Le système climatique et ses composantes

Chapitre I
Le système climatique et ses composantes
I.1 Introduction
Le climat est traditionnellement défini comme la description en termes de la moyenne et de la
variabilité des variables atmosphériques pertinents tels que la température, les précipitations
et le vent. Le climat peut donc être considéré comme une synthèse ou un agrégat de temps.
Cela implique que la représentation du climat dans une région particulière doit contenir une
analyse des conditions moyennes, du cycle saisonnier, de la probabilité des extrêmes telles
que le gel et les tempêtes sévères, etc… D’après l'Organisation Météorologique Mondiale
(OMM), 30 années est la période classique pour effectuer les statistiques utilisées pour définir
le climat. Ceci est bien adapté pour l'étude de ces dernières décennies car il nécessite une
quantité raisonnable de données tout en fournissant un bon échantillon des différents types de
conditions météorologiques qui peuvent se produire dans un domaine particulier. Cependant,
en analysant le passé le plus lointain, comme le dernier maximum glaciaire, il ya environ
20000 ans, les climatologues ont souvent intéressé aux variables caractéristiques d'intervalles
de temps plus longues. En conséquence, la période de 30 ans proposée par l'OMM devrait être
considérée plus comme une indication plutôt que d'une norme qui devrait être suivie dans tous
les cas. Cette définition du climat comme représentatives des conditions sur plusieurs
décennies devrait, bien sûr, ne pas masquer le fait que le climat peut changer rapidement.
Cependant, un intervalle de temps considérable est nécessaire pour observer une différence de
température entre deux périodes. En général, pour la moindre différence entre les deux
périodes, la période-unité est le temps nécessaire pour être en mesure d'identifier avec
certitude toute modification de la température entre elles.
Nous devons également prendre en compte le fait que l'état de l'atmosphère, utilisé dans la
définition du climat donnée ci-dessus est influencée par de nombreux processus impliquant
non seulement l'atmosphère, mais aussi de l'océan, la glace de mer, la végétation, etc. Le
climat est donc maintenant de plus en plus souvent défini dans un sens plus large que la
description statistique du système climatique. Cela comprend l'analyse du comportement de
ses cinq composantes principales: l'atmosphère (l'enveloppe gazeuse entourant la Terre),
l'hydrosphère (eau liquide, soit l'océan, lacs, eaux souterraines, etc.), la cryosphère (eau
solide, c'est à dire la glace de mer, les glaciers, les calottes glaciaires, etc.), la surface de la
terre et la biosphère (tous les organismes vivants), et des interactions entre eux (GIEC 2007
Fig 1.1). Nous allons utiliser cette définition plus large lorsque nous utilisons le mot climat.
Les sections suivantes de ce premier chapitre contiennent des informations générales sur ces
composants. Notez que le système climatique lui-même est souvent considérée comme faisant
partie de l'ensemble du système de la Terre, qui inclut toutes les parties de la Terre et non
seulement les éléments qui sont directement ou indirectement liées à la température ou les
précipitations.

Fig 1.1: Vue schématique des composantes du système climatique et de leurs modifications
éventuelles GIEC (2007).

I.2 Les composantes du climat
I.2.1 L’atmosphère
 Composition et température
On appelle « atmosphère » l'enveloppe gazeuse qui entoure certains corps célestes comme,
par exemple, la Terre, Vénus ou Mars. Les gaz sont maintenus autour de ces corps célestes
par la force gravitationnelle qui les retient et les empêche de s'échapper vers l'espace.
Fig. 1.2. Profil vertical de l'atmosphère terrestre
L'épaisseur de l'atmosphère (voir Fig. 1.2) varie entre 350 et 800 km ; elle dépend en
particulier de l'activité solaire ; l'épaisseur moyenne est d'environ 600 km.
Au-delà de cette altitude, on est dans l'exosphère : ce n'est pas le vide qui y règne, on y
rencontre encore quelques très rares particules, d'hydrogène et d'hélium essentiellement, mais
si rares que l'on peut considérer qu'il n'y a jamais de collision entre elles. Ces particules ne
sont plus retenues par la gravité terrestre et peuvent s'échapper vers l'espace.
Les molécules des gaz atmosphériques sont donc essentiellement concentrées près du sol.
Ainsi, la moitié de la masse de l'atmosphère se situe au-dessous de 5 500 m, les 3/4 au-
dessous de 10 km, les 9/10 au-dessous de 16 km ; 99 % de la masse de l'atmosphère se situe

entre 0 et 30 km. Dans cette couche, la composition chimique de l'air est relativement
homogène
 La composition chimique de l'atmosphère terrestre
L'atmosphère terrestre est originale, comparée à celles des autres planètes du système solaire.
Ainsi, les atmosphères de Vénus et de Mars sont très riches en dioxyde de carbone
CO
2
(respectivement 97 % et 95 % de ce gaz), alors que l'atmosphère terrestre en contient très
peu.
L'eau joue un rôle extrêmement particulier dans l'atmosphère terrestre : la vapeur d'eau est le
seul gaz à y présenter une concentration très variable dans le temps et dans l'espace. Les
autres gaz, eux, ont une concentration relativement stable et homogène, même s'il y a
évidemment des fluctuations.
Une autre particularité de l'eau, essentielle, est que ce corps est le seul présent dans
l'atmosphère à présenter des changements d'état aux températures habituellement rencontrées
sur notre planète : ainsi, aux températures usuelles sur Terre, on voit quotidiennement de la
vapeur d'eau se condenser, et de l'eau liquide parfois se changer en glace ; et on voit non
moins couramment de l'eau liquide s'évaporer…
Les autres constituants de l'atmosphère, quant à eux, ne se présentent qu'à l'état gazeux ; il
faudrait des températures extraordinairement froides (que l'on pourrait atteindre dans un
laboratoire, mais que l'on ne trouve jamais naturellement dans l'atmosphère) pour les
rencontrer à l'état liquide ou solide.
L'eau joue un rôle tellement particulier dans l'atmosphère que les météorologistes décrivent
habituellement l'air atmosphérique comme un mélange de deux gaz : l'air sec et la vapeur
d'eau qu'ils traitent à part.
En moyenne, l’eau ne représente que 0,25 % de la masse totale de l'atmosphère, ce qui en fait
un constituant assez minoritaire. L'eau se rencontre essentiellement dans les premiers
kilomètres de l'atmosphère. On la trouve sous forme de vapeur, et aussi sous forme liquide
(dans les nuages, brouillards…) et solide (dans certains nuages). Insistons sur le fait que la
vapeur d'eau est un gaz invisible, présent partout dans l'atmosphère.
Le tableau ci-dessous décrit la composition de l'air sec:

Signalons que cette liste de gaz n'est pas exhaustive ; certains gaz dont les pourcentages en
volume sont encore plus faibles n'apparaissent pas.
On constate sur ce tableau que trois gaz, l'azote, le dioxygène et l'argon, constituent presque
100 % du total ; les autres gaz ne représentent chimiquement que des traces.
Malgré leur très faible concentration, certains de ces gaz à l'état de trace jouent un rôle
important.
- Ainsi, les gaz dits « à effet de serre » limitent les pertes d'énergie par rayonnement de la
surface de la Terre, et entraînent donc un réchauffement de la température de notre planète.
L'effet de serre est très bénéfique pour la Terre : sans lui, les températures seraient glaciales,
peu propices à la vie. Le problème mis en évidence au cours des dernières décennies réside
dans l'augmentation de l'effet de serre à cause des activités humaines (l'utilisation croissante
des combustibles fossiles et accessoirement le déboisement). Le dioxyde de carbone (CO
2
) et
le méthane (CH
4
) sont deux gaz impliqués dans cette augmentation de l'effet de serre.
 L'ozone
L’Ozone (O
3
) joue lui aussi un rôle crucial, malgré sa très faible concentration. Son
importance réside dans sa capacité à absorber une grande partie des rayonnements ultraviolets
en provenance du Soleil et à « protéger » la surface de la Terre de ce rayonnement dangereux.
L'ozone se trouve essentiellement en altitude, avec un pic de concentration vers 25 km (voir
Fig. 1.3): c'est la célèbre « couche d'ozone », qui présente malheureusement des trous
fluctuants, apparaissant et disparaissant au-dessus des pôles selon le moment de l'année.
Fig. 1.3 : Profil vertical typique de l’ozone atmosphérique
Il y a un peu d'ozone dans les basses couches, dans l'air que nous respirons : cet ozone de
basse couche est essentiellement produit par les activités humaines ; autant l'ozone d'altitude