Les changements climatiques
Publié le 31/12/2018
Extrait du document
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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