1.Notions de base sur le climat 2.Variabilité ou changement climatique? 3.Rôle de la cryosphère dans le système climatique 4.Intérêt des glaciers dans

1. Notions de base sur le climat

2. Variabilité ou changement climatique?

3. Rôle de la cryosphère dans le système climatique

4. Intérêt des glaciers dans l’étude du climat

Le climat

diapositive n°1

Intervention auprès des Conseillers et Inspecteurs de l’éducation nationale

diapositive n°1Intervention auprès des Conseillers et Inspecteur de l’Éducation Nationale – Le climat

Notion de changement d’étatConcepts thermodynamiques : équilibres de phase de l'eau

vapeur

solide liquide

liquéfaction

solidificationévaporation

condensationsubl

imat

ion

cond

ensa

tion

solid

eChaleur latente de fusion:Lf = 0,334.106 J kg-1

Chaleur latente d’évaporation:Le = 2,5.106 J kg-1

Chaleur latente de sublimation:Ls = 2,834.106 J kg-1

Il faut 8 fois plus d’énergie pour sublimer 1 kg de glace que pour le faire fondre

diapositive n°2diapositive n°2Intervention auprès des Conseillers et Inspecteur de l’Éducation Nationale – Le climat

1. Notions de base sur le climat2. Variabilité ou changement climatique?3. Rôle de la cryosphère dans le système climatique4. Intérêt des glaciers dans l’étude du climat

Humidité de l’air et saturationConcepts thermodynamiques : condensation dans l’atmosphère

Si q = qsat = 20 g d’eau / kg d’air alors toute ajout fera déborder => condensation

Notion d’humidité spécifique et d’humidité relative

Humidité spécifique à saturation : capacité maximale de stockagePar exemple: qsat = 20 g d’eau

Humidité spécifique = masse d’eau stockée 5 g d’eau

Ici : dans 1 kg d’air on a l’humidité spécifique q = 5 g d’eau / kg d’air

L’humidité relative Rh = 5 / 20 = 25% (du stockage possible)

1 kg d’air peut transporter une certaine quantité d’eau (capacité de stockage) :



Humidité de l’air et températureConcepts thermodynamiques : condensation dans l’atmosphère

Humidité spécifique à saturation est fonction de T : la capacité du seau augmente avec T

q = 5 g d’eau / kg d’air

T diminue : q reste constant mais qsat diminue donc Rh diminue

Lorsque T est suffisamment faible pour que qsat = 5 g d’eau / kg d’air

Alors Rh = 100% il y a condesation

FORMATION des NUAGES :En refroidissant suffisamment une masse d’air formation de gouttelettes ou cristaux de glace et déclenchement des précipitations (= lorsque ceux-ci sont assez gros pour chuter)



Quelques conclusions sur l’humidité

- Il faut fournir de l’énergie pour permettre l’évaporation

- Plus il faut chaud l’air peut contenir/transporter d’eau

- En refroidissant l’air on peut provoquer la condensation (former des nuages)

- En réchauffant : les nuages peuvent se réévaporer



casserole

Plaque chauffante : rayonne

Notion de rayonnement

Cellules de convectionEvaporation = demande d’énergie



Sincident Lincident

Lémis

Rayonnements de courtes et grande longueur d’onde

Sréfléchi

Surface du sol

casserole

Plaque chauffante : rayonne




Sincident Lincident Lémis

Rayonnements de courtes et grande longueur d’onde

Sréfléchi

Surface du sol


Spectre d’émission :



Rayonnement solaire incident Si = 342 W m-2

Rayonnement solaire réfléchi Sr = 107 W m-2

Rayonnement de grandes longueurs d’onde émis Lo = 235 W m-2


Lo = σT4 Température d’équilibre (sommet de l’atmosphère) = Lo compense exactement (Si-Sr = 235 W m-2)ce qui correspond à une T de -19°C



Circulations atmosphériques

tropopause

Hypothèse: terre « sans rotation »




Flux d’Est à l’équateur

Flux d’Ouest au moyennes latitudes

Force d’inertie de Coriolis

Hypothèse: terre en rotation

Cellule de Hadley

Transport des dépressions des moyennes latitudes



Circulations atmosphériques : dans le détail




Zones de subsidence sub-tropicales(déserts et très forte évaporation)






Circulations atmosphériques : dans le détail



Obliquité et saisonnalité



Été hémisphère nord Été hémisphère Sud

Rayonnement sur terre



0,00

100,00

200,00

300,00

400,00

500,00

600,00

01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12

RayonnementPôle Nord

0,00

100,00

200,00

300,00

400,00

500,00

600,00

01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12

RayonnementTropique Nord

0,00

100,00

200,00

300,00

400,00

500,00

600,00

01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12

Rayonnement France

0,00

100,00

200,00

300,00

400,00

500,00

600,00

01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12

RayonnementEquateur

Régimes climatiques

Exemple: climat tropical

Toujours humide

Alternance saisons : humide - sèche

•Température, précipitation, humidité, vent moyen • Saisonnalité• Variabilité climatique locale/régionale/globale (ex. El Niño)



Importance de l’atmosphère : effet de serre

Sincident

Sréfléchi

Surface du sol

particule

Sommet de l’atmosphère

Apport d’énergie supplémentaire vers la surface



Bilan d’énergie

Surface du sol

342107

Apport d’énergie à la surface : Tsurface > Tsommet_atmosphère

324

19540

168

67 Evaporation

78 24

Chaleur sensible

= 235

Sans l’effet de serre : 235 W m-2 Tsurface ~ -19°C (glace recouvrerait la terre chute de T à -100°C)Principal gaz à effet de serre = vapeur d’eau

390

Bilan avec effet de serre : 390 W m-2 Tsurface ~ +15°C



spectre en longueurs d'onde de la lumière émise par le système Terre-atmosphère vers l'espace

Vapeur d'eau (H2O)

Gaz carbonique (CO2)

Ozone (O3)

Méthane (CH4)

Protoxyde d'azote (N2O)

Oxygène (O2)

ÉmissionSurface(théorique)

ÉmissionVers l’espace(en noir)

Part absorbée en fonction du gaz

Importance de chaque gaz à effet de serre

Eau : tout est déjà absorbéCO2, CH4 : il reste encore à absorberCFC : purement anthropique

Augmentation de l’eau a peu d’effet, contrairement à CO2, CH4 ou CFC



Albédo des nuages et écran au rayonnement solaire

Importance de l’eau / réchauffement climatique

Cumulonimbus :Effet < 0sur T

Cirrus :Effet > 0sur T



Le système climatique : ensemble des interactions



Le système climatique : sa modélisation

Modèle atmosphérique = résolution des équations de dynamique, thermodynamiqueÉquation d’état (gaz parfait)

Aujourd’hui modèles couplés avec océan







Le climat



Qu’est-ce que le changement climatique

Différence entre variabilité et changement climatique

période de référence

Variabilité climatique

Climat moyen

Évolution de la moyenne

Évolution fréquence des événements

Évolution des extrêmes Tout à la fois

Changement Climatique = changement des propriétés statistiques persistant sur plusieurs décennies



Variabilité naturelle : rôle de l’insolation

E = excentricité = “allongement” de l’ellipse

T = “obliquité”= angle entre l’axe de rotation de la terre et celui de son ellipse autour du soleil

P = precession des équinoxes =changement dans la direction de l’axe en un point de l’orbite

Appelés les cycles de Milankovitch :Joue sur la durée des saison et l’intensité de l’insolation au cours des saisons



Cycles de milankovitch : impact sur le rayonnement

Variations d’insolation aux hautes latitudes nord (65°N) :

Cycles des glaciations :

Trois temps de phase

- Excentricité : cycle à 100 000 et 400 000 ans

- Obliquité : cycle à 41 000 ans

- Precession : cycle 19 000 et 23 000 ans

Derniers millions d’années: climat = cycles glaciaires/interglaciaire



Cycles de milankovitch : importance des rétroactions

- Insolation: perturbe cycle du carbone qui amplifie (en rétroaction) la perturbation

- D’autres rétroactions sont aussi nécessaires: variations d’extension glace (albédo) : plus il fait froid plus l’étendue des surfaces enneigées et importante : reflète le rayonnement solaire variations du niveau des mers et circulations océaniques

- Variations de CO2 ont lieu après variations de T, mais sans le CO2, l’ampleur des variations de T est inexplicable.



Variabilité climatique et ses causes“J’ai du mal à penser que le CO2 puisse à lui seul expliquer le changement climatique”

Quelle échelle de temps ? Multiséculaire? Multimillénaire? Rayonnement Rétroaction de l’albédo (étendue de la cryosphère) Circulations océaniques, stockage de CO2

Source : [IPCC, 2007]



“J’ai du mal à penser que le CO2 puisse à lui seul expliquer le changement climatique”

Quelle échelle de temps ?

Au 20e siècle? futur?


Variabilité climatique et ses causes




“J’ai du mal à penser que le CO2 puisse […]”

Lequel ? Anthropique ? Naturel ?

Changement climatique : peut avoir des causes naturelles OU/ET anthropique

Ex.: Variations naturelles du rayonnement solaire, volcanisme

Ex.: gaz à effet de serre (CO2, CH4, CFCs…)utilisation des sol (albédo des sols, carbones suie sur albédo de la neige)

CH4 est présent naturellement dans l’atmosphère




Combustibles fossiles

“J’ai du mal à penser que le CO2 puisse à lui seul expliquer le changement climatique”

Bien entendu que non (mais il y a consensus sur ce point même pour le 20e siècle)- Autres gaz à effets de serre- Nuages- Aerosols (naturels ou non, ex.: éruptions volcaniques)- Rayonnement solaire depuis le petit âge glaciaire (PAG)- Utilisation des sols (albedo, carbone suie (sur la neige), et dégagement de CO2)- […]

Et au niveau multiséculaire et multimillénaire :- Rayonnement solaire- Circulation océaniques- Cryosphère- Volcans- Dégazage des océans- […]




Illustrations : dans le détail ce sont les gaz à effet de serre qui l’emportent

Source : [IPCC, 2007] Source : [IPCC, 2007]

Variabilité climatique et ses causes au 20e siècle



Augmentation de température au 21e s(IPCC, 2007)

IPCC, 2007:

-- Augm. de T plus marquée : continent et hautes latitudes- - Augm. de P : moyennes, hautes latitude et zone Equatoriale-- Diminution de P en zone subtropicale

● Augmentation des vagues de chaleur (très probable)● Augm. des précipitations extrêmes (très probable)● Augm. des jours sans gel, jours chauds… (partiquement sûr)● Augm. zones affectées par la sécheresse (probable)● Augm. fréquence cyclones (probable)

Reste de nombreuses Incertitudes sur d’éventuelles mauvaises surprises (arrêt du Gulf stream, emballement du CO

2, émissions

massives de CH4, désintégration de l'Antarctique de l'Ouest…)

Climat futur – Ce qui est prévu



Impact sur les glaciers : un recul

Point fixe (en x, y)

T augmente rétroactions Fonte augmente Précipitation liquide plutôt que solide accumulation diminue Dégradation de l’albédo Fonte augmente Recul surface non englacée chauffent T augmente encore plus Plus de poussières albédo diminue Fonte augmente Altitude surface en un point diminue condition plus chaude moins épais diminution vitesse écoulement recul s’accélère



Conséquence sur les glaciersActuel :

(IPCC, 2007)

projections :Evolution du nivequ des mersExpansion thermique : +++Glaciers: ++Bilans de surface : Greonland : +

Antarctique : -Dynamique des grandes calottes : +

+50 à 120 cm à la fin du 21e siècle



Interpréter certains messages avec prudence

“l’impact du recul de la calotte arctique sur le niveau des mers pourrait être de 4 m”

Quelles hypothèses ? Que veut dire ce terme?

- La calotte arctique n’a pas de vraiment sens - Il y a plusieurs calottes dans l’arctique (principalement : calotte Groenlandaise)- il s’agit d’un amalgame avec la calotte Antarctique (où il en existe aussi plusieurs)

ce terme inclue-t-il la banquise?

- NON ! Car la fonte de la banquise n’a pas d’impact (direct) sur le niveau des mers

- Il existe un intervalle de valeurs selon scénario et modèles.

- type de scénario considéré(divers types de scénarios A1B, A2, etc)

- Processus pris en compte par modèles de climat

Pour note, Groenland : 7.3 m eq. niveau des mers Reste de grandes incertitudes sur la dynamique des glaciers



Types de scénarios (Source: IPCC, 2001) :

Ex.: A1 Ex.: A2

A1B, A1FI ou A1T

Hypothèses :• Croissance population : 9 milliards en 2050puis diminution• Croissance économique rapide• Nouvelles technologies énergétiquement efficaces• Interactions sociales et culturelles augmentent• Le « mode de vie » des habitants s’équilibre

• Utilisation des énergiesFI = Fossil IntensiveT = Utilisation intensive des non fossilesB = équilibre entre les 2

Hypothèses :• Evolution du monde hétérogène• Croissance population 15 milliards en 2100• Croissance et pénétration des technologies énergétiquement efficaces très variable selon les régions




Types de modèles et processus pris en compte:












4. Intérêt des glaciers dans l’etude du climat

Le climat



L’eau sur terre

97 % eau salée 2.5 % eau douce

69 % glace/neige

L’eau sur terre (70% surface terrestre)

Autres~0.3 %

Groenland~10 %

Antarctique~89 %

dont



Element de la cryospère Surface

(106 km2)Volume (106 km3)

Equivalent / niveau des mers (m)

Neige sur les continents 1.9-45.2 0.0005-0.005 0.001-0.01

glace de mer 19-27 0.019-0.025 0

glaciers de 0.51 à 0.54 de 0.05 à 0.13 de 0.15 à 0.37

Ice shelves 1.5 0.7 0

Calottes Groenland 1.7 2.9 7.3

Antarctique 12.3 24.7 56.6

sol gelé (temporairement) 5.9-48-1 0.006-0.065 0

Pergélisol 22.8 0.011-0.037 0.03-0.10

Place de la cryosphère sur terre (IPCC, 2007)

Elément fondamental du système climatique : Feedback sol/atmosphère (albédo, vents catabatiques), Circulation océaniques

Elément fondamental de l’environnement : Principale source d’eau douce continentale (75%)Ressources en eau (ex. Pérou, Pakistan)

10% des surfaces continentales & 7% des surfaces océaniques (en moyenne)



Ex1.: Neige et glace : albédo de la terre

© NSIDC, University of Colorado at Boulder

Répartition de la neige du 30 mars au 6 avril 2003 (données MODIS/Terra Snow cover)

Albédo = Sréfléchi / Sincident



Ex2.: Albédo et étendue des calottes

Aujourd’huiIl y a 20.000 ans

Californie – Photo J. Alean Central Park – Photo J. Alean



%

Concentration de glace

Source : [IPCC, 2007] diapositive n°47diapositive n°47Intervention auprès des Conseillers et Inspecteur de l’Éducation Nationale – Le climat

Ex3.: Glace de mer ou banquise (répartition)


Ex3.: Glace de mer et circulation océanique

Acteur fondamental du système climatique (ex.: banquise)

© CNES

Glace de mer

Convection

Salinité + élevée

Surface océan







Le climat



Définition :

Masse naturelle de neige et de glace provenant de la transformation de neige, permanente à l’échelle humaine (Lliboutry, 1965)

Comprend :

- les calottes de glace (Antarctique, Groenland, Patagonie, Islande)

- les glaciers de type « alpins »

Ne comprend pas :

- la glace de mer (banquise),

- le pergélisol,

- les lacs ou les rivières gelés,

- les glaciaires qui se développent au fond des gouffres.

Intérêt porté aux glaciers



Antarctique : 12.6

Groenland : 1.7

CARTE GLIMS, Superficies IAHS-UNEP-UNESCO 1999, unité 106 km2

Autres ~ 0.5

Rappels : place des glaciers

Alpes ~ 0.003



diapositive n°52

Inlandsis :

Photo : D. Six

Structure et forme très variées

Calottes de glace :

Photo : Michael Hambrey

Ice Shelf :

Larsen Ice Shelf - Terra Satellite - NASA



Glacier de vallée :

Photo : L. Reynaud

Glacier de cirque :

Photo : Michael Hambrey

Glacier suspendu :

Massif du Mont-Blanc. Aiguille du Tacul. Photo D. SIX

glace

Penterocheuse

neige

glace




Glacier de Piémont :Glacier couvert ou Noir :

Glacier Rocheux :

Chaîne Trans-Antarctique – Dry Valleys. Photo D. Six

Glacier rocheux – Chili. Photo V. Favier




Formation

1° - Neige accumulée pendant l’hiver (ou saison humide) ne font pas complètement en altitude

« Zone d’accumulation »

2° - Transformation neige en névé puis glace« Métamorphisme »

3° - Écoulement névé et glace vers le bas « Dynamique »

4° - Fonte en surface en bas du glacier « Zone d’ablation »

5° - Si front dans océan ou lac: Vêlage + fonte basale

1°

3°

4°2° 5°

Océan ou lac



Carotte de glace – Photo L. Augustin

1995

1864

Variations de température, méthane, et concentrations en dioxyde de carbone, Antarctique (adapté de Sowers and Bender, 1995; Blunier et al., 1997; Fischer et al., 1999; Petit et al., 1999), cf. IPCC 2001.

Glacier d’Argentière

1864-2004: -1.4 km

indicateur climatique

Glacier comme :

archive climatique



Archive climatique : retour sur sa formation

Zone de formation, en général dans :

- zones froides (haut en altitude ou latitude)

- zones humides (proches de l’océan)

Empilement des couches d’une année sur l’autre

Photo : V. Favier



FormationTransformation de la neige en névé

Neigefraîche

Quelquessemaines

Quelquesjours

Quelquesmois

A. de la neige en névé

Agents de transformation : vent, tassement, fonte&regel, sublimation&condensation

noir : airgris : glace



FormationTransformation du névé à la glace

noir : airgris : glace

B. du névé à la glace : - Frittage- Fonte et regel (si fonte en surface)- Compression

Close-off

Vapeur d’eau

Vapeur d’eau

Pont de glace

Cohésion de frittage © ANENA



Vostok, 150 m Vostok, 1800 m

Formation



AEROSOLGAZ TRACE

dépôt humide

dépôt sec

Surface



Analyses réalisées

GlaceBulles emprisonnées

Air emprisonné

neige

névé



EauH2OH2

18OHDO

AirCO2

CH4…

Impuretés :poussières,

sel,pollution,

volcanisme …

Analyses réalisées



Les isotopes de l’eau

Les isotopes stables de l’eau : abondances, notation

Oxygène:16O (99,63 %), 17O (0,0375 %), 18O (0,1995 %)

Hydrogène:1H (99,9852 %), 2H (D) (0,0148 %)

Dans l’eau de mer :

18O/16O = 0.2 % et D/H = 0.015 %

Formes principales de la molécule d’eau:

H216O, H2

18O, HD16O

0001*1

OO

OO

(‰) Oδ

SMOW

16

18ech

16

18

18

Standard Mean Ocean Water



18O/16O

-1%o -3%o

-2%o

-4%o

-5%o

Calotte

Océan

Pression de vapeur de H218O plus faible que H2O

les lourds se condensent préférentiellement

Les isotopes de l’eau



Le thermomètre isotopique

D’après [Johnsen et al., 1989] et [Lorius et Merlivat, 1977]

Température Pression de vapeur saturante Précipitation

Estimation précipitations passées



Interprétation : Température



Interprétation : comment dater l’échantillon

1. Décompte des années (couches supérieures)

2. Datation absolue : radioactivité artificielle (essais nucléaires : ex. 137Cs, 90Sr)

3. Radiactivité 210Pb : Analyse de la décroissance radioactive

4. Horizons repères : éruptions volcaniques majeures (qqs milliers d’années)

5. Modélisation écoulement glaciaire et accumulation (amincissement couches)

6. Par corrélation avec un autre enregistrement

7. Utilisation de la théorie astronomique de Milankovitch

Forages profonds



Interprétation : comment dater l’échantillonle glaciologue ne dispose pas de méthodes de datation absolue

Col

du

Dôm

eP

reu

nker

t et

al.,

200

0



neige

névé

Glace

Dans la partie neige et névé la calotte est perméable

à l’air

L’air emprisonné est plus jeune que la glace qui l’entoure

D’après B. Jourdain

Interprétation : problème de datation des gaz



Interprétation : Température



Glacier comme indicateur climatique

1864 1896

1995Glacier d’Argentière

1864-2004: -1.4 km



Petit Age glaciaire dans les Andes

1686 +/- 14

1703+/- 12

1734 +/- 12

1765 +/- 101808 +/- 10

1825 +/- 10

1843+/- 9

1871 +/- 9

1912 +/- 9

Glacier Sud du Charquini

(photo V. Jomelli)

D’après [Rabatel et al.,, 2005]

Bolivie: PAG (2nde moitié du 17ème siècle)

Utilisation de modèles très simple basés sur caractéristiques du bilan de masse des glaciers

Comment joue T,P?


• SUPPLÉMENTS

Glacier

Atmosphère

Rayonnement net (R)

S↓ S↑

L↓ L↑

LE et H

Flux turbulents de chaleur

Fusion/regel : ΔQ

Interactions entre l’atmosphère et le glacier = bilan d’énergie de surface

Equation du bilan d’énergie de surface

conduction

Influence directe de T

1. Notions de base sur le climat2. Variabilité ou changement climatique?3. Rôle de la cryosphère dans le système climatique4. Intérêt des glaciers dans l’étude du climat - Suppléments

Bilan radiatif

incidence

Nord( Sud dans HN)

Sud( Nord dans HN)

Les courtes longueurs d’onde Les grandes longueurs d’onde

L↓ fort L↓ faible

Pas de regel nocturne

regel nocturne


Glacier

LE et H


diffusion moléculaire / diffusion turbulente

Exemple : sucre dans le café sans cuillère / avec cuillère

Applications usuelles: Flux de chaleur sensible: souffler sur sa soupe

Flux de chaleur latente: froid ressnti si mouillé avec/sans du vent

Turbulence et flux:


u

Rugosité de surface ?

Conditions de stabilité de la couche limite

atmosphérique ?

?


Augmentation de la capacité de mélange (i.e.:

diffusion turbulente)


• T n’est pas la seule variable à regarder, l’ensemble des flux intervient

• T souvent plus une conséquence qu’un cause du bilan d’énergie

• Le rayonnement solaire est souvent la principale variable explicatrice de l’ablation (albédo)

• Les glaciers tempérés sont très sensibles aux variations du climat

Quels sont les processus en cause ?

Dans les Alpes?

• Recul = forte ablation au cours des années très chaudes et sèches

• T élevée l’été et rayonnement solaire intense expliquent principalement le recul actuel


Source : [Preunkert, 2001]

Évolution des teneurs en SO42- au col du Dôme

(Mont Blanc)Concentration en sulfates:

- Facteur 10 entre été et hiver- Été = provenance locale - Hiver = Europe- Diminution après 1980 : combustibles désulfurés

Intérêt d’une action globale



Fluor au col du Dôme – Massif du mont Blanc

Industrie de l’aluminium :

F provenant de l’électrolyse de l’alumine

Augmentation années 30 puis Guerre 39-45

Chute 1970 : installation de « filtres »

Fluor dans les neiges d’été

Emissions Fluor France+Suisse

Source : [Preunkert, 2001]

Intérêt d’une action globale



Documents

1.Notions de base sur le climat 2.Variabilité ou changement climatique? 3.Rôle de la cryosphère dans le système climatique 4.Intérêt des glaciers dans