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Sensibilité climatique et CO₂
Forçage radiatif et contraintes physiques
fondamentales
Par le Comité Scientifique Terre et Climat, 16
janvier
2026, v.1.3
Résumé
La sensibilité climatique relie un forçage radiatif
imposé au système climatique à la variation de la
température moyenne de surface. Bien que souvent
présentée comme incertaine, cette grandeur est fortement
contrainte par la physique radiative, le bilan
énergétique global et les observations. Cet article
présente une dérivation rigoureuse du coefficient de
sensibilité climatique
λ,
analyse le forçage radiatif du CO₂, discute l’argument
de saturation spectrale, et montre qu’un réchauffement
minimal d’environ 1,1°C par doublement du CO₂ est une
contrainte physique incompressible.
Bilan radiatif terrestre
1. Définition
générale de la sensibilité climatique
Le coefficient de sensibilité climatique, noté le plus
souvent λ
(lambda), est défini comme le facteur reliant un forçage
radiatif ΔF (exprimé en W·m⁻²) à une variation de la température moyenne globale de
surface ΔT
(en K ou °C), selon la relation linéarisée :
ΔT
= λ
· ΔF
Cette relation est une approximation valable pour des
perturbations radiatives modérées autour de l’état
climatique moyen. Elle constitue le socle de l’analyse
quantitative du changement climatique.
La détermination de λ
n’est pas directe : elle résulte d’une combinaison de
physique radiative, de rétroactions climatiques internes
et de contraintes observationnelles. Il est donc
essentiel de distinguer les contributions strictement
physiques des incertitudes liées à la dynamique du
système climatique.2. Bilan
énergétique global du système climatique
Le climat terrestre est gouverné par un bilan
énergétique global entre l’énergie solaire absorbée et
le rayonnement infrarouge émis vers l’espace (238 W/m 2).
Au sommet de l’atmosphère (Top Of Atmosphere, TOA), ce
bilan peut s’écrire sous forme différentielle :
N = ΔF
− α
· ΔT
où N est le déséquilibre radiatif net (W·m⁻²) et
α
est le paramètre de rétroaction climatique globale
(W·m⁻²·K⁻¹).
À l’équilibre radiatif, N = 0, ce qui conduit à :
ΔT
= ΔF
/ α
et donc à l’identification directe :
λ
= 1 / α.3. La rétroaction
de Planck : contrainte physique fondamentale
La rétroaction dite de Planck correspond à la réponse
radiative directe M de la Terre à une augmentation de sa
température, en l’absence de toute autre rétroaction
climatique. Elle découle directement de la loi de
Stefan–Boltzmann.
Pour une température moyenne de surface d’environ 288 K,
la dérivée du flux infrarouge émis par rapport à la
température conduit à une valeur typique :
α₀
≈ 3,2 à 3,3 W·m⁻²·K⁻¹ (Brian
E. J.
Rose,
2015, University at Albany )
ce qui correspond à une sensibilité climatique sans
rétroaction :
λ₀
≈ 0,30 K·(W·m⁻²)⁻¹.
Cette valeur constitue une borne inférieure absolue à la
sensibilité climatique (Hansen, 1984), (Pierrehumbert, 2010). Aucune hypothèse réaliste sur
les nuages, la circulation atmosphérique ou l’océan ne
peut annuler cette contrainte, car elle est imposée par
la thermodynamique et le rayonnement.4. Forçage
radiatif du CO₂
Le forçage radiatif du dioxyde de carbone résulte de son
absorption dans la bande infrarouge autour de 15 µm. Les
calculs radiatifs modernes montrent que ce forçage suit
une loi logarithmique :
ΔF_CO2
= 5,35 · ln(C / C₀) (Myhre
et al. 1998 et 2016)
où C est la
concentration atmosphérique de
CO₂ et C₀ une concentration de référence.
Un doublement de la concentration de CO₂ induit ainsi un
forçage radiatif d’environ :
ΔF_2×CO2
≈ 3,7 W·m⁻² à
0,1 W·m⁻²
près (Myhre
et al. 1998 et 2016)
Cette valeur est remarquablement robuste et indépendante
des modèles climatiques globaux, car elle repose sur la
spectroscopie moléculaire ligne par ligne (HITRAN, RRTM,
LBLRTM,...) et est confirmée par mesure satellitaires et
les profils atmosphériques observés.
Les satellites (IRIS, IMG, AIRS, IASI) montrent entre les années 1970 et
aujourd’hui : une diminution du flux sortant exactement
: dans la bande 15 µm du CO₂, dans certaines bandes CH₄
et N₂O, aucune diminution équivalente ailleurs. Ce qui
est une signature spectrale sans ambiguïté. 5. Argument de
saturation spectrale : analyse physique
Il est souvent avancé que l’effet du CO₂ serait saturé,
au motif que le centre de sa bande d’absorption est déjà
opaque. Cet argument est physiquement incomplet.
Si le cœur de la bande est effectivement saturé,
l’augmentation du CO₂ produit un forçage supplémentaire
par trois mécanismes principaux :
1. l’élargissement des ailes de raie par pression, effet Doppler,
élargissement collisionnel, résonance de
Fermi.
2. l’élévation de l’altitude effective d’émission
(niveau τ
≈ 1),
3. la diminution de la température à cette altitude. |
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Le flux infrarouge sortant à une longueur d’onde donnée
peut être approximé par :
F_ν
≈ B_ν(T_{τ=1})
où B_ν
est la fonction de Planck. Une augmentation de
l’altitude d’émission implique une température plus
basse et donc un flux réduit, ce qui constitue le cœur
du forçage radiatif.6. CO₂ et vapeur
d’eau : rôles distincts
La vapeur d’eau est le principal gaz à effet de serre en
valeur absolue, mais sa concentration est contrôlée par
la température (relation de Clausius–Clapeyron). Elle
agit donc principalement comme une rétroaction.
Le CO₂, en revanche, est bien mélangé verticalement par
les convections et agit comme un forçage externe. Il est
particulièrement efficace dans la haute troposphère, où
la vapeur d’eau est rare.7. Réchauffement
minimal incompressible
En combinant le forçage radiatif du doublement du CO₂
avec la seule rétroaction de Planck, on obtient un
réchauffement minimal :
ΔT_min
= ΔF
/ α₀
≈ 3,7 / 3,2 ≈ 1,1 °C.
Ce chiffre n’est pas une projection climatique, mais une
contrainte physique basse. Il s’impose indépendamment de
toute hypothèse sur les rétroactions complexes.
8. Observations
et validation empirique
Les observations satellitaires montrent une diminution
du rayonnement infrarouge sortant vers l’espace dans les
bandes du CO₂, ainsi qu’une augmentation du rayonnement
infrarouge descendant vers la surface terrestre (Back
Radiation – Downwelling Longwave Irradiance) . Ces
signatures spectrales constituent une validation directe
du forçage radiatif
(Teixeira, J., Wilson, R. C., & Thrastarson, H. Th.,
2024).
9. Facteurs
contrôlant la valeur effective de la sensibilité
climatique λ
: rétroactions, certitudes et incertitudes
La valeur effective du coefficient de sensibilité
climatique
λ
résulte de l’équilibre entre la contrainte radiative
fondamentale imposée par la rétroaction de Planck et
l’ensemble des rétroactions internes du système
climatique. Ces rétroactions modifient le paramètre
global α du bilan énergétique (λ
= 1/α)
et expliquent pourquoi la sensibilité climatique
λ
réelle
est nécessairement supérieure à sa valeur minimale
purement radiative.
La rétroaction de Planck constitue la seule contrainte
strictement certaine et incompressible. Elle impose
α₀
≈ 3,2 W·m⁻²·K⁻¹, soit λ₀ ≈ 0,30 K·(W·m⁻²)⁻¹. Toute discussion scientifique réaliste sur la valeur
de λ
doit donc partir de cette borne basse.
Rôle de la vapeur
d’eau
La rétroaction de la vapeur d’eau est la plus robuste
des rétroactions positives. Elle découle directement de
la relation de Clausius–Clapeyron, selon laquelle la
pression de vapeur saturante augmente d’environ 7 % par
degré Celsius. À humidité relative approximativement
constante, un réchauffement entraîne une augmentation de
la teneur atmosphérique en vapeur d’eau, renforçant
l’absorption infrarouge et diminuant le flux sortant
pour une température donnée.
Cette rétroaction est solidement établie à la fois
théoriquement et observationnellement. Elle agit sur
l’ensemble de la troposphère et contribue
significativement à réduire le paramètre
α,
augmentant ainsi la valeur de
λ
(Held &
Soden, 2000) .
Rôle du gradient
thermique
La rétroaction du gradient vertical de température
(lapse rate) agit en sens opposé, en particulier dans
les régions tropicales, où le réchauffement tend à être
plus marqué en altitude qu’en surface. Cette rétroaction
négative compense partiellement la rétroaction de la
vapeur d’eau ; les deux sont souvent considérées
conjointement. Leur effet net reste cependant
globalement positif.
Rôle de l’albédo
La rétroaction de l’albédo de surface, associée à la
diminution de la couverture neigeuse et glaciaire, est
également positive. Bien comprise physiquement, elle est
géographiquement limitée et n’affecte que modérément la
sensibilité climatique globale.
Rôle des nuages
Le rôle des nuages constitue la principale source
d’incertitude résiduelle. Les nuages interviennent à la
fois sur le rayonnement solaire entrant et le
rayonnement infrarouge sortant. Les contraintes
observationnelles et les modèles climatiques convergent
toutefois vers une rétroaction nuageuse nette faiblement
positive, ce qui implique une réduction supplémentaire
de
α
et donc une augmentation de λ
(Sherwood et al., 2020).
Effet de
refroidissement de surface par évaporation
Un point souvent invoqué concerne le rôle refroidissant
de l’évaporation de l’eau depuis la surface.
L’évaporation constitue en effet un flux de chaleur
latente important (environ 80 W·m⁻² en moyenne globale)
qui tend à refroidir la surface
terrestre en transférant de
l’énergie vers l’atmosphère.
En laboratoire, à pression constante et à saturation,
une augmentation de température de 1 °C entraîne une
augmentation d’environ 7 % de la pression de vapeur
saturante, ce qui suggérerait une augmentation
comparable de l’évaporation. Cependant, cette relation
ne s’applique pas directement au climat réel.
Un maximum théorique n'est pas toujours atteint.
Dans la nature, l’évaporation est limitée par plusieurs
facteurs : disponibilité en eau, turbulence
atmosphérique, vitesse du vent et maintien d’une
humidité relative parfois proche
mais toujours inférieure à la
saturation. Les observations indiquent que
l’augmentation effective de l’évaporation globale avec
la température est plus modérée
(Held &
Soden, 2006).
Ainsi, bien que l’évaporation exerce un effet
refroidissant local sur la surface
(sols, océans, lacs), l’énergie
est "latente"
; elle est transférée
en altitude et restituée
seulement lors de la
condensation, contribuant au bilan énergétique global.
Elle ne refroidit donc pas la basse troposphère
(altitude conventionnelle 2 m).
Effet global
En combinant l’ensemble de ces rétroactions, les
contraintes issues des observations instrumentales,
paléoclimatiques et des modèles convergent vers une
plage probable du paramètre
α
comprise entre environ 1,0 et 1,5 W·m⁻²·K⁻¹,
correspondant à une sensibilité climatique
λ
comprise entre 0,6 et 1,0 K·(W·m⁻²)⁻¹.
Ces valeurs impliquent, pour un doublement du CO₂ (
ΔF
≈ 3,7 W·m⁻²), une sensibilité climatique à l’équilibre
de l’ordre de 2 à 4 °C. La borne basse est fortement
contrainte par la physique radiative et les
observations, tandis que la borne haute reflète
principalement les incertitudes liées aux rétroactions
nuageuses.
Aucune combinaison physiquement réaliste de rétroactions
connues ne permet de ramener
λ
à sa valeur minimale de Planck. Les incertitudes
scientifiques portent donc sur l’amplitude exacte du
réchauffement, et non sur son existence ni sur son
signe.
10. Analyse des
arguments sceptiques
Les arguments sceptiques physiquement sérieux portent
non sur l’existence du forçage du CO₂, mais sur la
valeur effective de
λ. Aucun argument robuste ne permet d’annuler le forçage radiatif lui-même dû
au CO₂.
Une erreur conceptuelle fréquente est
l’argument de saturation qui raisonne implicitement
ainsi : « Si le CO₂ absorbe déjà tout, il n’a plus aucun
rôle radiatif » Mais cela violerait la loi de
Kirchhoff : Pourquoi ? Parce qu’une couche opaque
n’éteint pas le flux, elle le remplace par sa propre
émission, à sa température.
Toute contestation autre que celle portant sur la
détermination de la sensibilité climatique
λ
est invalide.
11. Conclusion
générale
Le forçage radiatif du CO₂ est solidement établi par la
spectroscopie, la physique du transfert radiatif et les
observations. Un doublement du CO₂ imposerait au minimum
environ 1,1 °C (contrainte physique basse) de
réchauffement global et plus probablement entre 2 à 3
°C, éventuellement plus,
du fait des rétroactions citées en 9.
Pourquoi le GIEC (IPCC) continue-t-il à citer +4,5 °C ?
C’est parce qu’on
ne peut pas démontrer que certaines rétroactions
nuageuses très positives sont impossibles et l’IPCC
(organe politico-scientifique de l'ONU)
se livre
à une évaluation du risque maximal, pas d'une moyenne
académique. Ce qui reste néanmoins critiquable est
l’exploitation médiatique que font de cette valeur
extrême certains militants, parfois liés au GIEC, ayant
des visées purement idéologiques.
Il est important de noter que le sol se réchauffe par
rééquilibrage énergétique global, et non par réception
directe du forçage. Les débats scientifiques pour être
légitimes doivent porter sur la valeur de
λ, non sur l’existence de l’effet incontestable du CO₂.
Références
fondamentales
Les références
suivantes fournissent les bases théoriques et
observationnelles relatives au forçage radiatif du CO₂
aux rétroactions climatiques (vapeur d’eau, évaporation,
nuages) et aux contraintes sur la sensibilité
climatique.
Myhre, G., Highwood, E. J., Shine, K. P., & Stordal, F.
(1998). New estimates of radiative forcing due to well
mixed greenhouse gases. Geophysical Research Letters,
25(14), 2715–2718.
Hansen, J., et al.
(1984). Climate sensitivity: Analysis of feedback
mechanisms. In Climate Processes and Climate
Sensitivity, Geophysical Monograph Series.
Held, I. M., & Soden, B. J.
(2000). Water vapor feedback and global warming. Annual
Review of Energy and the Environment, 25, 441–475.
Held, I. M., & Soden, B. J.
(2006). Robust responses of the hydrological cycle to
global warming. Journal of Climate, 19(21), 5686–5699.
Goody, R., & Yung, Y. L.
(1989). Atmospheric Radiation: Theoretical Basis. Oxford
University Press.
Pierrehumbert, R. T.
(2010). Principles of Planetary Climate. Cambridge
University Press.
Kiehl, J. T., & Trenberth, K. E.
(1997). Earth’s annual global mean energy budget.
Bulletin of the American Meteorological Society, 78(2),
197–208.
Gregory, J. M., et al.
(2004). A new method for diagnosing radiative forcing
and climate sensitivity. Geophysical Research Letters,
31, L03205.
Sherwood, S. C., et al.
(2020). An assessment of Earth’s climate sensitivity
using multiple lines of evidence. Reviews of Geophysics,
58, e2019RG000678.
Teixeira, J., Wilson, R. C., & Thrastarson, H.
Th. (2024). Direct observational evidence from
space of the effect of CO₂ increase on longwave spectral
radiances: the unique role of high-spectral-resolution
measurements. Atmospheric Chemistry and Physics, 24,
6375–6383.
IPCC (GIEC)
(2021). Sixth Assessment Report (AR6), Working Group I –
The Physical Science Basis. Cambridge University Press.
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