées longues, liées à l'inertie de certains systèmes (infrastructures énergétiques, transports, production industrielle), sont à confronter à l'urgence de l'action.

La transition écologique des sociétés repose sur la créativité scientifique et technologique (recherche de diversification ou d'évolution des ressources, mix énergétique, etc.) et sur l'évolution des comportements individuels et collectifs (consommation, déplacements, etc.).

Définition 6.18Scénario, atténuation, adaptation, aléa, vulnérabilité,

risque</div><div class='text-gray-700 leading-relaxed font-sans text-xs select-text'> Un scénario n'est pas une prévision : c'est une hypothèse cohérente sur l'évolution des sociétés (démographie, économie, technologies, politiques), dont on déduit une trajectoire d'émissions, que l'on donne ensuite à manger aux modèles de climat. Un scénario répond à « si nous faisons ceci, alors… », jamais à « voici ce qui arrivera ».

L'atténuation consiste à réduire les émissions pour limiter l'ampleur du changement. L'adaptation consiste à modifier nos sociétés pour en supporter les effets. Les deux sont nécessaires et ne s'opposent pas.

Le risque combine trois composantes : l'aléa (l'évènement possible : une canicule, une inondation), l'exposition (les biens et les personnes qui s'y trouvent) et la vulnérabilité (leur capacité à en subir ou non les conséquences). Le même aléa ne produit pas le même risque selon le lieu et selon les moyens dont on dispose.

Trajectoires de réchauffement à l'horizon

2100

selon cinq

scénarios socio-économiques du sixième rapport du GIEC (valeurs centrales pour la période $2081$ - $2100$ ). Le passé est commun à tous ; c'est l'avenir qui se sépare en éventail — et cet éventail ne dépend pas de la physique, mais de nos décisions. Seul le scénario le plus exigeant ramène la température sous $1, 5^{\circ}$ C à la fin du siècle, après l'avoir dépassée.</div>

6.7.2 Ce que le faisceau de trajectoires signifie

Regardez la figure ci-dessus. Elle contient trois messages qu'il faut savoir distinguer.

Premièrement, le passé est unique. Toutes les courbes se superposent jusqu'en $2020$ : c'est de l'observation, pas de la modélisation. Le réchauffement observé sur la décennie $2011$ - $2020$ par rapport à la période $1850$ - $1900$ est d'environ $1, 1^{\circ}$ C. Le service européen Copernicus a annoncé en janvier $2025$ que $2024$ avait été la première année civile dont la température moyenne mondiale dépassait $1, 5^{\circ}$ C au-dessus du niveau préindustriel ; une année isolée ne constitue pas un franchissement du seuil de l'accord de Paris, qui porte sur des moyennes pluriannuelles, mais elle indique où nous en sommes.

Deuxièmement, l'écart entre les branches n'est pas une incertitude scientifique. Il ne traduit pas notre ignorance du climat : il traduit notre ignorance de nos propres choix. Chaque branche correspond à une histoire possible de l'humanité. L'incertitude proprement scientifique, elle, apparaît sous forme d'une fourchette autour de chaque branche — de l'ordre de $\pm 0, 5$ à $\pm 1, 5^{\circ}$ C selon le scénario.

Troisièmement, les branches divergent tard. Jusque vers $2040$ , elles sont presque confondues : le climat des vingt prochaines années est déjà largement déterminé par les émissions passées et par l'inertie des océans. Ce qui se joue aujourd'hui, ce n'est pas $2040$ — c'est $2100$ . Cette dissociation entre le moment de l'action et le moment de l'effet est la difficulté politique centrale du dossier climatique, et elle est de nature scientifique.

iRemarqueL'inertie, en trois exemples

Une centrale à charbon construite aujourd'hui fonctionnera quarante ans. Un bâtiment est là pour un siècle. Un réseau ferroviaire, une usine sidérurgique, un parc automobile se renouvellent en vingt à cinquante ans. Ces durées ne sont pas modifiables par décret : elles sont des propriétés physiques et économiques des objets. C'est pourquoi les scénarios insistent sur la notion de verrouillage : chaque infrastructure fossile mise en service engage des émissions pour des décennies. Confronter ces durées longues à l'urgence de l'action est exactement ce que demande le programme, et c'est aussi ce qui rend l'exercice si difficile.

Méthode : Analyser un extrait de rapport du GIEC ou d'accord international

Identifier le groupe de travail. Le GIEC en compte trois : le premier établit les bases physiques, le deuxième les impacts et l'adaptation, le troisième l'atténuation. Un extrait du groupe III parle de politiques, pas de physique.
Repérer le vocabulaire de la confiance. Le GIEC emploie une échelle codifiée : « pratiquement certain » ( $99$ à $100 %$ ), « très probable » ( $90$ à $100 %$ ), « probable » ( $66$ à $100 %$ ). Ces mots ont un sens quantitatif précis, ce ne sont pas des précautions de style.
Distinguer constat, projection et recommandation. Le GIEC n'édicte pas de politique : il est policy-relevant sans être policy-prescriptive. Un texte qui lui fait dire « il faut » est mal cité.
Vérifier le scénario de référence : une phrase sur l'élévation du niveau de la mer n'a de sens qu'accompagnée du scénario et de l'horizon temporel.
Pour un accord international, séparer l'objectif, les moyens et les mécanismes de contrôle. L'accord de Paris, adopté le $12$ décembre $2015$ et entré en vigueur le $4$ novembre $2016$ , fixe un objectif — contenir le réchauffement « nettement en dessous » de $2^{\circ}$ C et poursuivre l'effort vers $1, 5^{\circ}$ C — mais laisse chaque pays définir sa contribution, sans sanction.

6.7.3 Le cas du nucléaire français : analyser un choix énergétique majeur

Le programme demande explicitement d'analyser « d'un point de vue global les incidences de choix énergétiques majeurs : exemple du nucléaire en France ». L'exercice est un cas d'école, parce qu'il fait apparaître tous les critères à la fois.

Le choix. Après le choc pétrolier d'octobre $1973$ , la France, qui n'a ni pétrole ni charbon en quantité, lance en mars $1974$ un programme de construction de réacteurs à eau pressurisée d'une ampleur sans équivalent. En une quinzaine d'années, l'essentiel du parc est bâti.

Les conséquences favorables. La France produit aujourd'hui environ deux tiers de son électricité à partir de l'énergie nucléaire, et son électricité figure parmi les moins carbonées d'Europe — quelques dizaines de grammes de $CO_{2}$ équivalent par kilowattheure, contre plusieurs centaines chez des voisins encore fortement charbonniers. Sa dépendance aux importations d'énergie a fortement diminué, et le prix de l'électricité a longtemps été inférieur à la moyenne européenne.

Les conséquences défavorables ou incertaines. Les déchets de haute activité, qui représentent une part infime du volume mais l'essentiel de la radioactivité, attendent une solution de très long terme. Le risque d'accident majeur, faible mais non nul, engage un territoire entier. L'uranium est importé en totalité. Le refroidissement des centrales dépend des débits des fleuves, que les sécheresses réduisent. Le renouvellement du parc, enfin, se heurte à des durées de construction très longues : le réacteur EPR de Flamanville, dont le chantier a débuté en décembre $2007$ , n'a été couplé au réseau que le $21$ décembre $2024$ .

La lecture. Ce dossier illustre trois traits généraux. D'abord, un choix énergétique engage un demi-siècle : décidé en $1974$ , il structure encore le pays cinquante ans plus tard. Ensuite, aucun critère ne domine les autres : le nucléaire est excellent sur le carbone, discutable sur les déchets, et son évaluation dépend du poids qu'on accorde à chacun. Enfin, un même fait sert les deux camps : « la France a l'électricité la moins carbonée d'Europe » et « la France ne sait pas quoi faire de ses déchets à vie longue » sont tous les deux exacts. Un débat honnête commence quand on accepte les deux.

Méthode : Discuter les incidences de l'augmentation du $CO_{2}$ sur
le développement de la végétation</h4><div class="text-gray-700 leading-relaxed font-sans text-xs select-text">

Reconnaitre l'effet direct : le $CO_{2}$ est le substrat de la photosynthèse ; à autres facteurs constants, en augmenter la teneur augmente la production de biomasse. C'est l'effet dit fertilisant, et les satellites observent bien un verdissement d'une part importante des surfaces végétalisées.
Chercher le facteur limitant : azote, phosphore, eau, température. Une plante ne croit pas au-delà de ce que le facteur le plus rare lui permet ; l'effet fertilisant plafonne donc.
Distinguer quantité et qualité : à teneur élevée en $CO_{2}$ , la concentration en protéines, en zinc et en fer des céréales et des légumineuses diminue.
Ajouter les effets indirects du même $CO_{2}$ : hausse des températures, vagues de chaleur, sécheresses, déplacement des aires de culture et des ravageurs.
Conclure par un bilan, jamais par le seul effet direct. Les projections agricoles globales sont défavorables, et d'autant plus qu'on s'approche des tropiques.

Méthode : Analyser d'un point de vue global les incidences d'un choix
énergétique majeur</h4><div class="text-gray-700 leading-relaxed font-sans text-xs select-text">

Reconstituer le contexte de la décision : quand, pourquoi, sous quelle contrainte ? Le motif d'origine n'est pas toujours celui qu'on lui prête aujourd'hui.
Dresser deux colonnes, conséquences favorables et défavorables, sans en escamoter aucune.
Rapporter chaque conséquence à une grandeur : émissions par kWh, coût par kWh, surface, nombre de personnes exposées, durée.
Prendre en compte toute la chaîne, de l'extraction de la ressource au démantèlement, et pas seulement le fonctionnement.
Évaluer l'inertie : sur combien de décennies la décision engage-t-elle ?
Nommer explicitement ce qui relève d'un arbitrage et qui en est responsable. Un dossier bien analysé se termine par une liste de questions posées aux citoyens, pas par un verdict.

Méthode : Analyser un choix énergétique local dans une étude de cas

Disponibilité de la ressource et adéquation au besoin. Y a-t-il du vent, du soleil, une rivière, une ressource géothermique ? Le besoin est-il de la chaleur ou de l'électricité, en continu ou en pointe ?
Effets climatiques : émissions évitées ou ajoutées, en cycle de vie, et par rapport à quoi ? Un projet « évite » toujours par rapport à une référence qu'il faut expliciter.
Effets écologiques, sanitaires et agricoles : biodiversité, qualité de l'air et de l'eau, terres mobilisées, nuisances.
Vulnérabilités et gestion des risques : que se passe-t-il en cas de panne, de canicule, d'inondation ? Qui est exposé ?
Faisabilité : technique, foncière, réglementaire, calendaire.
Conséquences économiques et sociales : coût, emplois créés et détruits, répartition des bénéfices et des nuisances entre les habitants.
Conclure en séparant les faits des arbitrages, et en nommant qui décide.

iRemarqueLe

CO_{2}

fait-il pousser les plantes ?

Oui, en partie, et c'est un argument fréquemment avancé. Le dioxyde de carbone est bien le substrat de la photosynthèse, et les satellites observent depuis les années $1980$ un « verdissement » d'une part notable des surfaces végétalisées du globe. Mais trois faits limitent la portée de ce constat. D'abord, la croissance d'une plante est bornée par son facteur limitant : si l'azote, le phosphore ou l'eau manquent, ajouter du $CO_{2}$ ne fait plus rien. Ensuite, des travaux publiés en $2014$ ont montré qu'à teneur élevée en $CO_{2}$ , les céréales et les légumineuses voient baisser leur concentration en protéines, en zinc et en fer : plus de biomasse, moins de qualité nutritionnelle. Enfin, le même $CO_{2}$ réchauffe et modifie les précipitations, ce qui provoque sécheresses et vagues de chaleur dont l'effet sur les rendements agricoles est négatif. L'affirmation de départ est exacte ; la conclusion qu'on veut lui faire porter ne l'est pas. C'est le mécanisme rhétorique classique du vrai partiel, et il vaut la peine de savoir le reconnaitre.

6.8 Histoire des sciences : du $CO_{2}$ au GIEC

6.8.1 Deux siècles pour établir un lien

$1824$ — Fourier pose la question. Joseph Fourier, dans son Mémoire sur les températures du globe terrestre et des espaces planétaires, s'étonne : la Terre devrait être bien plus froide qu'elle ne l'est, compte tenu du rayonnement qu'elle reçoit. Il attribue l'écart à l'atmosphère, qui laisse passer la lumière du Soleil mais retient la chaleur émise par le sol. Il n'identifie aucun gaz : il pose un problème.

$1856$ — Eunice Newton Foote mesure. Aux États-Unis, Eunice Newton Foote place au soleil des cylindres remplis de gaz différents et compare les températures atteintes. Celui qui contient du dioxyde de carbone chauffe le plus et refroidit le plus lentement. Elle en tire une conclusion remarquable : une atmosphère plus riche en ce gaz donnerait une Terre plus chaude. Son texte est lu à sa place lors d'un congrès scientifique en août $1856$ , les femmes n'y prenant pas la parole. Son travail est resté longtemps ignoré.

$1859$ — Tyndall identifie les gaz responsables. À Londres, John Tyndall construit un appareil capable de mesurer l'absorption du rayonnement infrarouge par les gaz. Il établit que le diazote et le dioxygène, qui forment $99 %$ de l'air, y sont pratiquement transparents, tandis que la vapeur d'eau et le dioxyde de carbone l'absorbent fortement. L'effet de serre a désormais un mécanisme et des coupables.

$1896$ — Arrhenius calcule. Le chimiste suédois Svante Arrhenius, à la main et pendant un an, estime de combien la température monterait si la teneur en $CO_{2}$ doublait. Il trouve plusieurs degrés — un ordre de grandeur que les modèles actuels n'ont pas démenti. Il voyait d'ailleurs la chose comme un bienfait pour la Suède, et pensait qu'il faudrait des millénaires pour y parvenir.

$1938$ — Callendar relie mesure et théorie. L'ingénieur britannique Guy Callendar rassemble des relevés de température et de $CO_{2}$ et soutient que le réchauffement observé depuis un demi-siècle est dû aux combustions humaines. La communauté scientifique reste sceptique : les données sont trop dispersées.

$1958$ — Keeling mesure enfin proprement. Charles David Keeling installe au sommet du Mauna Loa, à Hawaï, loin de toute source locale, un appareil de mesure continue du $CO_{2}$ atmosphérique. Sa courbe, qui monte régulièrement en oscillant au rythme des saisons de l'hémisphère nord, est l'un des graphiques les plus célèbres de la science du XX^e siècle. Elle transforme une hypothèse en fait mesuré.

$1979$ — Un premier verdict collectif. Un rapport de l'Académie des sciences des États-Unis conclut qu'un doublement du $CO_{2}$ réchaufferait la planète de $1, 5$ à $4, 5^{\circ}$ C. Cette fourchette a très peu bougé en quarante ans, malgré des moyens de calcul multipliés par des millions : c'est un signe de robustesse, non d'immobilisme.

$1988$ — La naissance du GIEC. Le Programme des Nations unies pour l'environnement et l'Organisation météorologique mondiale créent le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat. Son originalité est de ne pas produire de recherche : il évalue la littérature scientifique existante et en fait la synthèse, sous le contrôle croisé des chercheurs et des États. Le premier rapport parait en $1990$ , le sixième en $2021$ - $2023$ .

6.8.2 Comment les scénarios eux-mêmes ont évolué

L'histoire des scénarios du GIEC est instructive, parce qu'elle montre une méthode qui se corrige. Les premiers, en $1992$ , étaient de simples hypothèses d'émissions. Les scénarios SRES, en $2000$ , y ajoutaient des récits socio-économiques. Les RCP, utilisés dans le cinquième rapport, ont renversé la logique : au lieu de partir des sociétés pour aboutir à un forçage, ils partent d'un forçage radiatif visé et cherchent quelles trajectoires y mènent. Les scénarios SSP du sixième rapport combinent enfin les deux : un récit de développement (SSP1 « durabilité », SSP5 « développement fondé sur les énergies fossiles »…) associé à un niveau de forçage.

iRemarqueCe que l'évolution des scénarios enseigne

On reproche parfois au GIEC de « changer ses scénarios ». C'est exactement ce qu'il doit faire. Un scénario n'est pas une prédiction que l'on vérifie : c'est un outil que l'on améliore à mesure que l'on comprend mieux ce qui gouverne les émissions. En revanche, ce qui n'a pas changé depuis $1979$ est le cœur physique : l'ordre de grandeur de la sensibilité climatique. Savoir distinguer ce qui bouge — les hypothèses socio-économiques — de ce qui ne bouge pas — la physique du rayonnement — est le meilleur antidote au faux argument selon lequel « les scientifiques se contredisent sans cesse ».

6.9 Bilan

Ce qu'il faut savoir

L'énergie mondiale provient d'une diversité de ressources, dominées par les combustibles fossiles ; sa consommation est très inégalement répartie selon la richesse ; elle a doublé en quarante ans ; elle se partage à parts comparables entre industrie, transports et habitat, l'agriculture venant après.
Les énergies primaires sont soit des stocks (fossiles, uranium), soit des flux (radiatif solaire, géothermique, marées).
Le carbone circule entre plusieurs réservoirs superficiels ; les combustibles fossiles proviennent de matière organique formée par photosynthèse il y a des dizaines à des centaines de millions d'années, et ne se renouvellent pas assez vite pour que les stocks se reconstituent.
La combustion libère du dioxyde de carbone, mais aussi des aérosols, du protoxyde d'azote, de l'ozone, des suies et des produits soufrés, qui dégradent la qualité de l'air et la santé.
L'empreinte carbone d'une activité ou d'une personne est la masse de $CO_{2}$ produite directement ou indirectement par sa consommation d'énergie et de matières premières.
Les scénarios de transition font des hypothèses différentes sur les émissions futures ; les projections définissent des aléas et éclairent les décisions. Le choix des mesures d'atténuation et d'adaptation doit tenir compte de nombreux critères, et l'inertie des systèmes se confronte à l'urgence de l'action. La transition repose à la fois sur la créativité scientifique et sur l'évolution des comportements.

Ce qu'il faut savoir faire

Utiliser et convertir les unités d'énergie (tep, kWh, J), et exploiter des données de production et de consommation à toutes les échelles.
Comparer des ordres de grandeur de puissance et d'énergie, du corps humain au flux solaire.
Analyser un schéma du cycle du carbone : comparer les stocks, identifier les flux naturels et anthropiques, faire le bilan de l'atmosphère, citer les ordres de grandeur des durées.
Ajuster une équation de combustion par le dioxygène et comparer la masse de $CO_{2}$ produite par unité d'énergie.
Distinguer ozone stratosphérique et ozone troposphérique.
Exploiter un document épidémiologique sur les effets sanitaires des polluants, en particulier des particules fines.
Analyser une empreinte carbone et proposer des actions de réduction hiérarchisées.
Analyser un extrait de rapport du GIEC ou d'accord international, discuter les incidences du $CO_{2}$ sur la végétation, et analyser un choix énergétique majeur ou local selon l'ensemble des critères.

Cinq nombres à retenir

$80 %$ de l'énergie mondiale est d'origine fossile. $1$ tep vaut $11630$ kWh. Le cycle du carbone échange $120$ GtC par an entre l'air et la végétation, mais nos émissions de $11$ GtC par an ne sont compensées par rien, et $5$ en restent dans l'atmosphère. Une empreinte française moyenne pèse $9$ tonnes de $CO_{2}$ équivalent par an. Le flux solaire reçu par la Terre est $10000$ fois notre consommation.

Ce que ce chapitre dit de la science elle-même

Il montre d'abord comment un savoir se construit lentement et à plusieurs. Entre l'étonnement de Fourier en $1824$ et le premier rapport du GIEC en $1990$ , il s'est écoulé cent soixante-six ans, une expérience oubliée pendant un siècle, un calcul fait à la main pendant un an, et une station de mesure installée au sommet d'un volcan. Aucune de ces étapes n'était décisive à elle seule ; leur enchainement l'est.

Il montre ensuite que l'unité de mesure fait partie du raisonnement. Compter en carbone ou en dioxyde de carbone, en émissions territoriales ou en empreinte, en part ou en valeur absolue, en puissance installée ou en énergie produite : à chaque fois, le même monde donne des nombres différents, et parfois des classements opposés. Ce n'est pas de la mauvaise foi, c'est le fonctionnement normal des grandeurs. Le réflexe à acquérir tient en une question : qu'est-ce qui a été compté, sur quel périmètre ?

Il montre enfin où la science s'arrête. Elle établit qu'un kilowattheure de charbon libère $340$ grammes de dioxyde de carbone, que les puits absorbent aujourd'hui la moitié de nos émissions, que le réchauffement à la fin du siècle sera de $1, 4$ ou de $4, 4$ degrés selon la trajectoire suivie. Elle ne dit pas quelle trajectoire choisir. Ce dernier pas n'appartient ni aux modèles ni aux experts : il appartient à des citoyens qui doivent savoir de quoi ils parlent. Vous faire partie de ceux-là était l'objet de ce chapitre.

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