Title: A1263248110WZIHb
1Climat de la Terre et développement durable
2Objectif
? Les changements climatiques de la Terre à
différentes échelles de temps
? Développement durable
3Plan de lexposé
I. Le système Terre-Océan-Atmosphère (régule
le climat de la Terre)
II. Variabilité naturelle du climat de la Terre
(action du climat sur lHomme)
III. Enjeux pour un développement durable (action
de lHomme sur le climat)
4I. Le système Terre-Océan-Atmosphère
(Les pré requis)
5Les réservoirs interactifs
Pour comprendre la dynamique externe de la Terre
il faut (i) Connaître les variations dénergie
reçue par le système TOA (ii) Comprendre les
échanges et interactions entre les différents
réservoirs
6I. Le système Terre-Océan-Atmosphère
1. Energie du système Terre-Océan-Atmosphère e
t bilan radiatif.
Résumé Le climat de la Terre est contrôlé
par (1) lénergie reçue (flux solaire
incident) (2) leffet de serre
71.1 Energie du Système flux solaire incident
Rayonnement électromagnétique dorigine solaire
81.1 Energie du Système flux solaire incident
91.1 Energie du Système flux solaire incident
101.2 Bilan radiatif
-18C
15C
111.2 Bilan radiatif
-18C
15C
Schéma du bilan radiatif et effet de serre
121.2 Bilan radiatif
Rôle de la chaleur latente
Sur 100 km3 de pluie/an sur les continents 62
retournent à latmosphère (ET) ? Importance de la
végétation dans la régulation du bilan radiatif
de la terre
131.2 Bilan radiatif
141.2 Bilan radiatif
Les moteurs de la dynamique atmosphérique et
océanique
15I. Le système Terre-Océan-Atmosphère
1. Energie du système Terre-Océan-Atmosphère
et bilan radiatif.
2. Structure et dynamique de latmosphère
Résumé La circulation atmosphérique influence
le climat de la Terre (1) En répartissant la
chaleur de léquateur vers les pôles (2) En
contrôlant la circulation océanique de surface
16dynamique atmosphérique et océanique
17Rappel sur la composition de latmosphère
Composition actuelle de latmosphère (air sec)
Psol 1013,25 hPa et P F/s mg/s Pour s
1m2 ? masse atm m P/g 101325/9.81 Pour s
4?.(6 378 000)2 m2 ? masse atm m 5.25 1018
kg
182.1 Structure de latmosphère
Structure verticale de latmosphère
19Circulation atmosphèrique
Hémisphère Nord
Moteur Convection thermique Rotation de la
Terre
202.2. Circulation Atmosphèrique
Dépression en Atlantique Nord
212.2. Circulation Atmosphèrique
Dépression sur le Pacifique Nord
222.2. Circulation Atmosphèrique
232.2. Circulation Atmosphèrique
Conséquence répartition des climats en fonction
de la latitude
24I. Le système Terre-Océan-Atmosphère
1. Energie du système Terre-Océan-Atmosphère
et bilan radiatif.
2. Structure et dynamique de latmosphère
3. Structure et dynamique des Océans
Résumé La circulation océanique influence le
climat de la Terre en répartissant la chaleur
stockée dans locéan
253.1 Structure des océans
263.1 Structure des océans
Densité f(1/T) et f(salinité)
NB T, salinité, densité vont contrôler les
courants profonds
273.2 Circulation océanique courants de surface
liés aux champs de vent force de coriolis
283.3 Circulation océanique courants profonds
-45
10
S
36
36
34.2
35
2000 m
34.8
4000 m
Salinité (Atlantique)
T (Atlantique)
Moteur Stratification verticale des Océans
(salinité, T, densité)
293.4 Circulation océanique globale
303.4 Circulation océanique globale
Modélisation de la circulation dune particule
dans locéan
31I. Le système Terre-Océan-Atmosphère
II. Variabilité naturelle du climat de la Terre
(Les changements climatiques de la Terre à
différentes échelles)
32II. Variabilité naturelle du climat de la Terre
1. Variabilité sur un pas de temps long (gt106 ans)
Résumé Les changements climatiques de la Terre
sur un pas de temps long sont liés (1) à
labsorption du C02 atmosphérique par les
océans (2) à la tectonique des plaques
33Variations sur le long terme
Les données T sont corrélées avec les
concentrations en CO2
34Variations sur le long terme
Cause 1 Captage du CO2 atmosphérique par
locéan
Bilan dégazage / absorption océan absorbe
2GT de carbone /an
- précipitation de CaCO3 dans Océans (roches
sédimentaires) - gt baisse effet de serre et baisse des T de
latmosphère.
- L'ensemble des calcaires sur Terre 40 000 000
de Gt de C - (atmosphère actuelle contient 760 Gt de C).
35Archives sédimentaires
Variations sur le long terme
Carbonates ? pièges à Carbone
36Variations sur le long terme
Cause 2 Tectonique des plaques (géodynamique)
Subduction gt métamorphisme du CaCO3 et SiO2 -gt
silicates (CaSiO3), dégage du CO2 -gt atmosphère
(volcans).
37Variations sur le long terme
2.2. Chaînes de collision gt Refroidissement
38Variations sur le long terme
Cause du refroidissement ? Altération et Erosion
des chaînes de montagne pompe à CO2
- Exemple
- ? Altération de l'anorthite, silicate calcique
- CaAl2Si2O8 3H2O 2CO2 lt------gt Al2Si2O5(OH)4
(kaolinite) Ca2 2HCO3- - consommation de 2 moles de CO2 pour altération
d'une mole d'anorthite. - précipitation de calcite CaCO3, lorsque HCO3-
arrive en mer, - Ca2 2 HCO3-lt------gt CO2 H2O CaCO3
- Bilan
- Altération d1 mole d'anorthite a pompé 1 mole de
CO2 dans l'atmosphère.
http//www.ens-lyon.fr/Planet-Terre/
39Variations sur le long terme
Application modification du climat par les
chaînes de montagne
(détails sur http//www.ens-lyon.fr/Planet-Terre/)
- Altération - érosion de l'Himalaya sur 10 km
d'épaisseur - 10 km x 2000 km long x 100 km large ? 2.106 km3
de roche soit 2. 1015 m3. - Avec une densité de 2500 kg/m3, la masse altérée
correspond à 5.1018 kg. - Croûte continentale 5,5 de CaO, dont 2 dans
les silicates (plagioclases, Px,..). - Masse de CaO venant de silicates altérés est donc
de 5.1018 kg x 0,02 1017 kg. Son altération
a donc consommé 0,78 .1017 kg de CO2. - Atmosphère contient 750 GT de C, soit 750 x
44/122750 GT de CO2 (2,75.1015 kg).
Rapport CO2 consommé /CO2 atmosphérique 0,78
.1017 / 2,75.1015 28 L'altération-érosion de
l'Himalaya, selon cette quantification
simplifiée, a donc consommé 28 fois la quantité
de CO2 atmosphérique actuelle. Si seulement 10
des silicates sont altérés (et les 90 autres
transportés intacts vers les zones de
sédimentation), cela correspond à une absorption
de 2.8 fois la quantité actuelle du CO2
atmosphérique? tendance au refroidissement.
40II. Variabilité naturelle du climat de la Terre
1. Variabilité sur un pas de temps long
2. Le climat de la Terre depuis 1Ma
Résumé Depuis 1 Ma les changements climatiques
sont liés aux changements de la position de la
Terre / soleil (variations densoleillement).
411. Climats depuis 1 Ma indicateurs
Chironomid
Cladocera
Coleoptera
Diatom
Pollen
42Climats depuis 1 Ma indicateurs
Carotte de Glace
- Glace
- Paléo T
- Paléo atmosphère
43Climats depuis 1 Ma indicateurs
Les isotopes stables de l'oxygène marqueurs des
variations climatiques
- Composition isotopique de l'oxygène (rapport
18O/16O) - ? variations de températures .
(2) 18O plus lourd que 16O ? lors de
l évaporation la phase gazeuse senrichit en
16O, (H216O). ? lors de la condensation la pluie
senrichit en 18O, (H218O).
44Climats depuis 1 Ma indicateurs
18O 16O
18O 16O
18O/16O
18O
Principe Plus la température globale est basse,
plus le processus de condensation est poussé gt
la vapeur d'eau (nuage) s'appauvrit en isotope
lourd (18O) gt plus la teneur en 18O aux pôles
est faible gt 18O/16O diminue dans les glaces
des pôles.
45Climats depuis 1 Ma indicateurs
? A linverse plus il pleut sur les océans gt
enrichissement en isotope lourd (18O)
46Climats depuis 1 Ma indicateurs
Exemple rapport 18O/16O 1.96.10-3 dans la
neige au Groenland et Tmoy-30C
?18O (2000) (1.93.10-3 - 2.10-3)x 1000 -35
2.10-3
47Climats depuis 1 Ma indicateurs
Coraux ? variations du niveau de la mer
48Climats depuis 1 Ma indicateurs
Courbes de remontée du niveau marin enregistrée
par les coraux de la Barbade et des Caraïbes
49Climats depuis 1 Ma résultats
(1) Mise en évidence des cycles climatiques du
Quaternaire
CO2 ppm
T
CH4 ppm
50(No Transcript)
51Cycles climatiques à 100 000 ans
(2) Effets des cycles climatiques du Quaternaire
Tendances évolutives à 100 000 ans
NB Depuis 5000 ans possibilité de croissance des
calottes de glace.
52Climats depuis 1 Ma résultats
Distribution des calottes de glace arctique entre
période glaciaire et interglaciare
53Climats depuis 1 Ma résultats
54Climats depuis 1 Ma résultats
(3) Origine des cycles climatiques depuis 1 Ma
Paramètres astronomiques
55Climats depuis 1 Ma résultats
56Cycles climatiques à 100 000 ans
Variable principale quantité de rayonnement
reçue en été aux hautes latitudes de l'hémisphère
nord.
57Cycles climatiques à 100 000 ans
- Les paramètres orbitaux sont responsables des
grandes variations de la quantité de lumière du
soleil reçue pendant une saison donnée (jusqu'à
15). - Seules les variations de l'inclinaison (période
de 41 000 ans) et les précessions orbitales
(période de 19 000 et 23 000 ans) affectent de
manière significative la quantité de rayonnement
reçue pour une saison donnée. - ? 0,2 (0,5 W/m2) seulement pour la variation
dexcentricité.
58Cycles climatiques à 100 000 ans
Quelques facteurs amplificateurs (rétroactions
positives)
- Les variations de lAlbédo
- Albédo Energie solaire réfléchie / Energie
solaire incidente 30 sur Terre - Lors dun refroidissement du climat (diminution
de l'ensoleillement) - neige et glace vont couvrir une plus grande
partie de la surface de la Terre - albédo moyen de la Terre va augmentergt quantité
d'énergie solaire absorbée par la Terre va
diminuer renforçant le refroidissement
(rétroaction positive).
2. Concentration en CO2 atmosphérique et
réchauffement climatique Concentration de CO2
dans latmosphère est en équilibre avec celle de
locéan. Lors dun réchauffement climatique la
température de l'eau de mer augmente gt la
solubilité de CO2 dans locéan diminue et CO2
saccumule dans atmosphère gt augmentation de
leffet de serre.
59I. Le système Terre-Océan-Atmosphère
II. Variabilité naturelle du climat de la Terre
III. Enjeux pour un développement durable
"Le développement durable est un mode de
développement qui répond aux besoins des
générations présentes, sans compromettre les
besoins des générations futures.
3 piliers fondamentaux ? développement
économique, ? protection de l'environnement, ?
progrès social.
60III. Enjeux pour un développement durable
1. Variabilité du climat sur le court terme
Origine naturelle ou anthropique ?
Résumé Sur le court terme la variabilité du
climat sobserve (1) à léchelle du millénaire
(x siècles) ? activité solaire (2) à léchelle
du siècle (origine ?) (3) à léchelle
pluriannuelle ? phénomènes météorologiques
périodiques
61Variabilité à léchelle du millénaire
- Forte activité solaire
- ? mesure directe par satellite (20 ans).
- mesure indirecte (taches solaires) les taches
solaires augmentent - ? mesure indirecte (Carbone 14) forte activité
solaire (vent fort) gt baisse du rayonnement
cosmique gt moins de 14C atmosphérique issu du
14N (cf. cernes des arbres d'âge connu).
62Variabilité à léchelle du millénaire
Le petit âge glaciaire (XVIIème)
Corrélations entre lactivité solaire et les
variations de T
63Variabilité à léchelle du millénaire
http//www.grida.no/climate/ipcc_tar/wg1/fig2-20.h
tm
64Variations à léchelle du siècle
Le système TOA est sorti du cadre de la
variabilité naturelle connue depuis 1Ma ? débat
sur linfluence des activités humaines
Depuis un siècle, le taux de CO2 a augmenté de 30
et la température moyenne de la Terre a
augmenté de 0,8C.
65Variations à léchelle du siècle
66Variations pluriannuelles
El Niño
EL NINO - Affaiblissement des alizés - Les eaux
chaudes s'accumulent dans le Pacifique E - pluies
sur le Pérou, sécheresse en Australie, cyclones
T des eaux du Pacifique (coupe E_W) - Alizés
dest en Ouest - accumulation d'eaux chaudes dans
le Pacifique W - upwellings (remontées) d'eaux
froides (riches) le long de l'Amérique du Sud.
67Variations pluriannuelles
Oscillations Nord Atlantiques (NAO)
Positive NAO index phase HP subtropicale plus
forte et BP Islande plus faible (? Forte
différence de pression) gt Fortes dépressions
hivernales sur lAtlantique Nordgt Hivers doux
et humides sur lEurope mais froids et secs sur
le Canada et le Groenland.
http//www.ldeo.columbia.edu/NAO/
68Variations pluriannuelles
Negative NAO Index
NAO index phase négative HP subtropicale faible
et BP Islande moins marquée (? Faible différence
de pression). gt Faibles dépressions hivernales
sur lAtlantique Nord avec trajectoire plus W?E
gt air plus humide sur la méditerranée gt
Hivers secs, froids sur lEurope et Est USA gt
Hivers plus tempérés humides sur le Canada et le
Groenland.
http//www.ldeo.columbia.edu/NAO/
69III. Enjeux pour un développement durable
1. Variabilité du climat sur le court terme
Origine naturelle ou anthropique ?
2. Exemple deffet des activités humaines les
transferts de CO2
70Transferts de CO2
Combustion (charbon, pétrole, etc.) et activités
industrielles
71Transferts de CO2
et transferts naturels
21 avril 1990, l'éruption du volcan Redoubt situé
en Alaska
72Transferts de CO2
- Nuage opaque dair pollué (combustion du charbon)
couvre la Chine orientale - (image prise le 2 janvier 2000)
- Modification locale du climat
- Modification de lAlbédo
- Effet de serre
- Problèmes de santé humaine
Shanghai
Taiwan
Hong Kong
Hanoi
73Transferts de CO2
DéforestationIncendies 1.5 Gt/an de CO2
74Transferts de CO2
http//www.cnrs.fr/cw/dossiers/dosclim/rechfran/4t
heme/pagsuiv6IMG2.htm
Reconstruction des flux de CO2 (période
1985-1995).
combustion des énergies fossiles déforestation
carbone océanique biosphère
75Transferts de CO2
76Transferts de CO2
77Transferts de CO2 bilans
en Gt de C
http//www.cnrs.fr/cw/dossiers/dosclim/rechfran/4t
heme/pagsuiv6IMG.htm
78Transferts de CO2 risques
La combustion des énergies fossiles entraîne en
moyenne, chaque jour et par personne, la
production de 11 kg de dioxyde de carbone dont 4
kg sont absorbés par l'océan.
- 25 millions de tonnes de gaz carbonique qui se
combinent quotidiennement avec l'eau de mer.
- Cette réaction provoque l'acidification de l'eau
de mer, ce qui limite la synthèse de carbonate de
calcium, la principale brique du calcaire dont le
squelette externe des organismes marins est
constitué.
79Transferts de CO2 et CH4 risques
Marges
Pergélisol
Hydrates de méthane Masse estimée en C 35 Gt (
3 à 5 fois le C fossile Anthropique)
Sous des conditions P, T particulières, la glace
(H2O) piège des molécules de gaz ? Hydrates de
gaz (CO2, H2S et CH4). 1 cm3 d'hydrates de
méthane libère 164 cm3 de méthane Formation
origine bactérienne à partir du CO2 (CO2 ? CH4)
80Transferts de CO2 et CH4 risques
IFREMER
Données 3D Sismique Est Pacifique -JDF
EPSL 2004 - Tréhu et al
81 Tendances évolutives à 100 ans
Source GIEC 2001
Les perspectives indiquent un doublement du CO2
et une augmentation de la température de 2 à 6C
d'ici la fin du siècle.
82Tendances évolutives à 100 ans
http//www.grida.no/climate/ipcc_tar/wg1/fig9-10.h
tm
Modèle daugmentation des T suite aux flux de
CO2 .
83III. Enjeux pour un développement durable
1. Variabilité du climat sur le court terme
Origine naturelle ou anthropique ?
2. Exemple deffets des activités humaines les
transferts de CO2
3. Quelques conséquences
84Conséquences
Conséquence 1. Elévation du niveau de la mer
85Conséquences
Modèle délévation du niveau de la mer suite à
une entrée de CO2
86Conséquences
Causes de lélévation du niveau de la mer
? Dilatation thermique des océans (eaux de
surface), (moyenne 2.3 mm/an)
87Conséquences
Calcul des ordres de grandeur
Volume de locéan à une Température T
V(T) V(T0)(1?e(T-T0))
- ?e2,6 10-4 C-1 coefficient de dilatation
thermique volumique de l'eau - V(T0) 1,4 1018 m3 le volume actuel des océans
- Socéan 3,5 1014 m2 (surface des océans)
Si 1/3 du volume de locéan subit une dilatation
(zones superficielles), augmentation de 5C gt
élévation de 2m
88Conséquences
Causes de lélévation du niveau de la mer
? Fonte des glaces stockées sur les continents
South Cascade (Washington Cascade Mountains),
source US.Geological Survey site NSIDC
Exemple Glaces de lAntarctique (24.106 Km3 de
glace soit 21.6 106 Km3 deau). Si fonte totale
des glaces de lAntarctique ??niv. mer 21.6
106 /S Océan 60m NB pas de contribution de la
part de la banquise.
89Conséquences
Élévation du niveau de la mer en fonction des
modèles dévolution du CO2 atmosphérique
90Conséquences
Conséquence 2. Augmentation en taille et
fréquence des tempêtes.
Augmentation des gradients thermiques ?
augmentation de la taille des cellules
cycloniques (ex. Hurricane Katrina)
91Conséquences
Condition thermique T mer gt 26 C sur épaisseur
dau moins 50 m ? évaporation. Condition
géographique suffisamment loin de léquateur
(cinq degrés de latitude soit 550 km) pour que la
force de Coriolis soit non nulle (intervient pour
déclencher le mouvement tourbillonnaire initial).
Nexistent que sur la mer.
92Conséquences
Crue Éclair
Trouville juin 2003
93Conséquences
Conséquence 5 Variations brutales du climat à
court terme
Cause gt réduction des gradients horizontaux
de T Pôles-Equateur gt diminution de
lintensité de la circulation atmosphérique et
océanique (ex. arrêt de la circulation
thermohalinegt chute brutale des T dans
lAtlantique Nord)
94Conséquences
Conséquences de laffaiblissement ou de larrêt
de la circulation thermohaline
Climat Canada
Modification du Gulf Stream
95Conséquences
Modèles dévolution à 100 ans de la circulation
thermohaline
Simulation du flux nord atlantique (overturning),
(en Sverdrups, 1 Sv 1.000.000 m3/s), Le flux
actuel est de 25 Sv environ Pour une
concentration en CO2 dans l'atmosphère atteignant
720 ppmv en 2100, avec une élévation de
température moyenne de 2,5 C à la fin du XXIe
siècle, les différents modèles prédisent une
diminution de la circulation Nord Atlantique de 0
à 60.
Source Climate Change 2001, the scientific
Basis, GIEC
96Tendances évolutives à 100 ans
Causes de larrêt de la circulation thermohaline
- Réchauffement de leau en surface près des pôles
gt diminution densité de leau de mer - Diminution banquise (or formation de la banquise
libère un surplus de sel augmentant la densité de
l'eau de surface) gt diminution de la salinité et
de la densité de leau de surface.
- apport d'eau douce dans l'Atlantique Nord
(pluviométrie et fonte des glaces) gtdiminution
de la salinité et de la densité de leau de
surface.
97 Périodes froides de Heinrich correspondent à des
augmentations de salinité dans la zone Est
Pacifique, synonyme d'une réduction du transfert
de vapeur d'eau mécanisme de rétroaction qui a
amplifié la perturbation climatique. Lors des
épisodes froids, les alizés chargés d'humidité
ont migré vers le sud ne pouvant pas franchir
la Cordillère des Andes, une partie des pluies
qui normalement adoucissaient le Pacifique Est
s'est déposée sur le bassin versant de l'Amazone.
Cette rétroaction a eu pour effet de réinjecter
les eaux de pluie dans l'Atlantique et de
diminuer ainsi la salinité des eaux de cet
océan.Ces eaux transportées ensuite vers les
hautes latitudes ont donc contribué à
l'affaiblissement de la circulation océanique
profonde, renforçant encore le refroidissement
au-dessus et autour de l'Atlantique Nord.
98Conséquences
99Enjeux pour un développement durable
Environnement et développement durable sont
devenus des enjeux majeurs de société.
Le système TOA présente des seuils critiques
conduisant à des changements brutaux
(circulations océaniques, climats). Les
activités humaines peuvent, sans le savoir,
amener le système TOA vers un fonctionnement,
hors de la variabilité naturelle, aux
conséquences imprévisibles à ce jour.
Un nouveau domaine de recherche scientifique se
développe les Sciences de lEnvironnement. Ces
recherches doivent aider à mettre en place des
stratégies de bonne gestion du système
Terre-Océan-Atmosphère.
100 101http//www.pages.unibe.ch/products/overheads/list.
html http//www.ifremer.fr/lpa/blake/ariane http
//www.ens-lyon.fr/Planet-Terre/
http//www.cnrs.fr/cw/dossiers/dosgeol/accueil.ht
ml http//www.eduscol.education.fr/ http//www.lde
o.columbia.edu/NAO/
102 103Conséquences
Conséquence 3 Transferts de SO2 et NOx Pluies
acides
104Conséquences
105Conséquences
Conséquence 4 Accumulation ou destruction dozone
106Conséquences
Cycle naturel de lozone (1) Formation
Réactions photochimiques (photodissociation O2)
O2 ? OO (radicaux libres)
OO2 ? O3 Bilan 3 O2 ? 2 O3
(2) Destruction Photolyse (photodissociation)
OO3? O2O2
O3? O2O
bilan 2 O3 ? 3 02
107Conséquences
Destruction de lozone par réactions
catalytiques ex. chlore ( Cl ) détruit lozone.
Origine du Cl atmosphérique (CFC-chlorofluorocar
bones, CFCl3CF2Cl2..- etc)
ClO3 ? ClOO2 OClO? ClO2 bilan O3O ? 2O2
108Destruction de lOzone stratosphèrique
Conséquences
Le trou dozone très forte diminution de la
couche dozone sur les régions polaires.
Quand ? chaque année, au début du printemps
(lorsque le soleil se lève) et ce, durant un à
deux mois.
Pourquoi? car il y a à cet endroit des nuages
stratosphériques froids (en dessous de -80C)
avec des aiguilles de glaces qui réagissent
durant la nuit polaire avec les CFC
(chlorofluorocarbures). A larrivée des premiers
rayons solaires (printemps) un composé chloré se
dégage et détruit la couche dozone.
Cl O3 -gt ClO O2
109Conséquences
Connaissance des processus de destruction de lO3
stratosphèrique gt limitation des CFC. Les
émissions de chloro-fluorocarbones (CFC) qui
avaient fortement augmenté avant 1990 se
stabilisent progressivement depuis cette date à
la suite des mesures internationales interdisant
leur production.
1101.1 Energie du Système flux solaire incident
- Rappel
- Tout corps ayant dépassé le zéro absolu (-273
Celsius) émet du rayonnement électromagnétique
pour dissiper une partie de son énergie - ondes radio objets froids dans l'espace (- 270
Celsius). - infra-rouges, par exemple notre corps.
- lumière visible (à partir de 700 C), par
exemple filament de métal des ampoules
électriques (2700 C). - ultraviolets (6000 K) cas du soleil.
- rayons X encore plus chaud, cas de certains corps
célestes. - NB T (K) ???(C) 273
111Climats depuis 1 Ma indicateurs