Potentiel de réchauffement global

Le potentiel de réchauffement global (PRG) est le pouvoir réchauffant d'un gaz, rapporté au pouvoir réchauffant de la même masse de dioxyde de carbone. C'est un facteur de conversion utilisé pour comparer les impacts relatifs de différents gaz à effet de serre sur le réchauffement climatique en se fondant sur leur forçage radiatif cumulé sur une période donnée.

Cet outil donne le plus souvent des estimations correctes (bon ordre de grandeur, précision acceptable pour orienter des décisions de nature politique) à condition qu’il soit utilisé conformément aux hypothèses qui l’accompagnent, en particulier la période considérée et les scénarios d’évolution des diverses concentrations atmosphériques. Dans le cas contraire, le PRG est souvent imprécis voire totalement faux lorsqu’il est exploité en dehors de son champ d’application.

Potentiel de réchauffement global (PRG) à 100 ans de quatre gaz à effet de serre[1].

Concept

Le potentiel de réchauffement global est le pouvoir réchauffant d'une masse d'un gaz à effet de serre (par exemple un kilogramme), rapporté au pouvoir réchauffant de la même masse de dioxyde de carbone, pour une durée considérée, souvent de 100 ans. Les estimations généralement utilisées sont les suivantes[1] :

dioxyde de carbone, CO₂ : 1 ;
méthane, CH₄ : 27,9 ;
protoxyde d'azote, N₂O : 273 ;
hexafluorure de soufre, SF₆ : 25 200.

Le potentiel de réchauffement global est un indice de comparaison associé à un gaz à effet de serre (GES), qui quantifie sa contribution marginale au réchauffement climatique comparativement à celle du dioxyde de carbone, cela sur une certaine période choisie. En d’autres termes, le PRG d’un gaz est le rapport entre les effets causés par la libération en début de période d’une masse donnée de ce gaz et ceux causés par la même masse de dioxyde de carbone (CO₂). Par définition, le PRG du CO₂ est donc toujours égal à 1. Les effets respectifs sont volontairement calculés sur une période choisie au-delà de laquelle les effets résiduels sont ignorés (c'est-à-dire l'effet de serre de la quantité de gaz qui n'est pas encore décomposée ou recyclée après ce délai, aussi grande soit-elle). Cette période (ou au minimum sa durée) doit être mentionnée lorsque le potentiel de réchauffement global est cité, faute de quoi sa valeur est dépourvue de sens. Néanmoins, la période la plus fréquemment utilisée est celle de 100 ans.

La masse d'équivalent CO₂ d'un mélange de plusieurs GES peut être estimée par la somme des masses des gaz pris en compte, multipliées par leur PRG respectif. L'estimation est d’autant meilleure que les quantités de gaz à effet de serre sont faibles.

Utilisation selon le Protocole de Kyoto

Selon le protocole de Kyoto, la « Conférence des parties » a décidé[2] que les valeurs de PRG calculées dans le deuxième rapport d’évaluation du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC) doivent être retenues afin de convertir les diverses émissions de gaz à effet de serre en unités comparables d’équivalent CO₂, lors des calculs globaux de sources et de puits.

Calcul

Notions en jeu et hypothèses

Le GIEC a publié des valeurs du PRG généralement acceptées, qui ont légèrement changé entre 1996 et 2001[3]. Une description précise de la manière dont le PRG est calculé est disponible, en anglais, dans le troisième rapport d’évaluation[4].

La contribution instantanée au réchauffement d’un GES est fonction de sa concentration dans l’atmosphère : c’est le forçage radiatif (exprimé en W/m²).

L’efficacité radiative est la contribution marginale (en W/m²/kg). Elle exploite la dérivée du forçage radiatif pour quantifier une variation de la contribution par rapport à une variation de la masse.

Pour calculer la contribution sur une période $[0,TH]$ de l’émission instantanée d’une unité du gaz (x) à t=0, il faut

disposer d’un scénario précisant l’évolution des concentrations de (x) au cours du temps afin de déterminer l’évolution de l’efficacité radiative de (x) ;
connaître le mécanisme d’élimination progressive du gaz afin de déterminer la masse résiduelle au cours du temps.

La contribution d’une unité du gaz (x) est alors l’intégrale du produit des deux fonctions précédentes.

Définition

En France, pour le vocabulaire officiel de l'environnement (tel que défini par la Commission d'enrichissement de la langue française en 2019), dans le domaine Environnement-Énergie-Climat, l’expression « potentiel de réchauffement climatique » (également appelé « pouvoir de réchauffement global ») est définie comme l'« indice obtenu en divisant le forçage radiatif résultant d'une masse de gaz à effet de serre émis, par celui de la même masse de dioxyde de carbone, les effets de ces gaz étant considérés sur une période identique ». Cette expression est proposée comme l'équivalent de l'anglais « global warming potential » (GWP)[5].

Pour les modélisateurs et évaluateurs, le potentiel de réchauffement global est défini comme étant le rapport entre la contribution d’une unité du gaz (x) et la contribution d’une unité du gaz de référence (r), en l’occurrence le CO₂ :

PRG\left(x\right)={\frac {\int _{0}^{TH}a_{x}\left(t\right)\cdot \left[x\left(t\right)\right]dt}{\int _{0}^{TH}a_{r}\left(t\right)\cdot \left[r\left(t\right)\right]dt}}

Dans cette formule,

$TH$ est l’horizon temporel au cours duquel le calcul est considéré ;
$a_{x}\left(t\right)$ est l’efficacité radiative, causée par l’augmentation d’une unité du gaz dans l’atmosphère (en W m⁻² kg⁻¹) ;
$\left[x\left(t\right)\right]$ est la dégradation en fonction du temps du gaz en question à la suite de son émission instantanée à t = 0 ;
le dénominateur contient les valeurs correspondantes pour le gaz de référence (r), en l’occurrence le CO₂ ;
l’efficacité radiative pour un gaz donné, $a_{x}\left(t\right)$ ou $a_{r}\left(t\right)$ , dépend de la concentration (scénario) qui généralement varie dans le temps.

Propriétés

Si la concentration observée du CO₂ s’avère être supérieure à celle qui est admise dans le scénario qui est à la base du calcul du PRG, alors le PRG réel sera supérieur au PRG calculé. Ceci provient de la décroissance de l’efficacité radiative du CO₂ lorsque sa concentration augmente : il faudra donc plus de CO₂ pour compenser un même effet du gaz (x).

Limitations

Dans son application, le potentiel de réchauffement global (PRG) présente plusieurs limites dont il faut tenir compte, ceci d’autant plus que son utilisation est très simple.

Le PRG d’un gaz est un indice marginaliste qui s’applique à une masse relativement faible en comparaison de la masse totale de ce gaz dans l’atmosphère. Par exemple, on commet une erreur significative si on utilise le PRG pour évaluer une masse équivalente de CO₂ de la totalité du méthane de l’atmosphère.
La période de calcul des effets radiatifs doit être respectée. Puisqu’on ignore les effets qui sont postérieurs, les valeurs numériques d’un PRG peuvent varier fortement selon la durée choisie, ceci parce que les vitesses d’élimination progressives des gaz sont très diverses.
Le calcul d’un PRG se base implicitement sur un scénario d’évolution des concentrations des GES concernés, tout particulièrement le CO₂.

Ces limites proviennent directement du modèle sur lequel se base l’évaluation du PRG.

La non linéarité des effets radiatifs du CO₂, qui ne sont pas proportionnels à sa concentration atmosphérique. Il en va de même pour le méthane (CH₄) et le protoxyde d’azote (N₂O). Les efficacités radiatives $a_{x}\left(t\right)$ et $a_{r}\left(t\right)$ sont alors affectées par les concentrations respectives, d’où la nécessité de se baser sur un scénario d’évolution des concentrations, puis de limiter les perturbations (substitution théorique d’une masse de GES par une autre masse de CO₂).
La stabilité des divers GES varie d’un gaz à l’autre, ce qui affecte le coefficient $\left[x\left(t\right)\right]$ qui diminue plus ou moins rapidement avec le temps.
Pour cette même raison, la durée de la période de calcul des effets radiatifs influence le PRG. Celui du méthane diminuera rapidement avec la durée car ce gaz est beaucoup plus instable que le CO₂ : un calcul sur une durée extrêmement longue conduit à un PRG quasi nul pour le méthane.

Importance de l'horizon temporel

Le potentiel de réchauffement global (PRG) d'un gaz dépend de la durée au cours de laquelle il est calculé. Un gaz qui est rapidement éliminé de l'atmosphère peut avoir un effet initial important, mais qui décroît rapidement. Ainsi, le méthane possède un potentiel de 25 sur un siècle, mais de 72 sur 20 ans ; à l'opposé le PRG de l'hexafluorure de soufre est de 22 000 sur 100 ans mais de « seulement » 15 100 sur 20 ans[4]. La valeur du PRG d’un gaz dépend de la vitesse de son élimination progressive au cours temps. Souvent, cette donnée n'est pas connue précisément et les valeurs de ces PRG ne peuvent pas être considérées exactes. Pour cette raison, il est important de toujours donner ses références lors des calculs et de leur présentation.

L'horizon temporel le plus fréquemment utilisé par les autorités est de 100 ans.

Valeurs

Durée de séjour dans l'atmosphère et potentiel de réchauffement global (PRG)
des gaz à effet de serre (Sixième rapport d'évaluation (AR6) du GIEC, 2021[1]) :
Gaz	Durée de séjour (années)	PRG selon la période considérée
Gaz	Durée de séjour (années)	020 ans	100 ans	500 ans
Dioxyde de carbone (CO₂)	cf. (voir supra)	1	1	1
Méthane (CH₄)	11,8	81,2	27,9	7,95
Protoxyde d'azote (N₂O)	109	273	273	130
PFC-14 (tétrafluorure de carbone, CF₄)	50 000	5 300	7 380	10 600
HFC-23 (trifluorométhane, CHF₃)	228	12 400	14 600	10 500
Hexafluorure de soufre (SF₆)	3 200	18 300	25 200	34 100

Remarques :

le PRG du dioxyde de carbone vaut exactement 1 puisque ce gaz est l'étalon de base.
pour le dioxyde de carbone CO₂, la durée exacte de leur séjour est difficile à préciser : un tiers à la moitié émis est absorbé au cours des premières décennies, puis le rythme d'absorption ralentit toutefois substantiellement par la suite de sorte qu'au bout de 10 000 ans, de 10 à 25 % du surcroit initial de CO₂ persiste dans l'atmosphère[6].
pour l'hydrogène (H₂), le PRG indirect est estimé à 33 [22-44] à 20 ans et 11 [6-16] à 100 ans ; l'hydrogène lui-même n'est pas un gaz à effet de serre mais sa concentration dans l'atmosphère a un effet sur la concentration d'autres gaz[7].
pour la vapeur d'eau, un potentiel de réchauffement global n'est d'ordinaire pas calculé, principalement parce que cela n'est pas pertinent ; voir gaz à effet de serre.

Références

« Chapter 7: The Earth’s energy budget, climate feedbacks, and climate sensitivity - Supplementary Material : Table 7.SM.7: Greenhouse gas lifetimes, radiative efficiencies, Global Warming Potentials (GWPs), Global Temperature Potentials (GTPs) and Cumulative Global Temperature Potentials (CGTPs) », dans GIEC, Sixième rapport d'évaluation (AR6) (trad. de l'anglais), 2021 (lire en ligne [PDF]), p. 27-38.
(en) « Methodological issues related to the Kyoto protoco », Décision 2/CP.3 de la Conférence des parties sur les valeurs de PRG retenues, CCNUCC [PDF]
(en) Comparaison des potentiels de réchauffement global, calculé selon les deuxième et troisième rapports d’évaluation du GIEC.
(en) Troisième rapport d’évaluation, Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat, 2001.
Vocabulaire de l'environnement : climat-carbone (liste de termes, expressions et définitions adoptés).
(en) Climate Change 2013: The Physical Science Basis, Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat, 2013 (présentation en ligne), chap. 6 (« Carbon and Other Biogeochemical Cycles »), p. 472-473 (Changement climatique 2013 : les éléments scientifiques, résumés en français).
(en) « Chapitre 6.4 A Global Warming Potential for hydrogen », dans Atmospheric implications of increased hydrogen use, Département des Affaires, de l'Énergie et de la Stratégie industrielle, 8 avril 2022 (lire en ligne [PDF]), p. 54-57.

(en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Global warming potential » (voir la liste des auteurs).

Voir aussi

Liens externes en anglais

IPCC 2001 Third Assessment Report page on Global Warming Potentials et Direct GWP.
List of Global Warming Potentials and Atmospheric Lifetimes, Environmental Protection Agency (États-Unis)
Greenhouse Gases and Global Warming Potential Values, Excerpt from the Inventory of U.S. Greenhouse Gas Emissions and Sinks: 1990-2000, Environmental Protection Agency (États-Unis)
An overview of the role of H₂O as a greenhouse gas
Global Warming Project 2007, A project started in the beginning of 2007 in which the goal is to contact as many climate researchers and climatologists as possible asking their expert opinion on global warming in relation to human activity.
CO₂ as a low-global warming refrigerant
The NOAA Annual Greenhouse Gas Index (AGGI)

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