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Changement climatique : fondements, impacts, réponses Partie 1 : fondements 1. système terre et climat : introduction 1.1. système terre système formé d’enveloppe en interaction complexes les unes avec les autres le système ouvert du point de vue énergétique Les enveloppes fluides (océan, atmosphère, glaces) ont des temps de réponse compatibles avec les activités humaines Stratosphère : mois-années Troposphère : 6-10 jours Glaces : 10 -1000 m/an Océan courants 10-1000m/an 1.2. météorologie vs climatologie Météorologie est l’étude des phénomènes atmosphériques tels que les champs de pression, les vents, les nuages, les précipitations. A pour but de comprendre la formation et l’évolution à court terme. Climatologie est l’étude du Climat, c’est-à-dire la succession des conditions météorologiques sur de longues périodes dans le temps (long terme). La climatologie et la météorologie ne se basent pas sur les mêmes calculs. (La climatologie se base sur des calculs statistiques) 1.3. bilan énergétique globale de la Terre Constante Solaire : Quantité d'énergie fournie par unité de temps et de surface localisée à la limite supérieure de l'atmosphère et orientée perpendiculairement au rayonnement solaire : Distance Terre-Soleil = 149.5 106 km Valeur moyenne lié aux 1.37 kW/m2 (kJoules/sec. m2) fluctuations de saison 1.94 cal/cm²/min Flux entrant sur le globe 1370 Watt πR² x 342.5 Watt m² m² 4R² (Constante solaire moyenne*surface d’un cercle /surface d’une sphère) 1.3.1. devenir du rayonnement solaire 1.3.1.1. réflexion diffuse Flux entrant : 342 W/m² Réflexion diffuse : 77W/m² soit 22,5% (quantité de rayonnement réémise /342W/m²) : via les nuages, les aérosols et l’atmosphère. : conserve les longueurs d’onde (il n’y a pas de transformations du rayonnement en chaleur) Les longueurs d’onde courte (violet, bleu) sont principalement affectées par ce processus « L'atmosphère terrestre diffuse les rayonnements provenant du soleil, d'autant plus que leur longueur d'onde est courte (ce qui correspond, dans le spectre visible, aux couleurs proches du violet). » (Wikipédia) 1.3.1.2. absorption par l’atmosphère Des gaz (O3, CO2, CO, HO2,…) interceptent le rayonnement solaire principalement dans le visible et l’infrarouge) et le transforment en chaleur* Exemple : 3 O2 + (2)O + UV (2)O + 2 O3 + Chaleur (représente 3% de l’énergie incidente) HO2, CO2, O3 représente 17% de l’énergie incidente *le phénomène est responsable de l’augmentation de la température de l’atmosphère au niveau de la stratopause 1.3.1.3. réflexion et absorption par la surface de la Terre rappel : albédo : énergie réfléchie/énergie incidente L’absorption est la plus efficace au niveau des océans (0.05-0.1) que des continents L'océan absorbe plus de rayonnement solaire car il répartit sur une couche plus épaisse (1 à 10m) L'absorption par l'océan est fonction de la longueur d’onde. Il absorbe d'abord le rouge, puis le bleuvert (océan bleu) Les variations diurnes sont moins marquées dans l'océan (0.1°c) que sur le continent (effet du couvert nuageux) L’absorption par surface du sol (albédo faible !) 49% 1.3.1.4. restitution énergétique par la surface de la Terre – chaleur sensible, chaleur latente, rayonnement tellurique l’énergie absorbée par la Terre est restituée sous trois formes chaleur latente : sert à changer d’état : condensation, évapotranspiration 23% chaleur sensible : sert à augmenter la chaleur d’un corps conduction réchauffe l’atmosphère au niveau de la troposphère et stratopause rayonnement tellurique : rayonnement dans l’infrarouge lointain (rayonnement du corps noir : la Terre aurait une T° de 15°C) 114% (réémet 390W/m² pour 342 entrant) Dans l’atmosphère, le rayonnement est : - renvoyé vers l’espace : 11.7% L’atmosphère est transparente aux longueurs d’ondes entre 8 et 10 10- 6 m - absorption et réémission par l’atmosphère : 57% - effet de serre : 95% les gaz à effet de serre (eau CO2, CH4, N2O, O3) renvoi le rayonnement vers la Terre réabsorption par la surface du sol et renvoi vers l’atmosphère (contribue à la production de chaleur sensible réchauffement) 1.4. répartition latitudinale du flux énergétique solaire et implications Energie solaire reçue en fonction de la latitude et du jour de l'année (watt/m²) Excédent d’énergie aux basses latitudes (0-35°) (la quantité d’énergie reçue varie avec la terre en fonction de l’inclinaison de la Terre) et déficit aux hautes latitudes (35-90°) Transfert de compensation s’effectue via la circulation atmosphérique et océanique 1.4.1. équilibrage par transfert de chaleur latente atmosphérique Aux basses latitudes (excès de chaleur) l’eau des océans s’évapore (chaleur latente), s’élève jusqu’à une altitude de 10-15 km (tropopause où la température recommence à augmenter) ou elle se condense et forme des nuages (équilibre entre la T° ambiante et la T° du nuage) la force de Coriolis a pour effet de déviation une masse vers la droite dans l’hémisphère nord et vers la gauche dans l’hémisphère sud. Formation d’une zone de haute pression en région tropicale engendre la subsidence de la masse d’air. Quand celle-ci touche la surface du sol, elle se déplace soit vers le sud et vers la droite (force de Coriolis) et forme le courant des alizés Soit vers le nordet vers la gauche : courant d’ouest. La masse d’air qui se dirige vers le pole se condense au contact des masses d’air polaire entrainant la formation de pluie et la redistribution de la chaleur dans les zones déficitaires. Entre les tropiques dominent des vents d'est réguliers et constants, les alizés. Très chauds et secs, ils peuvent se charger d'humidité après de longs parcours océaniques. Les alizés du Nord-Est de l'hémisphère Nord et du Sud-Est de l'hémisphère Sud convergent l'un vers l'autre et forcent l'air à s'élever dans la région équatoriale. Les régions équatoriales constituent donc une zone de basses pressions. Les masses d'air humide soulevées par la convergence génèrent des nuages de type cumulonimbus et des précipitations intenses. A la tropopause, vers 15 km d'altitude, ces masses d'air qui ont perdu une grande partie de leur humidité sous forme de précipitations, divergent et finissent par redescendre aux latitudes 30°. Lors de cette subsidence, l'air se réchauffe (adiabatique) et son humidité relative diminue : les précipitations sont donc fortement ralenties. Les régions subtropicales ont donc un régime anticyclonique, générateur d'un climat chaud et sec : c'est là que l'on retrouve la ceinture des grands déserts, tant dans l'hémisphère Nord que dans l'hémisphère Sud. Le contact entre les zones anticycloniques tropicales et la dépression équatoriale est à l'origine des alizés cités plus haut. Ces boucles de circulation forment les cellules de Hadley. Dans les régions polaires, l'air froid et lourd subside et entretient au sol des hautes pressions. Ces masses d'air froid divergent au sol vers les latitudes tempérées. Les océans traversés cèdent une partie de leur réserve énergétique et de leur humidité. La température de l'air augmente donc, provoquant une ascendance. Un système de basses pressions s'installe progressivement vers 60° de latitude. La cellule d'air polaire donne naissance à une dépression. En altitude, la convergence vers le pôle boucle la circulation au sein de la cellule polaire ainsi créée. 1.4.2. équilibrage par circulation océanique thermohaline globale La circulation thermohaline est la circulation permanente à grande échelle de l'eau des océans engendrée par des écarts de température et de salinité des masses d'eau. La salinité et la température ont un impact sur la densité de l'eau de mer. Les eaux, refroidies et salées plongent au niveau des hautes latitudes (Norvège, Groenland, ...) et descendent vers le sud à des profondeurs comprises entre 1 et 3 km. Elles sont réchauffées sous les Tropiques, et remontent alors à la surface, où elles se refroidissent, et ainsi de suite. On estime qu'une molécule d'eau fait le circuit entier en environ 1000 ans. La circulation thermohaline a un impact aujourd'hui mal mesuré sur le climat. Moteurs de la circulation thermohaline Comme le nom l'indique, il existe deux moteurs à l'origine de cette circulation: Des différences de température : l'eau de mer est d'autant plus dense que sa température est basse. Des différences de salinité (concentration de l'eau en sels). Une eau plus concentrée en sel est plus dense qu'une eau moins concentrée. Ces deux moteurs agissent directement sur la densité de l'eau. Une eau froide ayant une forte concentration en sel sera dense, alors qu'une eau chaude pauvre en sel sera peu dense. Dans les régions polaires (océan Arctique et mer de Weddell), l'eau de mer, froide donc dense, se transforme en glace. Lors de la solidification, le sel est rejeté (la glace n'en contient pas ou peu) et enrichit donc l'eau liquide en sel. Ceci la rend encore plus dense, et elle plonge donc vers les fonds marins. En l'absence de source d'eau dense dans le Pacifique l'eau de fond remonte progressivement de par une diminution progressive de sa densité. Wikipédia 2. les variations naturelles du climat 2.1. les archives du climat et leurs enseignements Les enregistrements humains : les données satellitaires (donnent des info sur les 50 dernières années), les instruments météorologiques (100 dernières années), documents historiques (1 000 ans) Avec une résolution (précision) inférieure à l’année Les sources naturelles d’info : cernes des arbres (info sur 10 000 ans avec une précision d’un an), carotte de glace (800.000 ans avec précision de 1-100ans), les sédiments lacustres (106 ans avec qui enregistre les variations des saisons), les lœss (quaternaire alternance glaciation déglaciation précision de 100-1 000 ans), les roches sédimentaires (107 ans mais avec une faible précision (beaucoup de gap temporelles) Ces archives donnent des informations sur la température, l’humidité, la composition chimique, la biomasse, les éruptions volcaniques, le champ magnétique terrestre, les variations du niveau marin les activités solaire etc. 2.2. les paléoclimats à différentes échelles de temps La température des océans a varié entre 8 et 25°C en 4.6milliards d’années la température actuelle est d’environ 15°C la température maximale a été observée à l’Archéen (première forme de vie) Au cours des temps géologiques deux grands épisodes glaciaires ont été mis en évidence (le premier à la fin du Protérozoïque il y a environ 109année et le second à la fin du Carbonifère et début du Permien) : SNOW BALL EARTH Ils ont été enregistrés par les roches océaniques carbonatées. les organismes vivants ont tendance à préférer le 12C au 13C le rapport 13C/12C combiné à l’activité biologique permet de reconstitution les conditions climatiques qui régnaient à cette époque un rapport élevé indique qu’une grande quantité de 12C a été prélevé par les organismes photosynthétiques dans le milieu océanique période chaude et inversement quand le rapport est bas, il indique une faible activité biologique qui correspond a une période défavorable (T° et lumière faible) en effet une grande calotte glaciaire recouvrait la majeur partie des océans Le Tertiaire et le Quaternaire montre une tendance à la diminution globale de la température (de 20°C à 5-6°C) Des diminutions brutales des températures liées à la dérive des continents sont marquées : Il y a 35 millions d’années du à la formation des premiers glaciers en Antarctique Il y a 10 Ma développement de la calotte antarctique Il y a 2.8 Ma développement de la calotte groenlandaise et arctique Au Quaternaire, on observe une alternance de cycles glaciaire-interglaciaire La fréquence semble être plus élevée dans la première moitié du quaternaire Les quatre derniers épisodes glaciaires ont eu lieu lors des 400.000 dernières années Le plus long forage actuel est long de 3700m (North GRIP centre du Groenland) La glace renferme une grande quantité d’information 2.3. la spécificité des archives cryosphériques 2.3.1. reconstitution de la température de l’air abondance isotopique : isotope /somme des différents isotopes (12O,16O,17O,18O (est un isotope lourd de l’oxygène, formé en haute atmosphère par les rayons cosmiques) ,22O) rapport d’abondance : 18O/16O : 0.204/99.759 = 0.002 Abondance isotopique relative Il existe différents standard : pour le C : bélemnite, pour l’O et H l’eau océanique moyenne à Vienne :V-SMOW (Standard Mean Ocean Water) La masse de la molécule d’eau a un poids atomique différents en fonction des isotopes qui la compose. La vitesse de réaction est différentes fractionnement isotopique La teneur en 18O n’est pas directement fonction de la température mais plutôt de l’évaporation en surface des océans. C’est processus d’évaporation de l’eau des océans qui fractionne l’O En surface, 18O = 0 eau de mer. Du fait de la différence de masse des deux isotopes, l’atmosphère se comporte en colonne à distiller. La vapeur est à 18O = -10%0 et un stock de vapeur d’eau appauvrie en 18O se forme. Lors d’une pluie, le fractionnement se fait en sens inverse. La vapeur de départ devient donc de plus en plus négative. On remarque que ce fractionnement est plus important en hiver qu’en été puisqu’il y a plus de précipitations en hiver (saturation plus vite atteinte). L’air arrivant à proximité des pôles est donc plus enrichi (moins appauvrie) en 18O en période chaude, qu’en période froide. « La composition isotopique de l'eau de mer est conservée en mémoire dans les tests des foraminifères. Les variations du rapport isotopique 18O/16O permettent de déceler les périodes d'englacement correspondant à une augmentation de ce rapport ainsi qu'à une baisse de la température des eaux marines. L'analyse des calottes de glace extraites des inlandsis antarctique et groenlandais confirme les résultats tirés des sédiments marins et autorise la reconstitution de la courbe des paléotempératures, aux hautes latitudes, durant les 140 derniers millénaires. » Encyclopédie Microsoft Encarta 2003. ! Le processus lié à la fonte des glaces est beaucoup plus rapide que celui lié à la formation de celle-ci. Ce qui explique l’allure des courbes en teneur 18O. Le gradient est brutal lors du passage vers un interglaciaires, alors que les passages vers les glaciations sont progressif. C’est principalement le cas pour les glaciers alpin et andin moins pour les glaciers des calottes polaires 18O échantillon en profondeur T° de la neige lors de son dépôt en surface PALEOTHERMOMETRE 2.3.2. reconstitution de la composition de l’atmosphère La glace renferme des bulles de gaz piégée lors de sa formation. Pour mesurer la composition du gaz, il faut d’abord broyer l’échantillon et récupérer le gaz et le passer dans n chromatographe en phase gazeuse (mesure CO2, CH4, O2, N2O, N2,…) ! L’âge de la glace est différent de l’âge du gaz piégé ceci est lié au processus de transformation de la neige en névé puis en glace. La neige et le névé est un milieu poreux et donc le gaz peut être en contact avec l’atmosphère l’âge du gaz est inférieur à l’âge de la glace (qui est un milieu isolé) Sur les glaciers dits chaud (ex alpin), la transformation névé en glace est plus rapide (la glace fond en été l’eau s’infiltre dans le glacier) (~100 ans de mélange). Sur les glaciers froids, la transformation s’effectue par augmentation de pression (ex à Vostok) (~1 000 ans de mélange) Il est impossible de comparer deux évènements 2.3.3. évolution naturelle des températures et GES des derniers 800.000 ans Il existe une très bonne synergie entre les enregistrements de température et les teneurs en GES sur les derniers 800.000 ans La température montre un tracé parallèle aux gaz à effet de serre. Leads and lags encore discutés (limites de synchronisation), la variation de température semble précéder celle des GES Des concentrations et des taux de croissance de gaz à effet de serre inégalés depuis près d’un million d’année ! Figure 6.4 3. la machinerie climatique 3.1. le triangle climatique 3.1.1. pacemaker astronomique Sur base des lois de Kepler, on sait depuis longtemps que la Terre subit des oscillations dans ses déplacements autour du Soleil. Selon trois paramètres dits astronomiques 3.1.1.1. Variations de l’excentricité La Terre circule sur une ellipse dont le soleil occupe l’un des foyers. L’orbite faiblement elliptique de la Terre est influencée par les interactions gravitationnelles avec les autres planètes du système solaire, provoquant de légères variations d’excentricité alors que la Terre tourne autour du soleil Période de 100.000 ans 3.1.1.2. Variations de l’obliquité La Terre tourne autour de son axe avec un angle de 23°27’ par rapport aux rayons du soleil. Cet angle entre l’axe de la Terre et le plan elliptique comprend de faibles variations entre 22° et 24°30’ Période de 40.000 ans affecte essentiellement le climat aux pôles et intensifie les contrastes entre les saisons. Les temps de forte obliquité sont associés à des étés polaires plus chauds et des hivers polaires plus froids 3.1.1.3. Précession des équinoxes L’orientation de l’axe de la Terre change par rapport au soleil par un mouvement de précession. La Terre décrit un mouvement precessionnel résultant de la traction gravitationnelle du soleil sur le renflement équatorial incliné. Période de 20.000 ans (22.000 ans), implique des inversions des saisons pour les deux hémisphères, ainsi que des variations d’intensité des étés et des hivers, boréaux et austraux. 3.1.1.4. Apport solaire résultant Les effets combinés des trois paramètres orbitaux, génère des fluctuations de saisons d’à peu près 10% ou moins. Les effets saisonniers d’ensoleillements sont amplifiés du système Terre (par divers systèmes de feedback climatiques et océaniques et sont ainsi traduits dans les séries sédimentaires et autres). Notons que les périodicités orbitales ont ralenties au cours de l’histoire de la Terre. Tous les paramètres du signal orbital ont été intégrées avec le signal de l’18O des océans et glaces. On a ainsi obtenu une échelle chronologique indépendante pour l’18O. Les évènements paléo-magnétiques sont ainsi également calibrés par rapport aux paramètres astronomiques Analyse spectrale du signal climatique montre 3 pics de périodes correspondant aux cycles astronomiques, mais la période de 100 ka est négligeable dans le spectre d’insolation à 60°N Variations trop faibles d’insolation en comparaison des variations de température glaciaireinterglaciaire observées !
