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Les changements climatiques

Publié le 31/12/2018

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VARIATIONS À COURT ET A LONG TERME

Le climat désignait originellement un lieu ou une région connaissant des conditions atmosphériques constantes. Progressivement la notion atmosphérique s'est substituée à la notion de lieu : cette évolution sémantique s’est imposée avec le développement de l’intérêt scientifique, puis économique, pour les phénomènes atmosphériques.

 

La climatologie s’est alors consacrée à l'étude des climats comme phénomènes atmosphériques réunissant différents domaines d'études scientifiques : océanologie, météorologie, astronomie, biologie, chimie... Ces connaissances particulières, une fois synthétisées, ont permis de mettre en évidence les rôles, mécanismes et propriétés du climat et particulièrement son caractère variable à différentes échelles de temps.

SYSTÈME CLIMATIQUE ET ÉCHANGES D'ÉNERGIE

Définition du climat

 

Le climat est défini par des statistiques sur les variations météorologiques : la météorologie s'applique à la description des mécanismes atmosphériques alors que la climatologie s'applique à l'étude des variations statistiques des états météorologiques sur différentes échelles temporelles (années, décennies, siècles, millénaires...). La notion de climatologie ne peut pas être séparée de la notion de variabilité des paramètres météorologiques.

Le système climatique terrestre La climatologie étudie le système climatique et ses variations. Sur Terre le système climatique est composé de l'atmosphère, de la surface continentale (y compris la végétation, les lacs, les glaciers ..)

et de l'océan. Les interactions entre les différentes sphères du système climatique participent à la variabilité du climat

Les mécanismes qui constituent le climat sont aussi bien physiques que chimiques ou biologiques : le rayonnement solaire, les gaz de l'atmosphère ou la vie végétale et océanique sont autant d'acteurs naturels dans la régulation du climat ; ce sont des paramètres internes au système climatique. Mais le système climatique est aussi sous l'influence de paramètres externes. Parmi ces paramètres, ceux qui ont une influence forte sur le climat sont :

 

• la tectonique des plaques : elle

fait varier les distributions des continents et des océans.

 

les changements d'insolation : dus principalement aux variations des paramètres astronomiques de la Terre.

 

les activités humaines dites anthropiques : l'activité humaine a modifié les sols, les végétations, la composition de l'atmosphère...

 

Les échanges d'énergie

 

DANS LE SYSTÈME CLIMATIQUE

 

La climatologie est tout d’abord une affaire d'énergie. Les interactions entre océans et atmosphère, l'absorption de l'énergie solaire par les nuages, les glaciers ou l'océan sont autant de transformations ou de transports d'énergie. L'énergie solaire absorbée, transformée et transportée par le système est le moteur de la variabilité climatique.

 

Bilan moyen de l'énergie de la planète

 

La principale source d'énergie sur Terre est l'énergie solaire : 70% de cette énergie captée par la Terre sont absorbés par le système, essentiellement par la surface. Une fois absorbée, cette énergie est alors rayonnée par le sol sous forme d'infrarouges (rayonnement thermique). Mais elle n'est pas perdue définitivement : certains gaz appartenant naturellement à l’atmosphère forment un écran aux infrarouges émis par le sol. Les rayonnements sont absorbés puis renvoyés vers la surface. Sans cet effet de serre naturel, la température moyenne à la surface de la Terre serait inférieure de 33 °C, soit -18 °C.

 

Transport de l'énergie

 

Ce bilan énergétique est une vision moyenne : les zones équatoriales absorbent particulièrement l'énergie à l'inverse des zones polaires où les glaces reflètent très fortement

« Ce paramètre correspond à une oscillation de l'axe des pôles autour d'un cône. Il a une influence sur le contraste saisonnier hiver/été. C'est la combinaison de ces trois paramètres qui régit l'intensité d'absorption des rayonnements solaires par le système climatique terrestre. Étant données leurs périodes respectives, ils peuvent annuler ou accentuer leurs influences sur les climats terrestres. • Comment a-t-on pu valider cette théorie astronomique des paléoclimats ? Milutin Milankovitch, astrophysicien serbe, eut le premier l'intuition d'une corrélation entre les cycles glaciaires et l'insolation. C'est en comparant les variations d'insolation de l'hémisphère nord avec les périodes de glaciations déduites des archives climatiques qu'il obtint la validation de sa théorie. la comparaison des cycles d'insolation et des cycles glaciaires montre une correspondance systématique entre un extremum d'ensoleillement et le passage d'une période de glaciation à une période interglaciaire. t:entrée dans une période glaciaire correspond à une insolation faible de l'hémisphère nord l'été: la neige accumulée pendant l'hiver fond moins et s'accumule alors d'année en année. Finalement les calottes ainsi formées refroidissent l'atmosphère et, avec la baisse de l'insolation. accentuent progressivement le passage à une période glaciaire. Inversement, le basculement dans une période interglaciaire correspond à un maximum d'Insolation : c'est cet extremum en été qui déstabilise alors les calottes de glaces accumulées et provoque leur fonte. le couplage de l'augmentation d'insolation avec la diminution des glaces provoque la fin de la période glaciaire. • les variations climatiques glaciaires f interglaciaires présentent un caractère chaotique. En effet, la découverte du forçage climatique qu'est l'insolation a mis en lumière un autre caractère des variabilités climatiques. En observant les courbes de formation des glaces au cours des différents cycles glaciaires, le système climatique se révèle comme un système non linéaire : avec des effets de seuil, comme le basculement soudain d'une période glaciaire à une période interglaciaire, et des effets de rétroaction, comme les formations de glaces qui participent à une diminution de température de l'atmosphère alors qu'elles sont provoquées justement par une diminution de température. Autres paramètres externes Il existe d'autres paramètres pouvant jouer sur les variations climatiques : • les chutes de météores peuvent provoquer des changements topographiques et charger l'atmosphère en gaz et particules; • les variations d'intensité de l'activité du Soleil : les taches à la surface du soleil fluctuent en nombre et en surface, ce qui provoque des variations dans l'émission du rayonnement solaire. Actuellement l'activité du Soleil fluctue faiblement. (AS DE VARIABILJTt RAPIDE DU CLIMAT : NOTION DE SURPRISE CLIMATIQUE le caractère particulièrement instable du climat s'est manifesté au cours de la dernière période de glaciation dans l'hémisphère nord. Cette période a connu d'intenses variations de température, beaucoup trop rapides pour être liées à un quelconque changement de paramètres orbitaux. Plus surprenant, parmi ces variations dans l'hémisphère nord, les plus intenses sont accompagnées de variations inverses dans l'hémisphère sud. Cette surprise climatique peut trouver une explication dans l'étude d'une anomalie des sédiments marins de l'Atlantique Nord. Pendant les coups de froid, il semblerait que les sédiments marins des fonds océaniques soient d'origines terrestres et non océaniques : les glaces continentales, en se formant et en s'étendant, auraient drainé la surface terrestre. En descendant sur l'océan nord-atlantique, ces calottes libérèrent des sédiments terrestres qui se déposèrent alors dans les fonds océaniques. Cette anomalie des sédiments marins révèle le mécanisme possible de cette surprise climatique. En période glaciaire, les calottes faites d'eau douce débordent sur les océans, se fragilisent et forment des icebergs. la fonte des icebergs dans l'océan Atlantique Nord perturbe alors la salinité de l'eau :l'eau douce en se mélangeant diminue la densité de l'eau océanique. Les eaux ainsi formées ont tendance à rester à la surface. Cette pertur bation des caractéristiques des eaux de surface modifie alors profondément la circulation thermohaline : • les eaux chaudes de surface plongent plus au sud, modifiant le climat européen en le refroidissant ; • la circulation thermohaline de surface apporte moins de chaleur dans l'hémisphère nord que dans l'hémisphère sud. la chaleur s'accumule dans l'hémisphère sud. Cette modification de la circulation océanique dans l'hémisphère nord entraînerait alors de fortes variations climatiques : plusieurs degrés d'écart en moyenne, sur des périodes courtes de l'ordre de quelques dizaines d'années. Finalement, ces perturbations mettent en évidence le caractère particulièrement sensible de la circulation atlantique nord et son rôle dans la régulation climatique de I'Europe. le Gulf Stream est l'exemple même de la fragilité de l'équilibre du climat. En effet, ce courant qui réchauffe le Royaume-Uni et l'Europe de l'Ouest circule à la manière d'un tapis roulant : il plonge au nord et reflue en surface au sud, suivant un mouvement continu. Si la salinité des eaux est modifiée -ce qui arrive en cas de fonte des glaces -. ce mécanisme est rompu :l'eau, insuffisamment saline, ne plonge plus. Avec la disparition des effets du Gulf Stream, le climat de la France risquerait de s'apparenter à celui du Canada (Vancouver est à la même latitude que la Rochelle}, et ce à cause ... d'un réchauffement. INFLUENCE DES PERTURBATION ANTHROPIQUES t:activité humaine s'est développée au point de faire varier des paramètres internes du système climatique, et les scientifiques s'appliquent à mesurer et prévoir les impacts éventuels de cette activité sur l'évolution du climat terrestre. t:exemple des gaz .; effet de serre permet de cerner les difficultés principales que rencontre la communauté scientifique dans l'estimation des risques de bouleversement climatique lié à un déséquilibre d'origine anthropique. Actuellement, le rôle des gaz à effet de serre est évident dans la régulation de la température de surface de la Terre. Mais il est aussi évident que l'activité humaine produit des gaz a effet de serre en grande quantité. Dans quelle proportion cette production peut-e lle bouleverser les équilibres climatiques actuels? Pour répondre à cette question, les scientifiques observent les comportements passés du climat pour mettre au point des modèles climatiques. Gaz à effet de serre et température de surface les études menées dans les années 80 sur des échantillons de carottes de glace forées à Vostok (Antarctique) ont donné un enregistrement simultané de la variabilité climatique en Antarctique et de l'évolution de la concentration des gaz à effet de serre durant les quatre dernières périodes de glaciation. les résultats ont montré que chaque période chaude est accompagnée d'une hausse des concentrations des gaz à effet de serre et que chaque période froide est accompagnée d'une baisse de ces concentrations. Ce constat n'indique pas que la variation des concentrations influe directement sur les variations climatiques ou inversement que les variations climatiques modifient les concentrations. Cependant, des modèles climatiques scientifiques reproduisant très fidèlement les évolutions du passé ont permis de quantifier théoriquement la part de refroidissement due à la baisse des concentrations des gaz à effet de serre : sur une baisse de 5 degrés, 1,5 degré serait directement lié à ce phénomène. Ces modèles ont aussi permis de constater que le refroidissement lors de ces périodes de variations est beaucoup plus marqué dans les hautes latitudes de l'hémisphère nord que dans l'hémisphère sud. Évolutions et observations En observant la variation de la concentration de dioxyde de carbone sur les 40 000 dernières années. on identifie quatre phases : • une première période de 20 000 ans durant laquelle la concentration est relativement stable, ne subissant que de faibles variations ; • une seconde période de 10 000 ans où cette concentration augmente ; • une troisième période de 10 ooo ans ou cette concentration se stabilise ; · une quatrième période où l'on observe au cours des 150 dernières années une augmentation extrêmement rapide de la concentration de dioxyde de carbone due aux activités anthropiques. Une observation de la température moyenne de l'hémisphère nord montre clairement qu'en parallèle la température a augmenté de 0,6 degré en moyenne au cours du vingtième siècle, ce qui représente une anomalie unique en amplitude sur une période aussi courte. Cette augmentation moyenne de la température n'est pas uniforme : certaines régions du globe n'ont pas subi d'évolution de température alors que d'autres comme l'Europe ont connu une hausse de plus d'un degré en moyenne. Quoi qu'il en soit, la coexistence de ces deux anomalies patentes sur la même période de temps met en évidence une corrélation certaine entre l'augmentation des gaz anthropiques et l'augmentation de température. LES MODÈLES INFORMATIQUES ET LIS PRÉVISIONS Les modèles climatiques sont des programmes informatiques intégrant les équations mathématiques des lois physiques qui gouvernent les comportements atmosphériques. Ces équations mathématiques sont appliquées sur un système de maillage en trois dimensions qui découpe l'atmosphère en éléments de quelques centaines de kilomètres de côté : chaque maille possède des conditions particulières (nuage, relief, océan ... ) et des valeurs initiales (pression, température. nature et concentration des gaz. humidité, vent. .. ) fixées par les mesures scientifiques. Une fois les conditions fixées pour chacune des mailles, le modèle peut tourner : il calcule à intervalle de temps régulier l'évolution des gaz et des paramètres de chaque maille. Les différents modèles et les sources d'incertitude • Il existe une quinzaine de modèles climatiques dans le monde, tous ces modèles n'étant pas identiques. les théories de la mécanique et de la dynamique des fluides sont validées par tous, les équations de base sont les mêmes, mais les systèmes de résolution par l'informatique varient suivant les organismes de recherche : la vitesse de résolutio n est donc variable et il peut y avoir de légères différences pour des évolutions calculées sur de très grandes échelles de temps. les modèles diffèrent sur la prise en compte de certains paramètres dont les influences sur le climat sont mal cernées : la biosphère, le rayonnement et l'absorption de la couche nuageuse. la production et l'absorption du gaz carbonique par les océans ... • Il existe aussi des sources d'Incertitude que l'on ne peut pas nier, comme celles concernant les émissions anthropiques futures des gaz à effet de serre et aérosols. Dans ce cas. les scienti­ fiques sont obligés d'extrapoler sur la base de scénarios politiques, économiques et géographiques au niveau international. Ces scénarios sur l'évolution probable des gaz à effet de serre sont fournis par 1'/ntergovernmenta/ Panel on Climate Change (1 PCC), groupe mis en place notamment par le G7 et l'ONU. • Il subsiste d'autres incertitudes inhérentes aux méthodes appliquées dans la réalisation des modèles : on ne peut pas décrire le comportement de chaque molécule de gaz, il est donc nécessaire de faire des simp lifications. Les simplifications sont souvent utilisées dans les travaux scientifiques, mais certaines peuvent avoir des incidences capitales sur le comportement du modèle. Par exemple, une simplification consistait à ignorer l'interface océan-atmosphère, alors qu'aujourd'hui cette interface est un pilier de la compréhension des comportements atmosphériques. Une conclusion convergente Malgré les différences dans la conception de ces modèles, malgré les différentes simplifications qu'ils utilisent, malgré l'influence mal comprise de certains paramètres, et malgré les marges d'erreur, tous les modèles tendent à une conclusion de même nature :l'homme, par son activité, modifie le climat. De plus, dans les modélisations de l'évolution climatique à venir, les activités anthropiques semblent engendrer une élévation substantielle (de 2 à 5 degrés suivant les modèles) de la température moyenne mondiale. Il faut remarquer qu'au regard des évolutions passées du climat, un changement de température moyenne de plus d'un degré a toujours été lié à des bouleversements majeurs du système climatique terrestre. »

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