2. LES MECANISMES DU CLIMAT

2. LES MECANISMES
Equilibres
DU CLIMAT
& Variabilités
Climatiques
BGC &
Climat
Chimie & Climat
Bilan d'énergie
Le Soleil peut être considéré comme un « corps noir » à
5780 K dont le rayonnement suit :
- la loi de Stefan : js = σ Ts4 ( = 6.33x107 Wm-2 )
( js en W m-2, Ts en K, σ = 5.67x10-8 W m-2 K-4 )
- la loi de Wien : λs = b / Ts ( = 0.5 nm : bleu-vert )
( λs en m, Ts en K, b = 2.897x10-3 m K-1 )
- Le Soleil a un rayon rs = 695 000 km, la Terre est à
dt = 150 000 000 km du Soleil, elle reçoit donc:
jt = js rs2 /dt2 = 1370 W m-2
- 31% sont réfléchis, 1 hémisphère éclairé (235 W m-2)
loi de Stefan : Tt = 255 K ( -18°C !!!)
loi de Wien : λt = 11.6 µm (infrarouge)
- le rayonnement infrarouge émis par la Terre est
absorbé par l'atmosphère (60% H2O, 26% CO2, 8% O3, ... ),
puis rayonné vers la surface et vers l'espace :
jt = 390 W m-2, Tt = 288 K ( +15°C )
convection
Bilan d'eau
L'importance climatique de l'eau vient de la structure
particulière de sa molécule, caractérisée par un fort
moment dipolaire, permettant l'établissement de
« liaisons hydrogène » entre atomes H et O.
Par rapport aux molécules voisines (CH4, NH3, H2S,
...), ces liaisons donnent à l'eau une densité liquide plus
grande et une densité solide relativement plus faible, de
fortes capacité calorifique et chaleurs latente de
vaporisation et de fusion, une tension de surface élevée,
un spectre d'absorption très large dans l'infrarouge et les
micro-ondes, une bonne conductivité électrique, ...
AUSSI :
- L'eau liquide absorbe efficacement l'énergie du
rayonnement solaire ;
L'évaporation de l'eau liquide, les flux de vapeur d'eau,
la condensation (liquide ou glace) transportent
efficacement l'énergie ;
-
- Les hydrométéores d'eau liquide et de glace forment
nuages et précipitations;
-
- Les calottes glaciaires et les banquises interagissent
avec l'atmosphère et le rayonnement solaire ;
- La vapeur d'eau est le principal « gaz à effet de serre »
(+21 K ; CO2 : +7 K ; O3 : +2 K, ...)
- L'eau est un excellent solvant qui dissout (et transporte)
des composés minéraux et organiques.
Le cycle hydrologique est
contrôlé par :
- le rayonnement solaire qui
contrôle l'évaporation,
- par le vent qui transporte
l'humidité,
- par le refroidissement qui
entraîne la condensation,
- par la gravité qui entraîne les
précipitations vers la surface,
et entraîne le ruissellement
Globalement :
- les océans perdent plus d'eau par évaporation qu'ils n'en
reçoivent par les précipitations ;
- les continents gagnent plus d'eau par précipitations qu'ils
n'en perdent par évapo-transpiration ;
(+ eaux du sol, biomasse, glaces de mer et de terre)
La quantification du cycle hydrologique est difficile :
- Réservoirs : les eaux souterraines et l'humidité des
sols sont mal connus ;
- Flux : les précipitations et les débits sont connus
localement, mais incertains à l'échelle globale ;
l'évaporation océanique et l'évapo-transpiration
continentale sont mal connues .
Précipitations vs. Évaporation
P>E
E>P
E>P
P>E
Bilan de constituants
Bilan de quantité de mouvement :
circulation atmosphérique
Caractéristiques de la circulation atmosphérique :
- Zone de Convergence Inter-Tropicale (ZCIT, vents d'est)
: intense activité convective (branche ↑ de la « cellule de
Hadley »), déplacement méridien avec les moussons,
génération de cyclones en fin d'été ;
- Anticyclones Sub-Tropicaux (déserts) : branche ↓ de la
« cellule de Hadley », pluies très faibles ;
- Latitudes Moyennes (vents d'ouest) : perturbations
tourbillonnaires baroclines à l'interface entre l'air tropical
et l'air polaire, branche ↑ de la « cellule de Ferrel » ;
- Régions Polaires : branche ↓ de la « cellule de Ferrel »
(refroidissement radiatif de surface), couverture nuageuse
quasi-permanente.
Bilan de quantité de mouvement :
circulation océanique
circulation de
surface
circulation
globale
circulation de
moyenne échelle
Caractéristiques de la circulation océanique :
- Les courants océaniques participent au transport de
chaleur de l'équateur vers les pôles (sauf Atlantique Sud).
- L'inertie thermique de l'océan contrôle en grande partie
les échelles de temps de la variabilité climatique.
- L'océan est couplé à l'atmosphère par les flux de chaleur
(sensible et latente) et les précipitations, à la cryosphère
et aux continents par les flux d'eau douce.
- L'océan présente une stratification thermique avec : une
couche mélangée à T≥10°C (qq 100 m), la thermocline à
4≤T≤10°C (jusqu'à 1000 m), les eaux profondes à T<4°C.
- La densité (∝
∝ T & S) est un traceur des masses d'eau,
caractéristique des conditions de surface.
- Circulation due aux vents [qq semaines] dans la couche
mélangée est surtout horizontale, elle produit avec
Coriolis et Ekman les courants géostrophiques des
« gyres » associées à des anomalies de hauteur ;
- Circulations de moyenne échelle [qq jours] : tourbillons
cycloniques et anticycloniques (50-200 km) contribuent
au transport et au mélange de chaleur, salinité,
quantité de mouvement; impact sur la circulation TH.
- Circulations dues aux variations de densité [100 ans] :
échanges couche mélangée – eaux profondes par
advection méridienne et mélange au niveau de la
thermocline ; [1000 ans] Circulation thermohaline
globale : Gulf Stream → Eau Profonde Nord Atlantique
→ Courant Circumpolaire Antarctique → Upwellings
Indien et Pacifique → Atlantique Sud
Conditions aux limites (1) : interactions
surface continentale - atmosphère
- Interactions surface – atmosphère :
●
●
●
●
Flux radiatif (IR + VIS), chaleur (sensible + latente), quantité
de mouvement, C,N,S,P, ... modulés par les caractéristiques
de surface (albédo, rugosité, humidité du sol) et par les
conditions atmosphériques (rayonnement, température,
humidité, vent).
Importance de la « mémoire » des situations passées.
L'humidité de surface et la végétation ont un fort impact sur
la distribution des précipitations.
La très grande variabilité spatiale (<1 km) des sols et des
couverts ne peut pas être parfaitement prise en compte.
- Impact anthropique :
●
●
changements directs : agriculture, déforestation,
aménagement ;
changements indirects : changement climatique et CO2
atmosphérique
Conditions aux limites (2) : interactions
océan - glace - atmosphère
●
GLACE CONTINENTALE :
- neige saisonnière : modifie le bilan d'énergie, d'eau et
de qt de mvt par des changements d'albédo, de rugosité,
de conductivité thermique, de stockage ou libération
d'eau.
●- permafrost ou pergélisol (surface continentale gelée en
profondeur pendant au moins 2 saisons): couvre la quasitotalité de la toundra. La couche superficielle fond en été,
réagit alors très activement avec l'atmosphère et de façon
complexe avec les couches sous-jacentes gelées plus
« lentes ».
●
●
Effet du changement climatique : impact radiatif de la
libération de gaz à effet de serre (CH4, CO2, ... ),
changement du couvert végétal avec impact sur les bilans
d'eau et d'énergie.
●
CALOTTES GLACIAIRES :
- le temps caractéristique d'évolution des calottes polaires est
très lent (qq 1000 ans), leur conférant une très grande inertie
climatique difficile à prendre en compte avec les phénomènes
plus rapides de l'atmosphère et de l'océan ;
- l'évolution des calottes (âge, croissance / fonte, transport)
ont un fort impact global sur le niveau de la mer, et
localement sur la salinité qui contrôle la circulation
thermohaline ;
- la dynamique des calottes est différente selon qu'elle est est
« ancrée » ou non à un substrat rocheux émergent; le
mouvement de la glace est généralement lent (qq 10 – qq 100
m par an), mais des processus mal connus (conditions
inférieure ou latérales) peuvent l'accélérer, produisant
éventuellement des « débacles massives » aux conséquences
climatiques majeures.
●
GLACE DE MER (banquise) :
- elle ne couvre que 5% environ de la surface de la Terre, mais
elle joue un rôle très important pour le climat par l'impact sur
le bilan thermique (albédo, blocage des échanges atmosphèreocéan) et la salinité (augmente quand la glace se forme,
diminue quand elle fond) avec des conséquences sur la
circulation thermohaline ;
- l'évolution de la glace de mer dépend des conditions
thermodynamiques (température, humidité, apport de neige,
interactions avec atmosphère et océan, âge et
caractéristiques physiques, ... ) et dynamiques (forçages par
le vent et les courants, apport des glaciers, advection interbassins, topographie, Coriolis, dynamique interne, ... )
- Arctique : banquise soumise à l'influence des différents
bassins océaniques et des apports fluviaux. Antarctique :
influence prépondérante de la calotte continentale.