La complexité du système climatique

Caractéristiques des grandeurs atmosphériques observées

Toutes ces analyses permettent de classer les climats des différentes zones du monde en fonction de leurs caractéristiques principales.

 

Caractéristiques des précipitations et des températures de quelques climats (établies grâce à une étude sur plusieurs dizaines d’années)

Climat	Caractéristiques des saisons (températures)	Pluviométrie annuelle
Semi-continental	été chaud hiver rude	élevée
Océanique	saisons douces	abondante
Méditerranéen	été chaud hiver doux	faible l’été importante l’hiver
Montagnard	été frais hiver froid	importante
Équatorial	saisons chaudes	élevée

On peut également établir un climatogramme pour une zone donnée. Il se construit à partir des moyennes mensuelles des relevés de précipitations et de températures recueillis sur un lieu.

Elle permet d’annoncer le temps qu'il va faire dans un endroit donné et à un moment donné, à court terme.

Elle étudie les mêmes grandeurs atmosphériques que la climatologie en utilisant les mêmes outils de mesure.

L’apport énergétique du soleil et les échanges d’énergie entre ces différentes enveloppes déterminent le climat global de la planète.

Le climat de la Terre présente une variabilité naturelle sur différentes échelles de temps.

Un des principaux indicateurs du climat global est la température moyenne globale de la Terre.

La Terre a une température moyenne globale à peu près constante depuis l'apparition de la vie (15 °C).

Mais derrière cette valeur moyenne se cachent des oscillations.

L’étude de différents indices (composition des bulles d’air, rapports isotopiques dans les carottes de glace, etc.) permet d’estimer les écarts à la valeur moyenne et montre cette variabilité.

Température globale moyenne au cours des 540 derniers millions d'années
Source : Wikimedia commons. Auteur : Glen Fergus.
Traducteur : Ariel Provost. CC BY-SA 4.0

Grâce à l’étude de certains rapports d’éléments isotopiques dans la glace, on a par exemple pu reconstituer les paléo-températures (températures des temps passés) de l’atmosphère lors de la formation de la glace.

On constate que la température sur Terre a constamment oscillé depuis 800 000 ans.

Il y a eu des périodes plus froides et d'autres plus chaudes, mais jamais éloignées de plus de quelques degrés de la température moyenne. Ces périodes cycliques d’environ 100 000 ans correspondent aux périodes glaciaires et interglaciaires.

Cette variabilité est normale. Elle est liée au rayonnement solaire, aux variations des courants océaniques, aux éruptions volcaniques, aux paramètres astronomiques, etc.

Aujourd’hui, la température de la Terre est calculée à partir de mesures sur place (in situ) et depuis l’espace par des satellites. Ces mesures ont montré que depuis 1920, la température moyenne augmente très rapidement. Cela a des conséquences sur le climat.

Variation de la température moyenne à la surface de la Terre depuis 1880
Source : NASA-GISS

Le climat de la Terre présente donc une variabilité naturelle sur différentes échelles de temps. Des indices géologiques le prouvent.

Les pollens fossiles permettent de donner des informations sur l’évolution climatique locale.

Pour retrouver les espèces végétales présentes en un lieu donné à une époque donnée, il est possible d’étudier les pollens conservés dans les sédiments de l’époque.

Différentes variétés de pollens

Certaines espèces végétales sont caractéristiques d’un type de milieu.

En faisant une étude statistique de la fréquence de chaque type pollinique, on peut obtenir un spectre pollinique.

Cela permet de reconstituer l’environnement végétal de l’époque et de définir le type de climat.

Établir et dater les spectres polliniques d’une zone sur une grande période permet de construire un diagramme pollinique qui servira à retrouver les grandes variations climatiques récentes.

Exemple

Nous voyons clairement, grâce aux pollens retrouvés, une évolution dans le peuplement végétal.

Entre le Pléistocène moyen et supérieur, les pollens de chêne, hêtre et noisetier (des espèces plutôt tempérées) régressent au profit des pollens de bouleau, de saule et d’épicéa qui sont des espèces résistantes au froid. Durant le Pléistocène supérieur, ces espèces sont progressivement remplacées par des herbacées, ayant des exigences de climat froid.

Ces modifications de peuplements attestent de l’installation d’une glaciation à partir du pléistocène moyen et de son apogée à la fin du pléistocène supérieur.

Les traces laissées par un glacier dans le paysage fournissent des informations sur l’évolution du climat. Un glacier est formé d’une langue glaciaire qui érode son support (indices : roches striées, vallée glaciaire en forme de U) et transporte des matériaux formant une moraine frontale.

Retrouver dans le paysage des anciennes moraines, des roches striées et une vallée en U nous indique qu’un glacier était présent dans les temps passés.

Sources : Inter-Rhône – ENITA – INRA – Vitiblog.fr

Ces dernières décennies, les vendanges surviennent globalement de plus en plus tôt, preuve d’un réchauffement du climat global.

Après avoir eu, durant plusieurs millénaires, un rythme lent (5 cm par siècle), l'élévation du niveau de la mer s'est significativement accélérée au 20^e siècle.

Depuis 1900, le niveau de la mer est monté d’environ 20 cm. Cette élévation est la conséquence d’un réchauffement climatique qui provoque la fonte des glaciers.

Les glaciers possèdent 95 % de l’eau douce de la Terre.

Ce sont des indicateurs climatiques car un glacier est une masse d’eau à l’état solide qui va évoluer en fonction du climat (s’agrandir ou régresser).

Depuis 1850, les masses glaciaires ont considérablement diminué.

Par exemple, dans les Alpes, les glaciers ont perdu 40 à 50 % de leur surface.

Depuis les années 1990, on constate une accélération de la fonte des glaciers.

Comparaison de l’étendue du glacier d’Ossoue dans les Pyrénées entre 1911 et 2011. Source : Wikimedia Commons " The European mountain cryosphere: a review of its current state, trends, and future challenges"- Martin Beniston et al.
Auteurs : L. Gaurier (photo de gauche), P. René (photo de droite)

La fonte des glaciers est un indicateur climatique qui prouve que notre Terre se réchauffe.

L’effet de serre est un phénomène naturel dû à la présence dans l’atmosphère de gaz à effet de serre (GES) comme le CO₂.

Le phénomène de l’effet de serre permet à notre planète d’avoir une température moyenne de 15 °C.

Le spectre d’absorption, obtenu grâce à un spectrographe, est le spectre obtenu par le passage de la lumière du Soleil (ondes électromagnétiques) à travers un milieu transparent.

On mesure alors l’absorption de la lumière par certains gaz.

Chacun des gaz de l’atmosphère absorbe le rayonnement solaire dans des longueurs d’onde sélectives.

Les GES (vapeur d’eau, CO₂, CH₄, N₂0…) ont des bandes d’absorption larges.

Les GES présents dans l’atmosphère absorbent une grosse partie du rayonnement dans l’infrarouge.

Un gaz à effet de serre absorbe et réémet le rayonnement infrarouge en grande partie vers le sol qui s’échauffe.

Des modifications de la composition atmosphérique en gaz à effet de serre (GES) peuvent donc avoir des répercussions sur la température.

Depuis plusieurs centaines de milliers d’années, jamais la concentration du CO₂ atmosphérique n’a augmenté aussi rapidement qu’actuellement. Des mesures réalisées sur des bulles de gaz piégées dans les glaces ont permis d’évaluer la quantité de CO₂ atmosphérique.

Le CO₂ étant un GES, il participe à l’augmentation de la température atmosphérique.

Notre planète reçoit de l'énergie sous forme de chaleur grâce au rayonnement solaire. Elle en renvoie vers l’espace sous forme d’infrarouges.

Normalement, le bilan radiatif du globe est nul : la Terre reçoit autant d’énergie du soleil qu’elle en renvoie vers l’espace. Cela lui permet de garder une température moyenne constante.

Or, depuis un siècle et demi, on mesure un réchauffement climatique global (environ +1 °C).

L’évolution de la température est rapide sur une période courte. Cela ne correspond pas à une évolution naturelle. C’est le résultat d’un forçage radiatif (une perturbation du bilan radiatif du système climatique terrestre) positif dû à l’augmentation des GES dans l’atmosphère.

Les GES absorbent et réémettent les infrarouges, donc s’ils sont davantage présents dans l’atmosphère, il y a une augmentation de la puissance radiative reçue par le sol de la part de l'atmosphère.

Les GES sont donc des facteurs susceptibles de modifier l’équilibre radiatif du système climatique.

Le forçage radiatif a augmenté depuis le début de l’industrialisation et a entrainé un réchauffement du climat.

Le réchauffement climatique global, depuis un siècle et demi, est une réponse du système climatique à l’augmentation du forçage radiatif (d’origine humaine).

Depuis le début de l’ère industrielle, l’énergie supplémentaire générée par la Terre est essentiellement stockée :

• par l’air et les sols : ce qui se traduit par une augmentation de la température moyenne à la surface de la Terre depuis 1920 environ ;
• par les océans : ce qui se traduit par une montée du niveau des océans.

L’évolution de la température terrestre moyenne résulte aussi de plusieurs effets amplificateurs.

Plus l’albédo a une valeur importante, plus le rayonnement solaire est réfléchi et moins le sol et l’atmosphère se réchauffent.

Avec la fonte des glaces, dont la surface est réfléchissante, la valeur globale de l'albédo diminue. L’énergie solaire réfléchie étant moins importante, cela provoque un réchauffement du sol et de l’eau. Ce réchauffement accélère alors la fonte des glaces : c’est donc bien un effet amplificateur.

Le permafrost correspond à 25 % des terres émergées de l'hémisphère Nord (Russie, Canada, Alaska).

Il renferme une grande quantité de matières organiques.

Si le permafrost dégèle, la décomposition de cette matière organique par des organismes vivants va libérer dans l’atmosphère énormément de GES.

Les GES émis par la fonte du permafrost accélèrent le réchauffement, qui accélère alors la fonte du permafrost : c’est donc bien un effet amplificateur.

L'élévation de la température à la surface du globe conduit à une augmentation de la concentration de vapeur d'eau atmosphérique. Ce gaz étant un GES, il participe aussi au réchauffement de la Terre. C’est donc bien un effet amplificateur.

Tous ces phénomènes exercent donc une rétroaction climatique positive. Cela signifie que leurs effets sur le climat agissent en retour sur leurs causes d’une manière qui les amplifient.

Les océans représentent 70 % de la surface totale de notre planète. L’océan a un rôle amortisseur en absorbant, à sa surface, une fraction importante (environ 90 %) de l’énergie additionnelle reçue par la Terre (= excès de chaleur accumulé dans le système climatique). Le réchauffement conduit à une élévation de son niveau causée par :

• la dilatation thermique de l'eau qui s'explique par l'augmentation de l'agitation thermique des particules ;
• la fusion des glaces continentales.
   
• Expériences mettant en évidence la différence d’impact entre la fusion des glaces continentales et des glaces de mer :
  
  

  Schéma d'expérience	Description	Résultats	Interprétation
  	On place un glaçon  à la surface d'un volume d'eau et on attend qu'il fonde.	La fusion du glaçon n'entraine pas de variation du niveau de l'eau.	La fonte des glaces de mer (banquise) n'entraine pas d'élévation du niveau des océans.
  	On place un glaçon au dessus d'un volume d'eau et on attend qu'il fonde.	La fusion du glaçon entraine une variation du niveau de l’eau.	La fonte des glaces continentales (glaciers) entraine une élévation du niveau des océans.

Seule la fusion des glaces continentales entraine une élévation du niveau de l’océan.

Néanmoins, la fusion des glaces de mer (banquise) joue aussi un rôle dans l’évolution du climat car cela entraine une diminution de la valeur globale de l'albédo et donc un réchauffement du sol et de l’eau.

À cause de la dilatation thermique et de la fusion des glaces continentales, certains scientifiques estiment que le niveau des océans pourrait s’élever de un à trois mètres d’ici 2100.

Cette accumulation d’énergie dans les océans, dont l’Homme est responsable par ses activités, rend le changement climatique irréversible à des échelles de temps de plusieurs siècles.

De plus, chaque jour, les océans absorbent un quart du CO₂ produit par l’Homme. Cela entraine alors une acidification des océans (menaçant directement des espèces marines).

Les végétaux chlorophylliens réalisent la photosynthèse grâce à l’énergie solaire. Ils prélèvent du CO₂ dans l’atmosphère et rejettent du O₂.

À court terme, un accroissement de la surface de végétaux (= végétalisation) constitue un puits de CO₂. Ils stockent le carbone minéral sous forme de carbone organique.

Ceci constitue un effet de rétroaction climatique négative (stabilisatrice).

Le système climatique présente donc une variabilité spontanée et réagit aux perturbations de son bilan d’énergie par des mécanismes appelés rétroactions.