Le Changement Climatique

Le Changement Climatique
Pr. Jean-François DOUSSIN
Objectif
• Parler du changement climatique
• Hors de toute polémique
• C’est a dire en partant des bases
scientifiques
• Pour cela commençons par parler du
climat de la Terre
1
Le rayonnent solaire
• La source d’énergie de base
• Une source unique mais distribuée de
manière diversifiée
L’orbite solaire
2
La sphéricité de la terre
Circulation latitudinale
3
Circulation latitudinale
Circulation longitudinale
4
Les océans aussi …
Les océans aussi …
amorçage de la circulation thermohaline dans l’Atlantique nord
5
Le forçage Orbital
Le mathématicien serbe Milutin Milankovitch
proposa en 1920 une théorie qui postulait que les
variations de l’orbite terrestre devraient influencer le
climat
Excentricité Orbitale
6
Oscillation axiale
Bascule
7
Finalement…
Rayonnement solaire et variations orbitales
•
Calcul du
rayonnement
solaire moyen
annuel reçu aux
moyennes
latitudes de
l’hémisphère nord
en prenant en
compte l’ensemble
des variations
orbitales
8
L’activité solaire
• Le flux émis par le soleil varie : les taches
solaires. Plus il ya de taches froides plus cela
indique que le soleil est actifs
Les taches solaires
9
Les taches solaires
Le petit âge glaciaires
Bruegel l’Ancien
(1525 - 1569)
Huile sur bois,
Aert van der Neer,
(1648)
10
Rayonnement solaire entrant
Rayonnement solaire
incident
Domaine visible
Le rayonnement solaire est de courte longueur d’onde
(UV-visible-proche IR)
Rayonnement entrant et sortant
Rayonnement solaire
incident
Rayonnement tellurique
réémis
Domaine visible
Le rayonnement solaire est de courte longueur d’onde
(UV-visible-proche IR)
Le rayonnement tellurique est de grande longueur d’onde
(infrarouge thermique et lointain)
11
L’effet de Serre
Le soleil éclaire dans le domaine de l’UV, du visible, du proche infra-rouge
Les molécules de l’atmosphère n’absorbent pas ou peu dans la longueur
d’onde du visible
La Terre ré-émet dans le domaine de l’Infrarouge
Les molécules de l’atmosphère absorbent en partie dans ce domaine
spectral
radiations
solaires
radiations terrestres
vers l’espace
radiations réémises
vers l’espace
Radiations
terrestres
absorbées
Il existe un gain appelé effet de Serre
et associé à la présence des GES
12
Une partie de la radiation IR sortante est absorbée par les
gaz à effet de serre et par les nuages gardant la surface
de la terre à une T° ~ 33°C supérieure à ce qu’elle se rait
sans effet de serre
Température moyenne de surface
15°C
au lieu de -18°C
Sans effet de serre la vie n’existerait pas sur notre planète
L’effet de Serre
13
L’effet de Serre
• Pour que la température soit en équilibre il
faut que le bilan énergétique soit équilibré
107 + 235 = 342 W/m²
L’effet de Serre
• Mais que se passe-t-il si l’on « ferme » la
« fenêtre atmosphérique » ?
• C’est cela l’effet de serre additionnel
14
Bilan Net
entrant
235 W/m2
Bilan Net
sortant
~ 235 W/m2
Pour un système à l’équilibre la radiation solaire
nette entrante (235 Wm-2) doit être compensée par
la radiation IR sortante
La différence entre les quantités d’énergie entrante
et sortante s’appelle le forçage radiatif
Forçage radiatif positif ⇒ Echauffement
Forçage radiatif négatif ⇒ Refroidissement
Forçage radiatif induit par les polluants
IPPC (rapport 2001) : International Panel on Climate Change
Le G
IE
C!
Connaissance =>
15
Les aérosols
Les particules en suspension influent sur le
climat selon deux type d’effet
• Effet direct : absorption et diffusion du
rayonnement solaire
• Effet Indirect : Servant de noyaux de
condensation nuageuse, ils influent sur le
cycle de l’eau et la formation de nuage
Les Aérosols
IPPC (rapport 2001) : International Panel on Climate Change
Le G
IE
C!
Connaissance =>
16
Les sources d’aérosol
• Naturelles : les volcans, l’érosion, les
vagues…
• Aérosol de condensation (voir cours sur
pollution)
Les volcans
17
Exemple du Mont Pinatubo (1991)
Forçage en 1992 - 4 Wm-2
en 1993 - 1 Wm-2
Sur les 2 ans forçage
comparable, mais de
signe opposé, au forçage
du aux gaz à effet de
serre (+2.1 à 2.8 Wm-2)
En 1992 refroidissement
de
la
température
globale observée de 0.3
à 0.5 °C
18
Les aérosols terrigènes
Particules en suspension dans l’atmosphère (Φ de 10-3 à 10 µm).
Les aérosols troposphériques sont formés:
• Par dispersion de matière à partir du sol
(poussières)
Panache d’aérosols
Panache d’aérosols
Soulèvement d’aérosols
19
Les Gaz à Effet de Serre
IPPC (rapport 2001) : International Panel on Climate Change
Le G
IE
C!
Connaissance =>
Contribution des divers gaz à effet de serre
au changement climatique
Ne pas
oublier : un
des principaux
gaz à effet de
serre est la
vapeur d’eau
mais elle influe
très peu sur le
changement
climatique
CO2 (50,0%)
OZONE
(12,0%)
CH4 (17,0%)
FREONS
N2O
(6,0%)
(15,0%)
20
21
Archives glaciaires
Le dioxyde de carbone (CO2)
Forte
augmentation
de CO2 depuis
la période préindustrielle
(de 280 à 360
ppb)
Forçage radiatif du à
l’augmentation du
dioxyde de carbone est
d’environ 1.56 Wm-2
Source : IPCC
22
Le problème posé aux scientifiques est de prévoir la
concentration atmosphérique future de CO2
De manière à prévoir l’impact climatique futur du CO2
Il est assez facile de connaître la quantité émise
dans l’atmosphère car on connaît les quantités de
combustibles (charbon, pétrole, gaz) utilisées
Mais le CO2 émis reste-il dans l’atmosphère ?
NON
Il faut étudier le cycle du carbone
23
Le Cycle global du Carbone.
•Les valeurs
indiquent la taille
en GtC de
chaque réservoir.
•Sur chaque
flèche est indiqué
l’importance du
flux en GtC/an,
• DOC=dissolved
organic carbon).
Le Méthane (CH4)
Sources naturelles
•
•
30%
375 Tg/an
70%
Zones humides naturelle
Animaux sauvages
Sources anthropiques
•
•
•
•
160 Tg/an
Zones humides (rizières),
Animaux domestiques,
Combustion
Extraction du méthane fossile et fuites
Augmentation : 13 ppb/an
soit 0.7%/an
Plus de la moitié des sources actuelles de CH4 sont
imputables aux activités humaines, principalement
agricoles.
24
Le Méthane (CH4)
•Le forçage
radiatif résultant
de ces
augmentations de
CH4 depuis la
période préindustrielle est
indiqué sur l’axe
de droite.
•Le forçage
radiatif direct du à
l’augmentation de
la concentration
de méthane est
~ 0.5 W.m-2
Le protoxyde d’azote (N2O)
Sources naturelles
6 - 16 Tg/an
66%
Sources anthropiques
3 - 8 Tg/an
33%
Agriculture :
Pâturage en régions tropicales,
Feux de biomasse, Fertilisants
Augmentation
0.8 ppb/an
0.25%/an
Forçage radiatif direct du à l’augmentation de la concentration
de N2O depuis la période pré-industrielle est d’environ 0.1 Wm-2
25
Le protoxyde d’azote (N2O)
•Les
concentrations
pre-industrielle
de N2O sont de
l’ordre de 265
ppbv.
•Le forçage
radiatif résultant
de ces
augmentations
de N2O depuis
la période préindustrielle est
indiqué sur l’axe
de droite.
L’ozone Troposphérique (O3)
Forte augmentation de l’ozone troposphérique observée
depuis le début du 20ème siècle.
•L’ozone
troposphérique
est un polluant
formé à partir
d’espèces à
courte durée de
vie (NOx, CO
composées
organiques…).
1870-1990 ozone trend at European
mountain sites [Marenco et al.,1994]
•Forçage radiatif du à
l’augmentation de l’ozone
troposphérique est ~ 0.5W.m-2
26
L’ozone Troposphérique (O3)
•Voir la conférence « Pollution atmosphérique »
•On a de bonnes raisons de penser que l'ozone troposphérique
est appelé à augmenter en raison de son couplage avec des
précurseurs (NOx et COV) dont les sources anthropiques
croissent au rythme du développement de l'activité humaine.
•Des calculs montrent que les teneurs en ozone peuvent très
bien être multipliées par 2 dans les 50 ans à venir et dépasser
ainsi les seuils acceptés par l'Organisation Mondiale pour la
Santé (120 ppb).
•Des études montrent que le processus a déjà commencé (1 à
2 % d'augmentation par an depuis le début du siècle).
Tableau récapitulatifs des caractéristiques
des gaz à effet de serre
GAZ
[C] ppb
↑
Durée
de vie
Pouvoir Contri
Radiatif
bà
l’ES
Forçage
Radiatif
Sources
(Ans)
(/ CO2)
%
W.m-2
0.4
50 - 200
1
50
1.56
Combustion
Déforestation
0.3
11
65
12 000
15
0.3
0
0.5
4
102
Aérosols
Solvants
Réfrigérants
CH4
0.7
1.7
0.7
12 -17
21
17
0.5
Zones humides
Animaux
Combustion
N2O
275
311
0.25
150
230
6
0.1
Combustion
Fertilisants
Ozone
10
45
2
0.005 0.05
1 200
12
0.5
Photooxydation
1800
2000 %/an
CO2
280
ppm
360
ppm
CFC 11
0
CFC 12
27
Tableau récapitulatifs des caractéristiques
des gaz à effet de serre
GAZ
[C] ppb
↑
Durée
de vie
Pouvoir Contri
Radiatif
bà
l’ES
Forçage
Radiatif
Sources
(Ans)
(/ CO2)
%
W.m-2
0.4
50 - 200
1
50
1.56
Combustion
Déforestation
0.3
11
65
12 000
15
0.3
0
0.5
4
102
Aérosols
Solvants
Réfrigérants
CH4
0.7
1.7
0.7
12 -17
21
17
0.5
Zones humides
Animaux
Combustion
N2O
275
311
0.25
150
230
6
0.1
Combustion
Fertilisants
Ozone
10
45
2
0.005 0.05
1 200
12
0.5
Photooxydation
1800
2000 %/an
CO2
280
ppm
360
ppm
CFC 11
0
CFC 12
Tableau récapitulatifs des caractéristiques
des gaz à effet de serre
GAZ
[C] ppb
↑
Durée
de vie
Pouvoir Contri
Radiatif
bà
l’ES
Forçage
Radiatif
Sources
(Ans)
(/ CO2)
%
W.m-2
0.4
50 - 200
1
50
1.56
Combustion
Déforestation
0.3
11
65
12 000
15
0.3
0
0.5
4
102
Aérosols
Solvants
Réfrigérants
CH4
0.7
1.7
0.7
12 -17
21
17
0.5
Zones humides
Animaux
Combustion
N2O
275
311
0.25
150
230
6
0.1
Combustion
Fertilisants
Ozone
10
45
2
0.005 0.05
1 200
12
0.5
Photooxydation
1800
2000 %/an
CO2
280
ppm
360
ppm
CFC 11
0
CFC 12
28
Tableau récapitulatifs des caractéristiques
des gaz à effet de serre
GAZ
[C] ppb
↑
Durée
de vie
Pouvoir Contri
Radiatif
bà
l’ES
Forçage
Radiatif
Sources
(Ans)
(/ CO2)
%
W.m-2
0.4
50 - 200
1
50
1.56
Combustion
Déforestation
0.3
11
65
12 000
15
0.3
0
0.5
4
102
Aérosols
Solvants
Réfrigérants
CH4
0.7
1.7
0.7
12 -17
21
17
0.5
Zones humides
Animaux
Combustion
N2O
275
311
0.25
150
230
6
0.1
Combustion
Fertilisants
Ozone
10
45
2
0.005 0.05
1 200
12
0.5
Photooxydation
1800
2000 %/an
CO2
280
ppm
360
ppm
CFC 11
0
CFC 12
Tableau récapitulatifs des caractéristiques
des gaz à effet de serre
GAZ
[C] ppb
↑
Durée
de vie
Pouvoir Contri
Radiatif
bà
l’ES
Forçage
Radiatif
Sources
(Ans)
(/ CO2)
%
W.m-2
0.4
50 - 200
1
50
1.56
Combustion
Déforestation
0.3
11
65
12 000
15
0.3
0
0.5
4
102
Aérosols
Solvants
Réfrigérants
CH4
0.7
1.7
0.7
12 -17
21
17
0.5
Zones humides
Animaux
Combustion
N2O
275
311
0.25
150
230
6
0.1
Combustion
Fertilisants
Ozone
10
45
2
0.005 0.05
1 200
12
0.5
Photooxydation
1800
2000 %/an
CO2
280
ppm
360
ppm
CFC 11
0
CFC 12
29
Notre planète Terre à mis 4,5 milliards
d’années
pour
atteindre
un
niveau
d’« équilibre »
Le problème du changement climatique
actuel est lié au très brusque changement
des concentrations des gaz à effet de serre
depuis 150 ans
La dépense énergétique
Toutes les énergies ont accompagné le parcours de Erectus à
Industrialis
-500.000 ans : domestication du feu
L ’antiquité : toutes les renouvelables ont été utilisées ! Bois,
vent, soleil, hydraulique, traction animale...
Le pétrole est connu des Summériens (-3.000 av. JC
environ), bien avant Drake et son premier forage (1859 à
Tittusville)
Le charbon est exploité dans la Chine antique 1000 ans
avant notre ère
Ce qui caractérise l’ère « moderne », ce n’est pas l’utilisation
de sources « nouvelles » (sauf le nucléaire), mais le
changement d’ordre de grandeur dans l’usage
30
De plus en plus d’émetteurs !
Évolution démographique depuis le néolithique Source : Musée de l’Homme
Changement d’ordre de grandeur...
1,80
1,60
1,40
1,20
1,00
0,80
0,60
0,40
0,20
2004
2000
1995
1990
1985
1979
1974
1970
1965
1960
1955
1950
1945
1940
1935
1930
1925
1920
1915
1910
1905
1900
1895
1890
1885
1880
0,00
Consommation d’énergie hors biomasse en « tep » (tonne équivalent pétrole » par
habitant
31
Consommation totale d’énergie
commerciale de l’humanité
en Mtep
(millions de
tonnes
équivalent
pétrole).
Source Schilling & al +
Observatoire énergie +
AIE
12 000
nucléaire
10 000
hydro & ENR
gaz
8 000
pétrole
charbon
6 000
4 000
2 000
2000
1990
1979
1970
1960
1950
1940
1930
1920
1910
1900
1890
1880
1870
1860
0
Depuis que l’homme a découvert les combustibles fossiles, la consommation de l’humanité
n’a cessé d’augmenter. Chaque nouvelle source d’énergie est venue se surajouter aux
autres et connaît sa propre évolution exponentielle : aucune substitution ne se constate au
niveau mondial. Un Américain consomme 4 fois plus de charbon qu’un Chinois.
Les effets : température et précipitations
32
Les effets : distribution spatiale de la température
Entre 1961-1990 et 2071-2100
Le changement en température atteind
•+ 2-3 °C en moyenne globale annuellle
•< + 2 °C en moyenne océanique
annuellle
•+ 4-6 °C en moyenne continentale
(hemisphere nord) annuellle
•+ 6-8 °C en moyenne polaire annuellle
Les effets : le bilan hydrique
Causes de l’augmentation des précipitations
•Augmentation de l’humidité
•Diminution des temperatures en altitude (déstabilisation)
Réponses des modèles
•Augmentation de la fréquence des événements convectifs
extrêmes
•L’intervalle entre deux événements extrêmes est réduit
(jusqu’ à un facteur 2 – e.g., 20 ans à 10 ans)
Causes de la croissance de l’aridité
continentale
•T plus élevées
•Evaporation de surface plus rapide, pas compensée par
une augmentation des précipitations
Réponses des modèles
•Augmentation des périodes de sécheresse continentale
33
Les effets : les grandes calottes glacières
Un réchauffement peut augmenter les précipitations sous
forme de neige aux hautes latitudes, c'est pourquoi on ne sait
pas si ces glaciers se réduiront ou s'étendront par l'effet de
serre. La tendance actuelle va vers une réduction.
34
Les effets : Les glaciers
Longueur mesurée des
glaciers de montagne
Contribue pour environ
0.02 à 0.04 cm/an à
l’élévation du niveau de la
mer
Muir Glacier (Alaska)
Mer de Glace (France)
35
Rongbuk Glacier
Rongbuk glacier in 1968 (top) and 2007. The largest glacier
on Mount Everest’s northern slopes feeds Rongbuk River.
Les effets : Elévation du niveau des mers
36
Les effets : Elévation du niveau des mers
Les effets : Elévation du niveau des mers
IPCC 2007
37
Les effets : Elévation du niveau des mers
Quelques boucles de rétro-actions
• Augmentation des déserts et donc des
émission d’aérosols désertiques
• Réchauffement des océan et
affaiblissement du puits océanique de CO2
• Fonte des glace et modification de l’albedo
• Augmentation de la température et de la
teneur en vapeur d’eau (un gaz a effet de
serre)
• …
38
39