UE libre UBO CLIMAT : Passé, présent, futur suivre un cours sur le

UE libre UBO
CLIMAT :
Passé, présent, futur
Université
Université de Bretagne Occidentale
Nathalie Daniault
Maî
Maître de Confé
Conférences
N Daniault UBO Climat 0_ 1
Al Gore est en 2007 colauréat, avec le GIEC, du
Prix Nobel de la paix
pour « leurs efforts afin
de mettre en place et
diffuser une meilleure
compréhension du
changement climatique
causé par l'homme, et de
jeter les bases des
mesures nécessaires
pour contrecarrer un tel
changement »
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suivre un cours sur le climat ?
Océanographe Physicienne au
Laboratoire de Physique des Océans (LPO)
Unité Mixte de Recherche CNRS/IFREMER/UBO
[email protected]
UFR Sciences
Bâtiment F 3ème étage
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• Pour mieux connaître les mécanismes du climat
et du système climatique
• Pour comprendre ce qu’on désigne par
« changement climatique »
• Pour comprendre pourquoi le climat peut varier
• Pour saisir la signification des « prévisions
climatiques », de leurs incertitudes et de la
prudence de la communauté scientifique
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1
Points importants du cours
• La Terre fait partie du Système Solaire, unique
exemple répertorié à ce jour de la présence de vie. Le
système climatique joue un rôle majeur à ce niveau.
• Les composantes du système climatique sont
l’atmosphère, la lithosphère, l’hydrosphère (océan), la
cryosphère et la biosphère
• Le climat est l’état moyen (au sens statistique) de
l’environnement à un endroit précis et à une certaine
période de l’âge de la Terre
• Le climat change continuellement sous l’influence de
paramètres internes ou externes
Ainsi à la fin du cours j’espère qu’il
vous sera possible :
• De mieux appréhender la situation actuelle de nos
connaissances sur le climat terrestre, sur sa variabilité
et ses changements (passés, actuels et futurs)
• D’avoir une base de connaissances suffisante pour lire
des textes scientifiques comme les documents sur le
changement climatique issus tous les cinq ans du travail
de la communauté scientifique
• De faire le lien avec les décisions à prendre par les
pouvoirs publics aux niveaux nationaux et
internationaux (e.g., accord de Kyoto)
• D’être critiques vis-à-vis des informations relayées par
les médias.
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Déroulement du cours
Quelques rappels sur des notions fondamentales telles que celles de
système et d’énergie,
Nous aborderons ensuite le climat et ses composantes par étapes:
Tout d’abord nous commencerons par décrire la source
d’énergie qui gouverne le système climatique.
Ensuite nous nous intéresserons au fonctionnement des soussystèmes fluides (l’atmosphère et l’océan) qui sont capables de
transporter la chaleur sur la surface du globe.
Enfin nous étudierons le rôle de la biosphère dans le climat.
Après avoir ainsi approché la façon dont fonctionne le climat présent,
nous pourrons aborder les changements climatiques.
Nous explorerons d’abord les connaissances scientifiques que
nous avons sur les climats du passé pour terminer par
l’exploration des hypothèses formulées sur le climat futur,
après naturellement avoir abordé le concept de
« prévisibilité ».
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Plan
Chap. 1: Rappel sur quelques définitions et concepts fondamentaux
Chap. 2: Le rayonnement solaire et l’ effet de serre
Chap. 3: L’atmosphère : composition et structure
Forme et mouvements de la Terre: Les saisons
Chap. 4: L’atmosphère: forces et circulation générale
Chap. 5: L’océan: composition, fonctionnement et circulation
générale
Chap. 6: Le Couplage océan-atmosphère
Chap. 7: Variations du climat passé
Chap. 8: Le cycle du carbone
Chap. 9: Notion de prévisibilité du climat et changements futurs
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2
Transparents du cours disponibles en pdf sur le site
http://stockage.univ.brest.fr/~daniault/
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Bibliographie
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Introduction
De la Météorologie au Climat
La météorologie est la branche de la
physique qui étudie l’atmosphère. Une
application pratique, la prévision du
temps
Tous les caractères statistiques
du temps, moyenne et écarts à
la moyenne, définissent le climat
de chaque région de la planète.
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3
Qu’est-ce que le climat ?
La météorologie :
une notion familière
Variables météorologiques:
Température (T)
Précipitations (p)
Vent (v)
….
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Plus en général :
• Le climat est la description statistique de l’état du système
Terre à partir de la connaissance des moyennes et des variabilités
spatiales et temporelles de grandeurs (températures,
précipitations, vent, humidité, etc.) sur des périodes variant de
quelques mois à plusieurs milliers ou millions d’années.
• Une description complète du système climatique et la
compréhension de ses caractéristiques et changements requièrent
l’étude des propriétés physiques de l’atmosphère, de l’océan, de
la surface terrestre ainsi que de leurs propriétés chimiques et
des interactions avec la biosphère.
• L’étude du climat est une science quantitative, qui implique la
compréhension du transfert d’énergie depuis le Soleil jusqu’à la
Terre, de la Terre vers l’espace, et entre l’atmosphère, l’océan,
et la surface terrestre. Tous ces échanges d’énergie se produisent
selon des lois de physique fondamentale, comme la conservation de
la masse, de la chaleur et de la quantité de mouvement.
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Climat n. m.
Ensemble des éléments qui caractérisent l'état
moyen de l'atmosphère et les oscillations
intervenant de part et d’autre de cet état, en un
lieu donné.
(Source : Encyclopédie Larousse)
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Variables qui définissent
le climat
Les principales variables qui permettent de
caractériser le climat sont:
la température et l'humidité de l'air dans les
couches voisines du sol, les précipitations,
l'insolation, le vent, la pression atmosphérique,
et, accessoirement, le champ électrique de
l'atmosphère, l’ionisation de l'air et sa
composition chimique.
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4
Du concept de temps à celui de climat
Vue satellitale des nuages et des précipitations
La Terre vue de l’espace
le 1er février 2001
vue instantanée = le
temps
Températures maximales et minimales (en degrés Fahrenheit) à la
station météorologique de l’aéroport de New York pendant les
premiers 20 jours du mois de janvier 2004. La ligne épaisse grise
montre les valeurs climatologiques de ces températures.
La Terre vue de l’espace
moyenne annuelle 19792001
vue moyenne = le climat
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Fluctuations
météorologiques
Paris - Parc Montsouris
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Moyennes climatiques
Moyennes sur plus de 30 années
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Moyennes climatiques
pour le Finistère
L’Organisation Météorologique Mondiale
(www.wmo.ch)
World Weather Watch
Moyennes sur plus de 30 années
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L’Organisation Météorologique Mondiale
(www.wmo.ch)
WMC = World Meteorological Center
RSMC = Regional Specialized
Meteorological Center
NMC = National Meteorological Center
Des climats variés
les climats sont classés en quelques types principaux :
climat équatorial, tropical, tempéré, polaire;
ou climat maritime, continental, d'altitude.
Il existe de nombreux sous-climats (alpin,
méditerranéen, désertique, etc...).
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6
500
50
450
40
400
30
350
20
300
10
250
0
200
-10
150
-20
100
Température (°C)
Climat et végétation
Pluviométrie (mm)
Classification de Köppen
-30
50
-40
0
-50
JAN FEV ¨MAR AVR MAI
JUN
JUL AOUTSEPT OCT NOV DEC
Mois
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Pour comprendre les phénomènes climatiques
il faut introduire la définition de
“système climatique terrestre”
Forêt tropicale
Prairie
Savane tropicale
Forêt tempérée décidue
Désert
Forêt boréale
Méditerranéen
Toundra polaire et alpine
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Concept de système terrestre
La Terre est un système dynamique complexe
constitué par des sous-systèmes qui interagissent
continuellement entre eux :
Le soussous-systè
système terre solide
qui est enveloppé par le soussous-systè
système
climatique constitué par deux fluides : l’air
et l’eau (sous 3 formes: vapeur, liquide,
solide)
qui, à son tour, contient le soussous-systè
système
vivant,
vivant qui inclut toute forme vivante, y
compris l’homme
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7
Les éléments du système terrestre
interagissent entre eux
Atmosphère
Hydrosphère
Lithosphère
Biosphère
Eléments du système terrestre
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Les échelles de temps
Tous ces sous-systèmes bougent (ils sont dynamiques et
non stationnaires) et sont caractérisés par des
processus agissant sur un laps de temps qui s’étend de
l’ordre de la seconde au milliard d’années et sur des
échelles spatiales qui vont de celle d’un atome à celle
impliquant l’intégralité du globe terrestre.
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Cycle annuel et harmoniques
Lithosphère
Variance Climatique
Milankovitch
Cycle diurne et
harmoniques
Cryosphère
Océan profond
Surface de
l’océan
Période (années)
Atmosphère
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Les différents
sous-systèmes climatiques
De la seconde à la journée
• L’atmosphère : c’est le constituant le plus dynamique et accessible du
système climatique. Il est constitué d’un mélange de gaz, mais contient
aussi des composantes non-gazeuses, comme l’eau (sous forme liquide ou
solide, i.e. glace), des poussières, et de la pollution. Des changements
dans la composition atmosphérique peuvent affecter les propriétés
climatiques telles que la température, la pluie et les vents.
• L’océan : il est beaucoup plus lent à répondre à des sollicitations
extérieures et à se mettre en mouvement. Il est constitué d’eau liquide
qui contient des impuretés sous forme dissoute (e.g., le sel) et solide
(e.g., les constituants biologiques comme le plancton).
• La croûte terrestre : elle constitue la partie solide la plus importante
du système climatique. Les propriétés de sa surface (élévation, rugosité,
couverture, et contenu en humidité) ont une incidence sur le climat.
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De la journée à la semaine
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De l’année au millénaire
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Du millénaire aux millénaires
Importance du climat
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Importance
Le climat a une incidence
primordiale sur la vie terrestre :
les humains et autres formes de
vie ont continuellement évolué
et se sont adaptés aux
changements climatiques.
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Importance
La diversité de la vie
sur Terre et des
traditions humaines
sont profondément
influencées par la façon
dont le climat varie
d’une région à une
autre.
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Importance
Importance
L’augmentation de la
population humaine et de
l’activité industrielle
menacent d’affecter très
significativement le climat
sur une échelle de temps
relativement courte.
A l’inverse, l’évolution de la
vie influence le climat, et
ceci est vrai pour les
plantes, les humains et
d’autres organismes
vivants.
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Population mondiale + de 6 000 000 000
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Importance
La connaissance du système climatique
peut aider à prendre des décisions sur
les manières d’éviter un changement
climatique ou de réduire ou tempérer son
impact.
∂U
+ 2Ω × U = .
∂t
Importance
Les avancées des techniques
d’observation de l’environnement,
des approches théoriques et des
méthodes numériques nous
permettent de simuler,
de mieux en mieux comprendre le
système climatique terrestre,
d'effectuer des prévisions sur ses
évolutions futures.
Evolution prévue en 2100
Evolution depuis un siècle
3
2
1
0
-1
-2
-3
-4
-5
0
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50
100
150
200
Age (m illiers d 'ann ées)
250
300
350
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Variabilité et changements
climatiques
• La science moderne du climat s’intéresse au climat en terme de système
dynamique, c’est à dire un système qui n’est pas figé dans le temps mais
qui évolue dans l’espace et avec le temps.
Variabilité et changements
climatiques
• Les variations climatiques les plus remarquables sont les cycles diurnes
et saisonniers. Ces variations sont largement déterministes (i.e.,
prévisibles) : nous nous attendons à avoir des températures plus froides
la nuit et pendant l’hiver et des températures plus chaudes pendant le
jour et l’été. Mais une grande proportion des variations notées d’un jour
à l’autre et d’année en année sont stochastiques (i.e imprévisibles), ce
qui rend difficile la tâche de « prévision du climat de demain ».
• Les scientifiques qui étudient le climat sont intéressés par l’ensemble
des variations climatiques. Dans ce cours, nous en donnerons quelques
exemples et présenterons les mécanismes qui peuvent être à leur
origine.
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Variabilité et changements
climatiques
Un changement climatique correspond à une modification durable (de la
décennie au million d'années) des paramètres statistiques (paramètres
moyens, variabilité) du climat global de la Terre ou des ses divers
climats régionaux. Ces changements peuvent être dus à des processus
intrinsèques à la Terre, à des forces extérieures ou, plus récemment,
aux activités humaines.
Dans le contexte récent de la politique écologique, le terme "changement
climatique" ne correspond qu'aux changements du climat actuel, apparus
au long du XXe siècle et attendus pour le XXIe siècle.
Dans les travaux du GIEC, le terme "changement climatique" fait référence
à tout changement dans le temps, qu'il soit dû à la variabilité naturelle
ou aux activités humaines.
Au contraire, dans la Convention cadre des Nations Unies sur le
changement climatique, le terme désigne uniquement les changements
dus aux activités humaines. La Convention cadre utilise le terme
"variabilité climatique" pour désigner les changements climatiques
d'origine naturelle.
http://fr.wikipedia.org/wiki/Changement_climatique
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L’homme et le
changement climatique
A l’échelle de nos générations, le climat
est en train de recevoir une attention
toute particulière. Ceci est dû au fait
que l’activité humaine qui s’est
développée pendant les 150 dernières
années peut avoir un impact sur le
climat, avec notamment des
changements significatifs et rapides sur
les conditions environnementales dans
lesquelles nous, ou nos générations
futures, vivrons.
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La progression de la certitude du GIEC
CO2 dans l’atmosphère
1990 : « Il nous semble qu’en général l’ampleur du
réchauffement [planétaire] est conforme aux prévisions
des modèles climatiques, mais que cette ampleur est
comparable à celle de la variabilité naturelle du climat. »
1995 : « Dans l’ensemble, les observations portent à croire
à une influence humaine sur le climat planétaire. »
2001 : « Des observations récentes plus convaincantes
indiquent que le réchauffement constaté au cours des
cinquante dernières années est attribuable à des activités
humaines. »
2007 : « la réalité du réchauffement global et la
responsabilité des activités humaines ne font plus guère
de doute. Pour les décennies à venir, les prédictions se
précisent et apparaissent plutôt pessimistes »
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Valeurs de la température à la
surface terrestre
Depuis plus d'un siècle, la concentration en CO2 atmosphérique mesurée a augmenté de 25 %,
passant de 280 ppm en 1860 à 380 ppm de nos jours. Cette augmentation serait environ deux
fois plus forte si tout le CO2 émis par les activités humaines restait dans l'atmosphère ;
environ la moitié de ce CO2 émis est captée par la biosphère et par l'océan.
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Tendance de la température de surface
globale 1880-2005
Les
derniers
140 ans
Les
derniers
1000
ans
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Tendances des températures moyennes
et de l’amplitude diurne 1901-2000 (en °/siècle)
Température
moyenne
1901-1930
Température
moyenne
1961-1990
Température
moyenne
1931-1960
Température
moyenne
1991-2005
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Tendances des températures minimales
et maximales 1901-2000 (en °/siècle)
Températures moyennes
Amplitude diurne
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Qu’apprend-on des observations?
Le réchauffement sur le dernier siècle est plus marqué
sur le Sud que sur le Nord. Les températures minimales se
sont plus réchauffées que les températures maximales.
Les précipitations ont généralement augmenté au cours du
dernier siècle excepté sur le Sud-Est où elles ont diminué.
En hiver, les pluies ont généralement augmenté, tandis
qu’elles ont généralement diminué en été. Seules les
augmentations sont significatives et dans un nombre limité
de régions.
Minimales
Maximales
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Qu’apprend-on des observations?
On n’observe pas de
tendance à l’augmentation
des tempêtes en nombre
ou en intensité au cours
des cinquante dernières
années.
Le
nombre
d’épisodes
de
pluies
diluviennes dans le SudEst de la France n’a pas
non plus significativement
augmenté au cours de la
même période.
Les projections, à l’échelle d’une région de la planète, sont
incertaines. Parmi les principales causes d’incertitudes: les
scénarios d’émission, la représentation de certains
processus physiques par les modèles (nuages, aérosols, …).
Pour l’Europe, la plupart des modèles indiquent un
réchauffement plus marqué en été et au Sud, une
augmentation des précipitations plus forte en hiver au
Nord et une diminution des pluies plus importante en été au
Sud. Mais la localisation précise des changements
climatiques peut être différente d’une simulation à l’autre.
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Recul des glaciers
Front d’Argentière en 1864, 1896 et en 1995
2000
Distance (m)
Distance Profil 1-front
1200
Valeurs des variations de la
température à la surface terrestre
pendant les derniers 450 000 ans
1600
1200
800
800
400
400
0
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2000
Argentiere
1600
-400
Quelles sont les projections
des changements climatiques?
1580-1870: Mougin
1870-1962: Eaux et Forets
1967-2001: LGGE
0
Recul glacier
1820-2000 :
- 20 mètres d’eau (-60%)
-400
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Passé et futur :
un même défi scientifique
???
Evolution prévue en 2100
Evolution depuis un siècle
3
2
1
0
-1
-2
-3
-4
-5
0
50
100
150
200
250
300
350
Age (m illiers d 'ann ées)
Pourquoi ? Comment ?
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