TS Spé Chapitre 3 : De l’évolution récente du climat au climat de

demain

La température globale terrestre, qui dépend de l’énergie reçue, a varié de façon cyclique au cours des

800 000 dernières années. Cela suggère une complexité du système climatique. Ces variations s’effectuent en

parallèle à des fluctuations de certains gaz atmosphériques. Or, depuis près de deux siècles, le taux

atmosphérique de ces gaz augmente rapidement sous l’effet des émissions anthropiques.

Quels sont les acteurs du système climatique terrestre ?

Comment l’Homme influence-t-il le système climatique ?

1. ORIGINE DES VARIATIONS CLIMATIQUES RECENTES

Au cours des 800 000 dernières années, plusieurs cycles glaciaires se sont succédés : des périodes froides

d’extension glaciaire ont alterné périodiquement avec des périodes plus chaudes.

Pb : comment expliquer les variations de température sur la Terre dans le passé et aujourd’hui ?

A- LES GAZ A EFFET DE SERRE ET LE CLIMAT

http://education.meteofrance.com/jsp/site/Portal.jsp?page_id=16010&document_id=27255&portlet_id=912

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Le soleil envoie sur Terre un rayonnement de lumière visible et d'infrarouges, notamment. Ces rayonnements sont en partie renvoyés dans l'atmosphère où ils sont piégés par des gaz à effet de serre et en partie directement piégés. Le tableau suivant montre la différence de température à la surface des planètes sans effet de serre (température théorique) et avec l'effet de serre (température mesurée).

Seule la Terre possède une température compatible avec la vie. Cette température moyenne est le résultat de l’effet de serre. L'effet de serre est donc la condition fondamentale pour que la vie se développe sur terre. Vénus possède une atmosphère, cependant sa température avoisine les 470°C incompatible avec la vie. On peut penser que cette température élevée provient du rayonnement solaire or on constate que la température de surface est proche des 470° alors qu’en théorie sans atmosphère elle avoisinerait les 30°C. L’atmosphère a donc un rôle prépondérant dans la température. On constate qu’elle est composée à 96% de CO2 et. On peut donc supposer que le CO2 intervient dans l’effet de serre

Or la Terre ne possède que 0,03% de CO2 Quels sont donc les gaz responsables de l’effet de serre sur Terre ? La figure suivante précise le rôle des différents gaz dans l'effet de serre à la surface du globe :

Nathan spé 2012

https://fr.wikipedia.org/wiki/Effet_de_serre

La ligne rouge représente les radiations émises par le soleil. Si la majorité des rayonnements solaires traversent l'atmosphère pour toucher le sol (partie colorée en rouge), la plus grande partie du rayonnement IR émis pas la Terre (courbe bleue) n’est pas transmise (partie colorée en bleu) mais absorbée par l'atmosphère (en gris). On constate que la majeure partie de l’absorption est réalisée par la vapeur d’eau et le CO2. Remarque : La chaleur réémise par la Terre se présente sous deux formes :

La chaleur sensible est la chaleur transmise directement de la Terre à l’atmosphère.

La chaleur latente : chaleur transmise de la surface de la Terre à l’atmosphère lors de l’évaporation de l’eau des océans ou eau douce et évapo-transpiration des végétaux.

On constate donc que les deux gaz ayant un effet de serre important sont le CO2 et la vapeur d'eau. Nous allons essentiellement nous intéresser au CO2. Le diagramme suivant nous permet de constater qu'une variation du taux de CO2 a un impact direct sur la température à la surface de la Terre.

Non

absorbés

Modèle d’évolution de la température moyenne à la surface du globe en fonction des variations de la teneur atmosphérique en

CO2

Nathan spé 2012

http://www.eau-poitou-charentes.org/Qu-est-ce-que-le-changement.html

Depuis 1880, la température moyenne à la surface de la Terre a augmenté de 0,85°C avec une forte disparité régionale (+ 1,75°C pour certaines régions du monde). Chacune des trois dernières décennies a été respectivement plus chaude à la surface de la Terre que toutes les précédentes depuis 1850.

Il n’est guère besoin de long commentaire : la corrélation est jusqu’à présent parfaite… MAIS corrélation ne veut pas dire à ce stade causalité, et, contrairement aux simplifications que l’on lit parfois, ici, ce n’est pas principalement le CO2 qui a été responsable de l’augmentation passée. En fait, ce sont en premier lieu les modifications de l’orbite terrestre qui ont été responsables des changements de température passés – nous y reviendrons -, et ce sont ces modifications de température qui ont induit la modification de la concentration en CO2, pas l’inverse ( voir II-C).

Bilan : L’atmosphère est constituée à 99 % d’oxygène (O2) et d’azote (N2). Ces gaz sont stables, de concentration constante et ils sont transparents au rayonnement infrarouge thermique émis par la Terre (entre 4 et 50 microns). En effet, la capacité d'absorption d'un gaz est directement liée aux propriétés spectroscopiques des molécules qui le composent et à leur structure, et en particulier dans l'infrarouge à leur capacité à « vibrer ». Les molécules diatomiques comme l'oxygène et l'azote n'ayant pas cette capacité de vibration, elles n'absorbent donc pas le rayonnement infrarouge. Par conséquent, 99,9 % des gaz qui composent l’atmosphère n’ont pas d’impact sur la température de la Terre. Le 0,1 % restant de l’atmosphère est composé d’une série de gaz dont les concentrations varient et qui, en revanche, peuvent absorber la radiation infrarouge thermique. Ces gaz, qui ont un rôle déterminant, sont connus comme les « gaz à effet de serre ». Les molécules triatomiques qui ont une structure linéaire (comme le gaz carbonique CO2 et le protoxyde d'azote NO2), tétraédrique (comme le méthane CH4) ou sans symétrie (comme la vapeur d'eau H20, l'ozone O3 ou les chlorofluorocarbures CFCs) possèdent des bandes d'absorption dans le domaine infrarouge. Ces gaz à effet de serre piègent une partie de la radiation infrarouge qui s’échappe de la Terre vers l’espace, tandis que la « fenêtre atmosphérique », comprise entre 8 et ~14 microns, laisse s’échapper une quantité importante de radiation. On notera que l’atmosphère est relativement transparente dans la région du visible.

Spectres d’émission et d’absorption par l’atmosphère du rayonnement solaire et du rayonnement émis par la Terre.

Source Jean Poitou « composition atmosphérique et bilan radiatif », Reflets de la physique,n°33, 2013

http://www.climat-en-questions.fr/reponse/mecanismes-devolution/gaz-latmosphere-temperature-par-cathy-clerbaux

Ce phénomène d’effet de serre réchauffe la surface de la Terre en permanence et il a permis l’émergence de la vie sur la planète. Sans l'effet de serre naturel, la température moyenne à la surface serait de -18 °C. Or elle est actuellement de +15 °C. Certains gaz à effet de serre, en particulier le dioxyde de carbone, le méthane, l'ozone et les CFCs, sont directement

émis par les activités humaines et viennent s'ajouter aux concentrations naturelles liées à l'activité géologique et aux

cycles biogéochimiques. Les concentrations atmosphériques de ces gaz ont beaucoup augmenté depuis la révolution

industrielle, en particulier pour les CFCs depuis la fin des années 1970.

Ce phénomène contribue à amplifier artificiellement l’effet de serre et il limite le rayonnement infrarouge qui s’échappe

vers l’espace. De plus le CO2 est un gaz dont la solubilité diminue lorsque la température augmente. Ce gaz a donc un

effet amplificateur de l’effet de serre.il s’agit d’une rétroaction positive. Il est donc important de mieux mesurer les

capacités de réaction de l’océan à une augmentation de CO2 atmosphérique pour pouvoir prévoir l’évolution du

système.

Les gaz à effet de serre représentent une petite proportion de l’atmosphère mais leur rôle est déterminant. Ils

contrôlent la température de la surface de la Terre et des basses couches de l’atmosphère à cause de leur capacité à

absorber la radiation infrarouge.

L'effet de serre est donc un phénomène parfaitement naturel et tout à fait essentiel au développement de la vie sur Terre. Durant toute l'histoire géologique du globe, il a varié dans des proportions très importantes.

B- INFLUENCE DES PARAMETRES ASTRONOMIQUES

la théorie de Milankovitch : http://menaceclimatique.free.fr/anim_milankovitch.php

Rappelons que dans l’histoire du climat, il y a deux périodes qui se répètent à des intervalles plus ou moins réguliers :

une période glaciaire qui dure dans son ensemble 100 000 ans

une période interglaciaire qui dure 10 000 ans

Les refroidissements se font lentement alors que les réchauffements se font plus brutalement. Il y a 21 000 ans les calottes de glaces étaient plus importantes, et recouvraient le nord de l’Europe et de l’Amérique : c’était alors le dernier maximum glaciaire (le Würm) , et nous sommes actuellement dans une période chaude dite interglaciaire.

C'est un mathématicien serbe du début du XXe siècle, Milutin MILANKOVITCH, qui propose le premier, une explication astronomique aux changements climatiques du quaternaire, caractérisés par une alternance de périodes glaciaires et de périodes inter-glaciaires. Sa théorie est basée sur le fait que les variations périodiques saisonnières du climat sont directement liées aux caractéristiques du mouvement de rotation de la Terre autour du Soleil. Ainsi d'après la théorie formulée par cet astronome Milutin Milankovitch, les

fluctuations glaciaires-interglaciaires seraient dues aux variations d'insolation terrestre dans l'espace et dans le temps. Le rayonnement solaire reçu par la Terre et la manière dont il lui parvient aux confins de l'atmosphère dépendent évidemment de la position de la planète par rapport au Soleil, aussi bien en termes de distance qu'en termes d'incidence. La succession des jours et des nuits est due à la rotation autour de l'axe des pôles. La succession des saisons est due à l'inclinaison de l'axe des pôles et à la révolution elliptique annuelle...Or les paramètres orbitaux de la Terre ne sont pas constants à cause de l'attraction lunaire et des autres planètes proches. MILANKOVITCH, à partir des lois de la mécanique céleste, calcule l'effet de ces différentes attractions et met en évidence 3 types de perturbations périodiques. Ainsi les variations orbitales modifieraient l’insolation de la Terre et ainsi sa température (mesurée grâce au delta 18O).

Les variations d'obliquité. L'angle d'inclinaison est l'angle entre l'axe de la Terre et la perpendiculaire au

plan de son orbite. On note une variation de l'angle de l'axe de rotation avec le plan de l'écliptique (conséquence de l'attraction de la lune dont l'orbite n'est pas strictement dans le plan de l'écliptique). Cette fluctuation agit sur la répartition géographique de l'énergie solaire.

http://climatevolution.free.fr/ii1.html

On constate que la tâche formée au Tropique Nord (S2) ou celle formée au-dessus de ce tropique (S3) est plus

grande que celle formée à l’équateur alors qu’au départ on a un faisceau de lumière de section identique. Ceci

est dû à la sphéricité de la Terre. En effet, à l’Equateur les rayons du faisceau arrivent perpendiculairement au

sol, on a une section perpendiculaire du faisceau donnant un cercle alors qu’au niveau du Tropique, en raison

de la sphéricité de la Terre on a une section oblique du faisceau donnant une forme d’ovale. On a ainsi, au

niveau du Tropique, une surface de réception plus grande qu’à l’Equateur pour un flux identique de rayons. La

quantité d’énergie reçue au mètre carré ou flux d’énergie solaire sera donc plus faible au Tropique qu’à

l’Equateur.

Ceci explique la répartition des climats entre l’équateur et les pôles ainsi que le contraste entre les saisons :

Le 21 Mars et le 21 Septembre, la durée du jour est égale à la durée de la nuit, d’où le nom équi-noxe.

Au solstice d’hiver (21 décembre) l’hémisphère Nord reçoit moins d’énergie au m2 sur une durée d’exposition

plus courte que lors du solstice d’été.

Dans l’hémisphère nord le solstice de juin correspond au solstice d’été, l’illumination par le Soleil y est maximale

tant par l’intensité que par la durée d’exposition. Dans l’hémisphère sud le solstice de juin correspond au

solstice d’hiver, l’ensoleillement est minimum tant en intensité qu’en durée.

Dans les zones de climat tempéré, aux latitudes moyennes, les saisons astronomiques correspondent à quatre

phases d’évolution du climat dans l’année : hiver, printemps, été, automne. En zones tropicales, on parle

également de saisons, mais au sens de saison sèche et de saison des pluies. Les noms des saisons et les

phénomènes climatiques associés sont inversés dans les deux hémisphères.

Ainsi lors d’une variation de l’angle d’inclinaison de la Terre, le système actuel des saisons change en raison de l’incidence différente des rayons sur l’ensemble de la Planète. Bien qu’il soit actuellement incliné de 23,5° par rapport à la normale à l’écliptique, cette obliquité varie de 21,5° à 24,5° selon un cycle de 41 000 ans (elle est en moyenne de 23,3°, autrement dit proche de la valeur actuelle).

http://astrojm.over-blog.fr/article-10156716.html

https://www.les-crises.fr/climat-14-milankovitch/#!prettyPhoto

https://www.les-crises.fr/climat-14-milankovitch/#!prettyPhoto Il y a 11 000 ans, l’inclinaison était maximale (24,5°). Il y a 31 000 ans, elle passait par un minimum (21.5 à 22°).

Actuellement, l’inclinaison diminue, et elle sera de nouveau minimale dans 12 000 ans.

https://www.les-crises.fr/climat-14-milankovitch/#!prettyPhoto

Les variations d’excentricité. L'excentricité mesure l'écart entre l'orbite de la Terre autour du Soleil et un cercle parfait.

http://climatevolution.free.fr/ii1.html

L'orbite terrestre est une ellipse de faible excentricité ( 2% ).

https://www.u-picardie.fr/beauchamp/mbg6/radiatif.htm On distingue deux positions remarquables de la Terre sur son orbite : le périhélie et l’aphélie. Le périhélie est le moment de l’année où la Terre est la plus proche du Soleil.

L’excentricité de l'orbite de la Terre, elliptique, est un paramètre variable. Actuellement, elle est de 0.0167, ce qui signifie que la différence d’écart entre le Soleil et l’aphélie est supérieure de près de 5 040 000 kilomètres par rapport à la distance séparant le Soleil du périhélie. Cette excentricité varie entre 0 (orbite de la Terre circulaire autour du Soleil) et 0.053 (l’écart est alors de 15 860 000 km entre les deux distances) sur une

période de 100 000 ans. La cause est l'attraction de Jupiter. Cette variation de l'orbite agit sur la distance

Terre-Soleil, donc sur la quantité d'énergie solaire reçue. Milankovitch soupçonnait aussi l'existence d'un cycle de 413 000 ans, dont l’existence a été confirmée récemment grâce notamment à l’étude des glaces du forage de Vostok.

http://climatevolution.free.fr/ii1.html

https://www.les-crises.fr/climat-14-milankovitch/#!prettyPhoto

https://www.les-crises.fr/climat-14-milankovitch/#!prettyPhoto Ce cycle influe sur la disparité des saisons : plus l’excentricité est grande, plus les saisons sont contrastées (hiver rigoureux et été chaud).

https://www.les-crises.fr/climat-14-milankovitch/#!prettyPhoto

La précession astronomique. La direction dans laquelle pointe l'axe de rotation de la planète lorsque la Terre passe au plus près du Soleil est variable selon la date du périhélie.

L'axe de rotation ne reste pas fixe au cours du temps : les perturbations gravitationnelles de la Lune, du Soleil et des planètes entraînent un mouvement lent, « séculaire »qui inverse les saisons tous les 26 000 ans. En effet, tout en restant incliné à peu près de 23° 26' sur l'écliptique (le plan orbital de la Terre), l'axe va effectuer une rotation complète en 26 000 ans. L’axe de rotation de la Terre ne tourne pas sur lui-même mais décrit un cône comme l’axe de rotation d’une toupie. En effet la Terre n’étant pas parfaitement sphérique, le bourrelet équatorial modifie la trajectoire de l’axe de rotation comme dans le cas d’une toupie : il y a une rotation de son axe autour de la perpendiculaire au plan de son orbite avec une périodicité de 26 000 ans. En conséquence à l’échelle géologique, le moment où le pôle nord pointe vers le soleil ne correspond pas toujours à la même position de la Terre sur son orbite. On parle de précession.

Ainsi, l'équinoxe de printemps a un retard de 6 heures environ par an.

En 2000, équinoxe de printemps le 20 mars à 7h35 En 2001, équinoxe de printemps le 20 mars à 13h31 En 2002, équinoxe de printemps le 20 mars à 19h16

Dans 13 000 ans, l'étoile polaire aura changée. C'est l'étoile Véga vers laquelle pointera l'axe de rotation de la Terre et 13 000 ans plus tard il sera à nouveau dirigé vers notre étoile polaire. Ainsi il y aura au cours d’une année inversion des saisons : en effet si l’axe orienté vers l’étoile polaire donne une saison d’hiver quand la Terre est au solstice du 21 décembre, a cette même date dans 13 000ans, l’axe sera orienté vers Véga et l’inclinaison de la Terre par rapport au soleil induira une saison d’été.

Crédit : Astrophysique sur Mesure / Jean-Eudes Arlot et Gilles Bessou

http://guy.viel

h.free.fr/fiches

/granforma/pr

ecession_equi

nox.htm

https://www.les-crises.fr/images/1300-climat/1352-modelisation/obliquite-1.gif

https://www.les-crises.fr/images/1300-climat/1352-modelisation/precession-equinoxes-1.gif

http://www.meridienne.org/index.php?page=precession

https://shiftoftheage.wordpress.com/2009/11/02/precession-of-the-equinox-from-darkness-into-light-2/

http://coreana.fr/Effet%20Astronomique.htm

http://coreana.fr/Effet%20Astronomique.htm

SH solstice d’hiver

SE solstice d’Eté

https://www.u-picardie.fr/beauchamp/Paleoclim/Paleoclimats-10.html

http://planet-terre.ens-lyon.fr/article/milankovitch-passe.xml

https://www.les-crises.fr/climat-14-milankovitch/#!prettyPhoto

L’activité solaire

La "constante solaire" a probablement varié au cours des temps géologiques mais nous n'avons pas de mesures. Depuis quelques années, la constante est mesurée par satellite ; on a enregistré une variation de 0,02% par an, mais les techniques sont trop récentes et les mesures trop rares pour généraliser. Les taches solaires font une rotation en 27,25 jours. Le développement des tâches solaires parait corrélé à des variations climatiques (température, pluviosité). Les minima d'activité solaire semblent correspondre aux refroidissements et aux avancées glaciaires (petit âge glaciaire du XVII au XIX siècle) tandis que les maximas correspondraient aux optima climatiques (Moyen Age). Le ralentissement de l'activité solaire s'accompagnerait d'une diminution de son champ électromagnétique qui dévierait moins les rayons

cosmiques ; ceux-ci produiraient dans l'atmosphère des traînées de condensation dans la vapeur d'eau et la formation de nuages jouant le rôle de « parasol » diminuant l'ensoleillement.

https://www.u-picardie.fr/beauchamp/Paleoclim/Paleoclimats-10.html

https://www.les-crises.fr/climat-14-milankovitch/#!prettyPhoto

C- L’ALBEDO, UN ACTEUR IMPORTANT DU CLIMAT

L’albédo (http://www.atmosphere.mpg.de/enid/1rc.html ) est le rapport entre l'énergie que réfléchit une surface et l'énergie incidente qu'elle reçoit

http://www.emse.fr/~bouchardon/enseignement/processus-naturels/up1/web/wiki/Q%20-%20Atm%20-%20Role%20des%20glaciers%20dans%20le%20climat%20terrestre%20actuel%20-%20Rondeau.htm

C’est l’un des facteurs qui contrôle la température de surface de la Terre. Actuellement environ 30 % de l'énergie solaire arrivant sur toute la surface de la Terre est réfléchie vers l'espace. On a donc un albédo de 0,3. Nous savons que plus une surface est réfléchissante, moins elle s'échauffe. Des radiomètres permettent de mesurer l'albédo d'un objet donné. Embarqués à bord de satellites, ceux-ci peuvent évaluer l'albédo des différentes régions du globe de façon très précise. Au laboratoire, on peut utiliser des petits appareils qui permettent de mesurer l'intensité du rayonnement réfléchi ou émis par un objet (sable sec, sable humide, végétaux, eau) disposé sous le radiomètre. La mesure peut être répétée en interposant des filtres (vert, rouge, infrarouge, ...) entre l'objet et le radiomètre. Il devient alors possible d'identifier un objet correspondant à une partie de l'image satellitale par comparaison avec les valeurs mesurées en laboratoire.

Par exemple, si les valeurs d'une partie de l'image satellitale dans les 3 canaux correspondent aux valeurs enregistrées en laboratoire pour du sable humide, on pourra dire que cette portion de l'image satellitale correspond à une plage. Une vérification sur le terrain reste cependant indispensable.

http://www2.ac-lyon.fr/enseigne/biologie/enseig/seconde/imgsat/radiometre.html

L’albédo de la Terre varie principalement en fonction de la nébulosité, de l’enneigement, de l’englacement et du couvert végétal : en moyenne, il est de 34 %.

Les meilleures zones réfléchissantes du globe correspondent à des surfaces blanches ou claires:

Surface Albédo

Neige fraîche 0,8 – 0,9 Neige ancienne et glace 0,5 – 0,6

Sable / Sol nu 0,3 Végétation (herbe) 0,2 – 0,25 Végétation (forêt) 0,05 – 0,15

Océan 0,07

Ces valeurs sont cependant à prendre avec précaution, étant donné que l'albédo d'un même type de surface peut varier considérablement. Par exemple, pour ceux de la glace et de l'eau (surfaces localisées au niveau des pôles et des glaciers qui nous intéressent tout particulièrement), on a globalement les valeurs suivantes :

Hugo Ahlenius, UNEP/GRID-Arendal

II UNE REGULATION DU CLIMAT PAR RETROACTION Une rétroaction désigne l’action en retour d’un système à la modification d’un paramètre. Le mécanisme de rétroaction est très souvent utilisé dans la cybernétique, mais il est aussi utilisé en biologie, en finance, en économie, et en physique au sens large. Si la réponse du système amplifie le phénomène, on parlera alors de rétroaction positive. Si elle l’atténue, on parlera à l’inverse de rétroaction négative. On parle plus souvent de boucle de rétroaction que de rétroaction seule. Une boucle est un cycle de processus qui agissent en chaîne. Une boucle de rétroaction positive induit que toutes les rétroactions entre les différents chaînons conduisent à amplifier la perturbation, qui modifie l’équilibre entre les chaînons. Si la boucle de rétroaction est négative, c’est qu’elle tend à atténuer la perturbation.

A- INFLUENCE DE LA FONTE DE GLACES

Problème : la fonte de la banquise et calottes glaciaires va-t-elle limiter la hausse de température ?

Marcel Nicolaus, Yves Nowak, Alfred Wegener Institute http://www.futura-sciences.com/magazines/environnement/infos/actu/d/climatologie-impact-energetique-flaques-banquise-44141/ La diminution de la surface enneigée ou englacée à la surface de la Terre a pour conséquence, entre autres, une diminution de l'albédo global de la planète : ces surfaces d'albédo relativement élevé, sont transformées en surfaces dont l'albédo peut être nettement plus faible (autres types de neiges, océans, et terres). L'albédo étant plus faible, la part du flux solaire renvoyé vers le cosmos diminue et celle absorbée par la Terre augmente, provoquant une augmentation de la température.

http://www.emse.fr/~bouchardon/enseignement/processus-naturels/up1/web/wiki/Q%20-%20Atm%20-%20Role%20des%20glaciers%20dans%20le%20climat%20terrestre%20actuel%20-%20Rondeau.htm La fonte des glaces entraîne par ailleurs une augmentation de la proportion d'eau liquide sur la planète, eau qui va directement alimenter les océans, et contribue à l'augmentation du niveau de la mer, avec des conséquences parfois dramatiques dans certaines régions.

L'élévation du niveau de la mer due à la fonte des glaces constaté aujourd'hui est le fait de la fonte des glaciers continentaux, et moins celui de la fonte des inlandsis.

Réchauffement planétaire fonte de vastes surfaces neigeuse remplacée forêt ou océan (pouvoir réfléchissant plus faible) diminution de l’albédo terrestre plus de rayons piégés réchauffement planétaire = effet boule de neige = rétroaction positive

B- L’importance de la couverture nuageuse

La couverture nuageuse joue un double rôle dans l’équilibre thermique terrestre :

https://www.schoolmouv.fr/terminale-s/svt/le-systeme-climatique-terrestre-et-l-effet-de-serre/fiche-de-

cours

Si globalement les climatologues pensent que la couverture nageuse augmentera avec le réchauffement, difficile de conclure sur l’impact de la couverture nuageuse : rétroaction positive ou négative selon le type de nuages ! Pour aller plus loin, poster CNES_calipso : http://www.cnes.fr/automne_modules_files/standard/public/p7186_b43b8a038a6c5d1cb5e7f73 6f4373490p5124_7cc04bc1bc4bac93f3c78489a5e52df2Pancalipso_DDS2-1.pdf

C- TEMPERATURE ET SOLUBILITE DU DIOXYDE DE CARBONE

l’importance la pompe physique océanique

Problème : les eaux océaniques vont-elles limiter la hausse de température ? 75% de la surface terrestre est représentée par l’océan. Ce dernier joue un rôle prépondérant dans le cycle du carbone car il peut se comporter : · comme puits de CO2 en le pompant depuis l’atmosphère vers l’océan · comme émettrice de CO2 en le relargant dans l’atmosphère depuis l’océan Il existe une grande hétérogénéité à la surface de l’océan, globalement : · La zone équatoriale est émettrice de carbone · Les régions de moyennes latitudes sont des puits de carbone. En effet la température de l’eau influence directement ces échanges : plus la température de l’eau est froide et plus le CO2 est soluble dans celle-ci. Réchauffement planétaire Réchauffement des eaux de surface diminution de la solubilité du CO2 dégazage en CO2 par l’océan augmentation du CO2 atm augmentation de l’effet de Serre réchauffement planétaire = effet boule de neige = rétroaction positive

l’importance de la pompe biologique océanique

Problème : le plancton océanique va-t-il limiter la hausse de température ?

La végétation n’est pas uniquement cantonnée aux continents. Il existe une formidable flore marine représentée par le phytoplancton. Celui-ci en se développant dans les eaux superficielles des océans prélève du CO2 pour la réalisation de la photosynthèse : on parle de la pompe biologique océanique en CO2. Les régions océaniques tropicales représentent des déserts océaniques, non pas par manque d’eau, mais par carence en sels nutritifs (nitrates et phosphates). Réchauffement climatique réchauffement des eaux de surface eaux chaudes stagnent en surface limitation de la remontée des eaux profondes riches en sels nutritifs carence en sels minéraux des eaux de surface développement limité du phytoplancton diminution de la pompe biologique en CO2 augmentation du CO2 atm augmentation de l’effet de serre réchauffement climatique = effet boule de neige = rétroaction positive Pour aller plus loin avec le cycle carbone : http://education.meteofrance.com/jsp/site/Portal.jsp?page_id=15684&educelm=machine_7_0 http://www.cea.fr/jeunes/mediatheque/animations_flash/a_la_loupe/le_cycle_du_carbone

D- CONCLUSION

Ce schéma montre la boucle de rétroaction positive constituée par l’extension des calottes polaires, l’albédo des glaces et les températures. © Météo-France

Les boucles de rétroactions sont très importantes dans les sciences du climat, en voici quelques exemples :

rétroaction positive de la vapeur d’eau : si la température atmosphérique augmente, le taux de vapeur d’eau augmente également. Comme la vapeur est l’un des principaux gaz à effet de serre, l'effet de serre augmente, donc la température continue d’augmenter. C’est une rétroaction positive, puisqu’elle amplifie le mécanisme de réchauffement ;

rétroaction positive de la couverture nuageuse : si le climat se refroidit, la couverture neigeuse hivernale persistera plus longtemps. La neige a un albédo très élevé, c'est-à-dire qu’elle réfléchit l’énergie solaire, et inhibe donc le réchauffement du sol. C’est une rétroaction positive, car elle amplifie le phénomène de refroidissement initial ;

rétroaction négative des nuages bas : si la température atmosphérique augmente, la formation de nuages est favorisée. Mais les nuages bas réfléchissent beaucoup le rayonnement solaire, ils possèdent un très fort albédo. En se formant, ils limitent donc le réchauffement local, ce qui entraîne une diminution de la température. C’est donc une rétroaction négative, puisque le phénomène initial de réchauffement de l’atmosphère est atténué ;

rétroaction positive de l'albédo : plus il y a de glace, plus l'albédo des pôles est important, plus l'énergie est réfléchie vers l'atmosphère, et donc plus les calottes s'étendent.

III. LES MODIFICATIONS ANTHROPIQUES DE L’ATMOSPHERE ET DU CLIMAT

http://education.meteofrance.com/jsp/site/Portal.jsp?page_id=16010&document_id=27255&portlet_id=912

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L'effet de serre naturel est bénéfique en générant une température de +15°C. La stabilité de cette valeur moyenne dépend de l'équilibre thermique entre la quantité d'énergie reçue et la quantité d'énergie réémise par le couple Terre-Atmosphère. Or, les bilans radiatifs au sommet de l'atmosphère et au sol montrent un déséquilibre : en raison de l'émission de gaz à effet de serre d'origine anthropique, trop de chaleur est conservée dans l'atmosphère par cet effet de serre additionnel ce qui provoque une hausse globale de la température moyenne ou réchauffement climatique. On note déjà, à l’échelle du globe, une hausse des températures moyennes de l’atmosphère et de l’océan, une fonte massive de la neige et de la glace et une élévation du niveau moyen de la mer Les émissions mondiales de GES imputables aux activités humaines ont augmenté depuis l’époque préindustrielle ; la hausse a été de 70 % entre 1970 et 2004.

Les activités humaines sont à l’origine de l’émission des quatre principaux gaz à effet de serre: le dioxyde de carbone (CO2), le méthane (CH4), l’oxyde nitreux (N2O) et les halocarbures (groupe de gaz comprenant le fluor, le chlore et le brome). Ces gaz s’accumulent dans l’atmosphère avec une concentration croissante au fil du temps. La concentration de tous ces gaz s’est fortement accrue pendant l’ère industrielle (voir figure 1) et elle est entièrement imputable aux activités humaines.

Le dioxyde de carbone a augmenté à cause de l’utilisation des combustibles fossiles dans les transports, le chauffage et la climatisation des bâtiments, ainsi que par les cimenteries et autres industries. Le déboisement dégage du CO2 et diminue son absorption par les plantes. Des processus naturels, tels que la décomposition des matières végétales, dégagent également du dioxyde de carbone.

L’augmentation du méthane est aussi due à l’activité humaine dans les domaines de l’agriculture, de la distribution du gaz naturel et de l’enfouissement des déchets. Le méthane se dégage naturellement, entre autres, dans des zones humides. Du fait de la diminution des taux de croissance au cours des deux dernières décennies, les concentrations de méthane dans l’atmosphère sont restées stables.

Les émissions d’oxyde nitreux peuvent également être de source anthropique : utilisation d’engrais et combustion de combustibles fossiles. Le N2O est aussi naturellement émis par les sols et les océans.

Les concentrations accrues de halocarbures sont principalement dues à l’activité humaine, mais aussi, dans une mesure moindre, à des processus naturels. Les principaux gaz halocarbonés comprennent les chlorofluorocarbures (p. ex. les CFC- 11 et les CFC- 12), massivement utilisés dans le passé comme agents réfrigérants et dans d’autres procédés industriels, jusqu’à ce qu’on s’aperçoive que leur présence dans l’atmosphère provoquait l’appauvrissement de l’ozone stratosphérique. La quantité des chlorofluorocarbures est en train de décroître suite aux réglementations internationales visant à protéger la couche d’ozone.

L’ozone est un gaz à effet de serre qui est produit et détruit en permanence dans l’atmosphère par des réactions chimiques. Les activités humaines ont augmenté la concentration d’ozone dans la troposphère par des émanations de gaz tels que le monoxyde de carbone, les hydrocarbures ou l’oxyde d’azote, dont la réaction chimique produit de l’ozone. Comme mentionné ci-dessus, les halocarbures d’origine anthropique détruisent l’ozone stratosphérique et ont provoqué le trou d’ozone au-dessus de l’Antarctique.

Le plus important et le plus répandu des gaz à effet de serre atmosphériques est la vapeur d’eau. Sa quantité dans l’atmosphère dépend peu de l’influence directe des activités humaines. Toutefois, en modifiant le climat, l’homme est potentiellement capable d’agir considérablement sur la vapeur d’eau de manière indirecte. Par exemple, une atmosphère plus chaude contiendra davantage de vapeur d’eau. Les activités humaines agissent également sur la vapeur d’eau en émettant du CH4, car le CH4 est chimiquement détruit dans la stratosphère en dégageant une faible quantité de vapeur d’eau.

Les aérosols sont de minuscules particules présentes dans l’atmosphère, dont la dimension, la concentration et la composition chimique sont fortement sujettes à variation. Certains aérosols sont émis directement dans l’atmosphère, tandis que d’autres se forment à partir de composants émis. Les aérosols contiennent à la fois les composants naturels et les composants anthropiques. La combustion des combustibles fossiles et de la biomasse ont fait augmenter la quantité d’aérosols contenant des composés sulfureux, des composés organiques et du carbone noir (suie). Les activités humaines telles que les exploitations minières à ciel ouvert et autres processus industriels ont provoqué l’augmentation des poussières dans l’atmosphère. Les aérosols naturels comprennent la poussière minérale provenant de la surface de la terre, les aérosols du sel des océans, les émissions biogéniques des sols et des océans, ainsi que les sulfates et la poussière provenant d’éruptions volcaniques.

Concentrations atmosphériques des principaux gaz à effet de serre de longue durée, depuis 2000 ans. Leur augmentation depuis l’ère industrielle (vers 1750) est d’origine humaine. Les unités de concentration sont exprimées en parts par million (ppm) ou en parts par milliard (ppb). Elles indiquent le nombre de molécules de gaz à effet de serre dans un échantillon atmosphérique donné par million ou milliard de molécules d’air, respectivement. (Combinaison simplifiée des données énoncées aux chapitres 6 et 2 du présent rapport). https://www.ipcc.ch/publications_and_data/ar4/wg1/fr/faq-2-1.html

http://chroniques-du-temps.over-blog.fr/pages/Les_differents_gaz_a_effet_de_serre-1703210.html

Même s’ils sont les plus connus et les plus souvent cités, le dioxyde de carbone (CO2) et la vapeur d’eau ne sont pas les seuls GES : il faut aussi compter avec le méthane (CH4) et le protoxyde d’azote (NO2). Depuis 1750, sous l’effet des activités humaines, les concentrations atmosphériques de CO2, de méthane (CH4) et

d’oxyde nitreux (N2O) se sont fortement accrues ; elles sont aujourd’hui bien supérieures aux valeurs historiques déterminées par l’analyse de carottes de glace portant sur de nombreux millénaires A ces gaz d’origine « naturelle » (présents dans l’atmosphère avant l’apparition de l’Homme), il faut ajouter les gaz « artificiels » (leur présence dans l’atmosphère est presque exclusivement imputable à l’activité humaine) : les hydrocarbures halogénés. Destructeurs de la couche d’ozone, le Protocole de Montréal réglemente leur utilisation depuis 1987. Ces GES n’ont pas tous le même « pouvoir de réchauffement global » (PRG). Le PRG est calculé en fonction de deux paramètres principaux : la quantité d’énergie que le gaz peut intercepter et sa durée de résidence dans l’atmosphère. Pour faciliter les comparaisons, cet indice utilise comme référence le CO2 et est exprimé en « équivalent CO2 » (noté CO2e). Par définition, l’effet de serre attribué au CO2 est fixé à 1 et celui des autres substances relativement au CO2. Ainsi, 1 kg de méthane a-t-il un pouvoir de réchauffement de l’atmosphère équivalent sur 100 ans à 21 kg de CO2.

Diagramme présentant les pouvoirs de réchauffement global pour quelques GES concernant les secteurs agricole, agroalimentaire et forestier. Connaissant le pouvoir de réchauffement global de chacun de ces gaz à effet de serre, et connaissant leurs concentrations dans l'atmosphère, on peut déterminer exactement la part de chacun d'entre eux dans l'effet de serre d'origine humaine et donc dans le réchauffement climatique. Pour quantifier exactement cette part, on parle de Forçage Radiatif entre 1750 et aujourd'hui.

Le terme « radiatif » est utilisé du fait que ces facteurs modifient l’équilibre entre le rayonnement solaire entrant et les émissions de rayonnements infrarouges sortant de l’atmosphère. Cet équilibre radiatif contrôle la température à la surface de la planète. Le terme forçage est utilisé pour indiquer que l’équilibre radiatif de la Terre est en train d’être déstabilisé.

Le forçage radiatif est généralement quantifié comme « le taux de transfert d’énergie par unité surfacique du globe, mesuré dans les hautes couches de l’atmosphère », et il est exprimé en « watts par mètre carré » (W/m2). Un forçage radiatif causé par un ou plusieurs facteurs est dit positif lorsqu’il entraîne un accroissement de l’énergie du système Terre/atmosphère et donc le réchauffement du système. Dans le cas inverse, un forçage radiatif est dit négatif lorsque l’énergie va en diminuant, ce qui entraîne le refroidissement du système. Globalement, le forçage radiatif représente la différence entre la chaleur renvoyée par le sol par l'effet de serre aujourd'hui (en tenant donc compte à la fois de l'effet de serre "naturel" et de celui dû à l'homme) et celle qui était renvoyée en 1750 (effet de serre naturel).

La figure ci-dessous représente le forçage radiatif entre 1750 et 2005 dû aux principaux gaz à effet de serre

Résumé des principaux éléments du forçage radiatif du changement climatique. Tous ces forçages radiatifs ont pour origine un ou plusieurs facteurs qui affectent le climat et sont associés à des activités humaines ou à des processus naturels étudiés dans le corps du texte. Les valeurs représentent les forçages entre le début de l’époque industrielle (vers 1750) et 2005. Les activités humaines sont à l’origine de changements significatifs dans les gaz de longue durée de vie, l’ozone, la vapeur d’eau, l’albédo de surface, les aérosols et les cotras. Le seul facteur naturel d’un accroissement sensible du forçage entre 1750 et 2005 a été le rayonnement solaire. Les forçages positifs on tendance à réchauffer le climat, les forçages négatifs à le refroidir. Le fin trait noir rattaché à chaque barre de couleur représente le degré d’incertitude quant à la valeur correspondante (figure adaptée de la figure 2.20 du présent rapport).

https://www.ipcc.ch/publications_and_data/ar4/wg1/fr/faq-2-1-figure-2.html L’essentiel de l’élévation de la température moyenne du globe observée depuis le milieu du XXe siècle est très probablement attribuable à la hausse des concentrations de GES anthropiques. Il est probable que tous les continents, à l’exception de l’Antarctique, aient généralement subi un réchauffement anthropique marqué depuis cinquante ans

Comparaison des variations constatées à l’échelle mondiale et continentale dans la température à la surface de la terre à l’a ide des résultats simulés par les modèles climatiques basés sur les forçages naturels et anthropiques. Les moyennes décennales des

observations de 1906 à 2005 (ligne brisée noire) sont datées du milieu de chaque décennie, et le point zéro en ordonnée correspond chaque fois à la moyenne observée pendant la période 1901–1950. Les courbes sont pointillées lorsque la couverture spatiale des

observations est inférieure à 50%. Les bandes bleues correspondent à l’amplitude située entre 5% et 95% pour 19 simulations issues de 5 modèles climatiques qui ne sont basés que sur les forçages naturels provenant du soleil et de l’activité volcanique. Les bandes rouges représentent l’amplitude située entre 5% et 95% pour 58 simulations issues de 14 modèles climatiques basés à la fois sur les

facteurs de forçage naturels et anthropiques. Les sources de données et les modèles utilisés sont décrits dans la Section 9.4, FAQ 9.2, le Tableau 8.1 et les informations complémentaires du chapitre 9. {FAQ 9.2, Figure 1}

https://www.ipcc.ch/publications_and_data/ar4/wg1/fr/tssts-4-1.html

Bilan :

Depuis 1750, sous l’effet des activités humaines, les concentrations atmosphériques de CO2, de méthane (CH4) et du protoxyde d’azote (N2O) se sont fortement accrues ; elles sont aujourd’hui bien supérieures aux valeurs historiques déterminées par l’analyse de carottes de glace portant sur de nombreux millénaires. L’essentiel de l’élévation de la température moyenne du globe observée depuis le milieu du XXe siècle est très probablement attribuable à la hausse des concentrations des gaz à effet de serre (GES) anthropiques.

IV - LE CLIMAT DE DEMAIN, UNE MODELISATION DELICATE Logiciel : simclimat Les prédictions sur l'évolution du climat sont l'objet de controverses et de discussions qui n'ont souvent rien de scientifique. Parmi les études sur l'évolution du climat, celles du GIEC (Groupe Intergouvernemental sur l'Evolution du Climat) sont considérées comme les plus sérieuses même si l'organisme en question n'est pas au-dessus de toutes critiques. Le GIEC préfère l'utilisation de projection climatique à celui de prévision. En effet, les projections reposent sur des hypothèses qui ne vont pas forcément se réaliser, comme c'est le cas pour l'évolution des conditions socio-économiques et techniques qui ont servies à l'élaboration des scénarios d'émission. Il y a de ce fait une plus forte incertitude sur les projections que sur les prévisions. Comme le montre la figure ci-dessous, les scénarios d'émission sont utilisés pour établir des projections climatiques qui peuvent elles-mêmes être employées pour évaluer les incidences. L'utilisation des modèles successifs accroit bien sur l'incertitude.

Voici un descriptif des scénarios envisagés par le GIEC : La première série de scénarios sont regroupés sous appellation "scénarios A1”. Ces scénarios reposent sur l’hypothèse d'une croissance économique rapide de l'économie mondiale associée à une croissance de la population mondiale jusqu'au milieu du 21e siècle, suivie d'une légère baisse de celle-ci et de l’introduction rapide de nouvelles technologies énergétiques efficaces. Les économies régionales se développent fortement et la prospérité est répartie équitablement Les scénarios A1 se subdivisent en trois groupes :

en A1F1, le monde continue principalement de fonctionner avec les combustibles fossiles,

en A1T avec des combustibles non fossiles,

en A1B avec un mélange des deux.

Le scénario A2 décrit un monde qui reste divisé. Dans l'ensemble, il n'y a pas de redistribution des ressources

naturelles disponibles, des connaissances technologiques et du bien-être entre les régions riches et pauvres

Le scénario B1 suit le scénario A1, mais le monde se tourne plus rapidement vers une économie axée sur les

services avec une introduction rapide de technologies propres et durables.

Le scénario B2 parle d'un monde axé sur la préservation de l'environnement et de l'égalité sociale, mais qui part

de solutions régionales en matière de durabilité économique, sociale et écologique

Le graphique ci-dessous montre les projections des émissions des gaz à effet de serre et de la température de

la Terre jusqu'en 2100 pour quelques scénarios du GIEC.

Scénarios d’émissions de GES pour la période 2000–2100 (en l’absence de politiques climatiques additionnelles) et projections relatives aux températures en surface Si on se focalise davantage sur la France, on peut constater l'augmentation de température moyenne sur notre pays depuis un siècle et plus particulièrement depuis les 30 dernières années :

Les climatologues français ont récemment cherché à déterminer si des vagues de chaleur comme celle d'août 2003 et juin 2015 pourraient se multiplier d'ici la fin du XXI e siècle. Ils ont choisi pour cette simulation climatique un scénario d'émissions de gaz à effet de serre plutôt pessimiste (scénario A2 du GIEC, pas de ralentissement des émissions).

Nombre de jours par an avec températures maximales supérieures à 35°C en France : dernière décennie du 20 ème siècle comparée à la dernière décennie du 21ème siècle, selon les 3 scénarios A2, A1B et B1 (copyright Météo-France 2007) Les simulations prévoient une augmentation très nette du nombre de canicules estivales en France. Les journées de très forte chaleur (température maximale supérieure à 35°C) devraient devenir beaucoup plus fréquentes à la fin du XXIe siècle : en moyenne, de 20 à 40 journées (selon le scénario) par été à Paris (contre moins de 3 actuellement) et de 25 à 55 journées à Toulouse (contre 3 à 5 actuellement).

Bilan :

L’identification des paramètres qui contrôlent le climat de la Terre est essentielle pour construire des modèles

climatiques :

Il faut connaitre la variabilité naturelle du climat et les facteurs contrôlant le climat (=astronomiques, tectoniques, biologiques)

Il faut prendre en compte la dimension temporelle : les facteurs régulateurs du climat n’agissent pas tous dans le même laps de temps

Il faut prendre en compte l’activité humaine qui augmente la concentration des gaz à effet de serre dans l’atmosphère.

Afin de prévoir l’évolution du climat, le GIEC (Groupe d’experts Intergouvernemental sur l’Évolution du Climat) a réalisé différentes simulations prenant en compte ces nombreux facteurs ; quelles que soient les modélisations réalisées, elles prévoient toutes un accroissement des températures de l’ordre de 2 à 5 °C pour 2100. Les modèles numériques prennent en compte de nombreux paramètres. Certains de ces paramètres exercent un forçage positif (ex : augmentation des gaz à effet de serre) : ils tendent à augmenter la température globale. D'autres exercent au contraire un forçage négatif (ex : poussières dans la haute atmosphère) : ils tendent à diminuer la température globale. Ces hypothèses évolutives du climat restent cependant encore imprécises du fait des nombreuses interactions qui expliquent l’évolution du climat ainsi que par les paramètres dont l’influence n’est pas à l’heure actuelle suffisamment connue (rôle tampon de la biosphère, rôle des nuages, implication des océans dans le transport de chaleur et le captage du CO2).