Chapitre 3: La complexité du système climatique

« Notre maison brûle, et nous regardons ailleurs » 

Jacques Chirac, IVe Sommet de la Terre, Johannesburg le 2 septembre 2002.

modis_wonderglobe_lrg nasaCapture d’écran 2020-12-14 à 14https://eoimages.gsfc.nasa.gov/images/imagerecords/0/885/modis_wonderglobe_lrg.jpg

1969, Naissance du mouvement Écologiste…La Terre est notre seule maison possible !

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Rappels de Première: Les rayons solaires incidents n’ont pas le même effet selon la latitude.

régimes climatiques Le mouvement de la Terre autour du soleil est à l’origine des saisonsvariation saisonnièreVitesse de déplacement de la terre autour du Soleil: 30 km/s soit 100 000 km/h.  

Voir un extrait du film d’Al Gore, « An inconvenient truth », de 11’30 à 23’. Le climat, un système impliquant de nombreux acteurs.Les 4 enveloppes terrestresEn 1896, Svante Arrhenius écrit ceci: »Comme ce serait merveilleux si les émissions humaines de gaz carbonique vers l’atmosphère pouvaient augmenter d’autant le climat de la Terre. Nous en serions heureux en Suède ». Un doublement du CO2 s’accompagne d’une élévation de la température moyenne de 6°C. D’après Urgelli, 2000. évolution de la température de la planète depuis 40 000ansSi le réchauffement climatique semble admis par tous, les causes de ce réchauffement climatique ne sont pas admises par tous et alimentent les discours des climatosceptiques, comme Donald Trump ou Bolsonaro, le président brésilien: Comment peut-on expliquer qu’il existe encore des climatosceptiques? climatosceptiques_doc_pense_e_critique

Plan de ce cours: Quelle différence y a-t-il entre climatologie et météorologie ? Comment explique-t-on le réchauffement climatique ? Quels seront les impacts à long terme du réchauffement climatique ? Capture d’écran 2021-01-28 à 08  Le système climatique mondial

L’étude des changements climatiques nécessite de définir le système climatique, un ensemble complexe constitué de cinq composantes principales : l’atmosphère ; les surfaces continentales ; l’hydrosphère (océans, lacs, rivières, nappes d’eau souterraines…) ; la cryosphère (glaces terrestres ou marines, manteau neigeux) ; la biosphère (tous les organismes vivants dans l’air, sur terre et dans les océans).  

1-Quelle différence y a-t-il entre climatologie et météorologie?

Activités:

A l’aide des documents fournis, j’explique la différence entre météorologie et climatologie.

Identifier des tendances d’évolution de la température sur plusieurs échelles de temps à partir de graphiques. Interpréter des documents donnant la variation d’un indicateur climatique en fonction du temps: date de vendanges, niveau de la mer, extension d’un glacier. Identifier des traces géologiques de variations climatiques passées: pollens, glaciers. 

Carte de la météo du jour à gauche et des climats à droiteCapture d’écran 2020-11-16 à 08http://svt80.over-blog.com/2017/10/meteorologie-et-climatologie.html 

Une vue de la mer de nuages entourant le Grand Ballon, dans les Vosges, en décembre:gd ballon L’effet du vent et de la température sur la végétation au Petit Ballon en décembre:glace   Différence entre météo et climatCapture d’écran 2020-11-16 à 08  La répartition des climats à l’échelle régionale, une conséquence de l’inégale répartition de l’énergie solaire en fonction de la latitude:régimes climatiquesCapture d’écran 2020-11-16 à 08 Capture d’écran 2020-11-16 à 08biomes terrestresforêt tropicaledésertsavaneforêt méditerranéenne copieforêt tempérée décidueSteppe = prairie tempéréesteppe ou froêt tempérée copietaïga forêt de conifèrestoundra climatogrammeSource: d’après Campbell, « Biologie », De Boeck éditions.
  Graphique de l’anomalie de la température moyenne annuelle de l’air:(en France, par rapport à la normale de référence)Capture d’écran 2020-11-23 à 09L’indicateur est constitué de la moyenne des températures de 30 stations météorologiques. Le zéro correspond à la moyenne de l’indicateur sur la période 1961-1990, soit 11,8 °C. Graphique de l’anomalie de la température moyenne annuelle de l’air: (pour le globe, par rapport à la normale de référence).Capture d’écran 2020-11-23 à 08Données du Climatic Research Unit, University of East Anglia. Le zéro correspond à la moyenne de l’indicateur sur la période 1961-1990, soit 14,0 °C. Le Glacier du Rhone en Suissecampbell20200826 copieCe glacier est bordé par 4 dépôts morainiques successifs visibles sur cette aquarelle de Henru Hogard datée de 1848 (à gauche). Le dépôt le plus ancien, à gauche, date de 1602, le second de 1818, le troisième de 1826 et le quatrième de 1848. La photo de droite représente le glacier en 1970.Glacier en Alaskacampbell20200826Au pied de ce glaicier le sol est strié et jonché de moraines, la végétation n’a pas eu le temps de pousser, signe que le retrait est récent. L’amincissement du permafrost nous indique que nous sommes en période de réchauffement.D’après Pour le Science, Hors série l’Atmosphère, 2006. A retenir:La météorologie étudie les phénomènes atmosphériques qu’elle prévoit à court terme : jours, et semaines. Un climat est défini par un ensemble de moyennes de grandeurs atmosphériques observées dans une région donnée pendant une période donnée. Ces grandeurs sont principalement: la température, la pression atmosphérique, le degré d’hygrométrie, les précipitations, la nébulosité, la vitesse et la direction des vents. La climatologie est la science qui étudie les variations du climat local ou global à moyen ou long terme : années, siècles, millénaires. La température moyenne de la Terre, calculée à partir de mesures in situ et depuis l’espace par des satellites, est l’un des indicateurs du climat global. Il existe d’autres indicateurs comme : le volume des océans, l’étendue des glaces et des glaciers. Il ne fait aucun doute aujourd’hui que la Terre se réchauffe, lentement mais sûrement.1-Quelle différence y a-t-il entre climatologie et météorologie ?2-Comment explique-t-on le réchauffement climatique ?3-Quels seront les impacts à long terme du réchauffement climatique ? Activités:Déterminer la capacité d’un gaz à influencer l’effet de serre atmosphérique à partir de son spectre d’absorption des ondes électromagnétiques. Analyser la variation au cours du temps de certaines grandeurs telles que l’augmentation de la teneur atmosphérique en CO2, la variation de température moyenne, des indicateurs de l’activité économique mondiale.    Capture d’écran 2020-12-05 à 07 Capture d’écran 2020-12-05 à 07  Différents graphiques sur des données depuis 1850augmentation de la température et des gaz à effet de serre  augmentation de la température et des gaz à effet de serre copieD’après Pour le Science, Hors série l’Atmosphère, 2006.Une vue de l’activité solaire Capture d’écran 2020-11-16 à 07Constante et flux solaireCapture d’écran 2020-11-16 à 07Les gaz atmosphériques ayant un effet de serremolécules atmosphériques et IRCapture d’écran 2020-11-16 à 07Capture d’écran 2020-09-23 à 09 A retenir:Le climat de la Terre présente une variabilité naturelle sur différentes échelles de temps. Toutefois, depuis plusieurs centaines de milliers d’années, jamais la concentration du CO2 atmosphérique n’a augmenté aussi rapidement qu’actuellement. Depuis un siècle et demi, on mesure un réchauffement climatique global (environ +1°C). Celui-ci est la réponse du système climatique à l’augmentation du forçage radiatif (différence entre l’énergie radiative reçue et l’énergie radiative émise) due aux émissions de gaz à effet de serre (GES) dans l’atmosphère : CO2, CH4, N2O et vapeur d’eau principalement. Lorsque la concentration des GES augmente, l’atmosphère absorbe davantage le rayonnement thermique infrarouge émis par la surface de la Terre. En retour, il en résulte une augmentation de la puissance radiative reçue par le sol de la part de l’atmosphère. Cette puissance additionnelle entraine une perturbation de l’équilibre radiatif qui existait à l’ère préindustrielle. L’énergie supplémentaire associée est essentiellement stockée par les océans, mais également par l’air et les sols, ce qui se traduit par une augmentation de la température moyenne à la surface de la Terre et la montée du niveau des océans.  Si la Terre continue de se réchauffer, alors voyons:1-Quelle différence y a-t-il entre climatologie et météorologie ?2-Comment explique-t-on le réchauffement climatique ? 3-Quels seront les impacts à long terme du réchauffement climatique ?Activités: Identifier les relations de causalité (actions et rétroactions) qui sous-tendent la dynamique d’un système. Réaliser et interpréter une expérience simple, mettant en évidence la différence d’impact entre la fusion des glaces continentales et des glaces de mer. Estimer la variation du volume de l’océan associée à une variation de température donnée, en supposant cette variation limitée à une couche superficielle d’épaisseur donnée.   Capture d’écran 2020-09-19 à 07  Capture d’écran 2020-12-11 à 09 Capture d’écran 2020-12-11 à 09 Des mares de thermokarst résultant de la fonte du pergélisol. Capture d’écran 2021-01-31 à 20 Lorsque le pergélisol dégèle, des morceaux de sol se détachent et tombent dans l’eau, apportant nutriments et carbone aux bactéries et au plancton présents dans la mare, qui les dégradent en CO2 (dans les couches d’eau proches de la surface) et en méthane ou CH4 (dans le fond privé d’oxygène de la mare).  Or le méthane a un pourvoir d’effet de serre 20 fois plus important que celui du CO2.   Répartition du pergélisol dans l’hémisphère nord. De bleu foncé à bleu clair : pergélisol continu (90% de la surface), pergélisol discontinu et pergélisol sporadique (- de 10% de la surface). Capture d’écran 2021-01-31 à 20 C’est le plus gros réservoir de carbone continental de la planète, devant les réserves de combustible fossile que sont le pétrole, le gaz et le charbon. « 1 700 milliards de tonnes de carbone d’origine végétale s’y sont accumulées depuis la dernière glaciation, explique Florent Dominé. C’est deux fois plus de carbone que n’en contient actuellement l’atmosphère ! »   Pergélisol, le piège climatiqueTypique des régions arctiques, le pergélisol, le sol gelé depuis des milliers d’années, dégèle peu à peu sous l’effet du réchauffement climatique. Ce faisant, il libère de puissants gaz à effet de serre.  » CNRS Le journal  » s’est rendu au Nunavik, dans l’Arctique canadien, pour mieux comprendre ce phénomène largement sous-estimé par les modèles climatiques.     A retenir: L’évolution de la température terrestre moyenne résulte de plusieurs effets amplificateurs (rétroaction positive), dont :L’augmentation de la concentration en vapeur d’eau (gaz à effet de serre) dans l’atmosphère ;La décroissance de la surface couverte par les glaces et diminution de l’albédo terrestre ;Le dégel partiel du permafrost provoquant une libération de GES dans l’atmosphère.L’océan a un rôle amortisseur en absorbant à sa surface une fraction importante de l’apport additionnel d’énergie. Cela conduit à une élévation du niveau de la mer causée par la dilatation thermique de l’eau. À celle-ci s’ajoute la fusion des glaces continentales. Cette accumulation d’énergie dans les océans rend le changement climatique irréversible à des échelles de temps de plusieurs siècles. À court terme, un accroissement de la végétalisation constitue un puits de CO2 et a donc un effet de rétroaction négative (stabilisatrice). Capture d’écran 2021-02-05 à 15Capture d’écran 2021-02-05 à 15Capture d’écran 2021-02-05 à 15Source:1_The_trajectory_of_the_Anthropocene_The_Great_AcceBilan : Le système climatique et son évolution dans le temps résultent de plusieurs facteurs naturels et d’interactions entre océans, atmosphère, biosphère, lithosphère et cryosphère. Il est nécessaire de prendre en compte ces interactions à différentes échelles spatiales et temporelles, de l’année au million d’années voire davantage. Le système climatique présente une variabilité spontanée et réagit aux perturbations de son bilan d’énergie par des mécanismes appelés rétroactions. Les facteurs anthropiques ont des conséquences irréversibles à court terme.  Remarque: L’étude des paramètres orbitaux de la Terre et de leur influence sur le climat n’est pas au programme. LEGOS, (Dieng et al., 2017) Accélération de l’élévation du niveau de la mer : un effondrement de l’Antarctique n’est pas exclu. Alors que l’élévation du niveau de la mer s’accélère depuis 2004, affectant particulièrement les Outre-mers et les petits états insulaires du Pacifique ouest, de récents travaux indiquent qu’elle pourrait devenir beaucoup plus importante à cause de la fonte de l’Antarctique, avec un risque d’effondrement. https://reseauactionclimat.org/acceleration-elevation-niveau-mer-effondrement-de-lantarctique-pas-exclu/ Greenland is melting at an historically unprecedented rateIf it all melted, Greenland’s ice would raise sea level by seven meters. Greenland was losing ice four times faster in 2012 than it was in 2003, new research has found. The study’s lead author, Michael Bevis, says global warming is to blame. We spoke to Bevis, a professor of geodynamics at The…    Pergélisol, le piège climatique. Typique des régions arctiques, le pergélisol, le sol gelé depuis des milliers d’années, dégèle peu à peu sous l’effet du réchauffement climatique. Ce faisant, il libère de puissants gaz à effet de serre.  » CNRS Le journal  » s’est rendu au Nunavik, dans l’Arctique canadien, pour mieux comprendre ce phénomène largement sous-estimé par les modèles climatiques.  https://www.fondation-lamap.org/sites/default/files/upload/media/minisites/projet_climat/animations/PaysagesEtClimats.swf  https://www.fondation-lamap.org  Capture d’écran 2020-09-19 à 07https://planet-terre.ens-lyon.fr/article/fonte-banquise-2005-10-06.xml Capture d’écran 2020-09-22 à 08Spectre solaire Capture d’écran 2020-09-23 à 09  Temératures solaires et spectre solaireCapture d’écran 2020-09-23 à 09 Notion d’albédoCapture d’écran 2020-09-23 à 09 Absorption atmosphérique des rayonnements solairesCapture d’écran 2020-09-23 à 09Capture d’écran 2020-09-23 à 09 Capture d’écran 2020-09-23 à 09 Capture d’écran 2020-09-23 à 09Capture d’écran 2020-09-23 à 09Capture d’écran 2020-09-23 à 09  Capture d’écran 2020-09-23 à 09Capture d’écran 2020-09-23 à 09 Capture d’écran 2020-09-23 à 09Capture d’écran 2020-09-23 à 09  Capture d’écran 2020-11-16 à 07 Capture d’écran 2020-11-16 à 07 Capture d’écran 2020-11-16 à 07 Capture d’écran 2020-11-16 à 07 Capture d’écran 2020-11-16 à 07 Capture d’écran 2020-11-16 à 07 Capture d’écran 2020-11-16 à 07 Ressources: https://cache.media.eduscol.education.fr/file/SVT/94/7/RA20_Lycee_G_T_SVT_Theme2_ClimatsTerre_1307947.pdfhttps://cache.media.eduscol.education.fr/file/Pluridisciplinaire/02/5/RA19_Lycee_G_1er_ES_Schemas_flux_radiatifs_1220025.pdf  ANIMATION SATELLITE sur la France et l’Europe par Météo-FranceMETEO FRANCE : retrouvez les animations satellites (compositions colorées) pour les 12 dernières heures sur la France et l’Europe.   Résumé :La planète Terre est une planète singulière puisque c’est à ce jour la seule où la vie s’est développée, c’est bien qu’il doit exister des conditions favorables au développement de celle-ci. L’atmosphère, par le biais d’un effet de serre naturel, est responsable d’une condition essentielle à l’apparition de la vie : que de l’eau soit liquide. Cet effet de serre naturel s’explique par la présence de certains gaz qui captent les rayons infrarouges que la Terre émet lorsqu’elle est chauffée par les rayons incidents du soleil. Une partie de l’énergie absorbée par la surface est renvoyée, c’est l’albédo. Mais l’énergie renvoyée n’est pas la même que l’énergie reçue, qui elle se situe dans le spectre visible. Les infrarouges renvoyés sont captés par les gaz à effet de serre qui en renvoient d’autres vers la surface terrestre. Ainsi, la Terre présente une température moyenne plus importante que celle qu’elle devrait avoir si cet effet de serre n’existait pas. Malheureusement, l’Homme modifie cet équilibre en ajoutant des gaz à effet de serre dans l’atmosphère. Introduction. La Terre est une planète où s’exercent, à sa surface, les influences de milieux aux caractéristiques différentes.Les enveloppes externes, atmosphère, hydrosphère sont plus ou moins continues ; elles interagissent les unes avec les autres ; elles sont le siège de circulations et elles permettent la régulation du climat.Or, la Terre est la seule planète du système solaire avec une telle hydrosphère dans laquelle la vie est apparue.En quoi le fonctionnement de ces deux enveloppes est-il aujourd’hui influencé par l’Homme ?  I.Le Bilan énergétique de la Terre A.Caractéristiques de l’énergie de la Terre L’énergie à la surface de la Terre a une double origine :Interne : lachaleur initiale (choc des petits corps rocheux lors de la formation de la Terre), la radioactivité́, la différenciation des assises en croûte, manteau, noyau, et les mouvements différentiels de ces assises qui génèrent de l’énergie.Externe : l’énergie solaire.L’énergie solaire reçue par la Terre 5500 fois plus importante que l’énergie liée au chauffage interne.L’énergie reçue par la Terre provient du rayonnement solaire.  B.Le Soleil : source d’énergie principale de la surface terrestre 1.Température du SoleilD’où vient l’énergie du Soleil ? Le Soleil est une sphère de gaz, composée principalement d’Hydrogène.Au centre, la température avoisine les 15.106 °C.C’est un réacteur thermonucléaire qui dégage de la lumière.La fusion de l’Hydrogène en Hélium libère une énergie sous forme de photons (réactions thermonucléaires) 4 noyaux de protons H => 1 noyau d’Hélium, des électrons et des photons lumineux qui portent de l’énergie. Attention : Ce sont des noyaux qui fusionnent et non des atomes, d’où le nom de réactions thermonucléaires.Le soleil induit 3 types de rayonnement :Les rayons visibles à l’œil humainLes rayons IR (infra-rouge)Les rayons UV (ultra-violets)Le spectre solaire est centré sur les rayons visibles, avec comme valeur de longueur d’onde pour laquelle l’intensité lumineuse est maximale : λmax= 0.5 μmLe Soleil peut-être assimilé à un corps noir Un corps noir est un corps idéal qui absorbe totalement les rayonnements électromagnétiques sur l’ensemble du spectre, et donc toute la lumière visible, du coup, il est noir.Cette absorption se traduit par une agitation thermique :Cette agitation thermique provoque l’émission d’un rayonnement électromagnétique dont le spectre ne dépend que de la température, c’est la loi de Planck, qui du coup permet de déduire la température du Soleil.Lien entre rayonnement d’un corps noir et longueur d’onde : Plus la température est élevée, + le maximum de la courbe se situe à une longueur d’onde faiblePour déterminer la température du Soleil, on utilise la Loi de Wien La longueur d’onde à laquelle un corps noir émet le plus de flux de lumière énergétique est inversement proportionnelle à sa température. La loi de Wien se déduit de la loi de Planck du rayonnement du corps noir : à une température T donnée, l’énergie W(λ) passe par un maximum (Wmax) pour une longueur d’onde λmax Loi de Wien : λ­­­­max = (2,898.10-3) /T Si le soleil émet un maximum de lumière dans le visible alors λ­­­­ max = 0,5 μm alors la température du soleil est T= 5796K La loi de Wien relie donc la longueur d’onde maximale émise par le soleil, ici 500 nm soit 0,5 μm, à la température du corps. 2.  Flux d’énergie rayonné par le Soleil:La Loi de Stefan-Boltzmann donne la densité de flux d’énergie qui ne dépend que de la température de l’objet selon la formule : Loi de Stefan-Boltzmann : Esoleil = σ x T4 Cette loi signifie que l’énergie totale rayonnée par unité de surface d’un corps noir sur toutes les longueurs d’onde par unité de temps est proportionnelle à la quatrième puissance de la température du corps noir.Si σ =5,6703.10-8 W.m-2. K-4 et T=5778KAlors l’énergie totale produite par le soleil :  Esoleil = 63,20.106 W.m-2Notez que le flux d’énergie s’exprime en W.m-2 ou en J/s.m2 Quelle fraction de cette énergie parvient-elle sur Terre ? 3.  Notion de Constante solaireElle exprime la quantité d’énergie solaire que recevrait une surface (S) de 1m2 situées à une distance de 1 UA (Unité Astronomique, distance moyenne Terre- Soleil) exposée perpendiculairement aux rayons du Soleil en l’absence d’atmosphère.Pour la Terre, cela correspond à la densité́ de flux énergétique reçue au sommet de l’atmosphère.La distance moyenne de la Terre au Soleil est d’une Unité Astronomique soit environ 150 millions de kmRayon du Soleil :Le diamètre moyen du Soleil est : 1 392 000 km soit un rayon de 6,96.105 kmRayon de l’orbite terrestre :Orbite terrestre = orbite de la Terre autour du SoleilMouvement périodiqueSuit la forme d’une ellipse presque circulaireValeur moyenne : R orbite terrestre : 149,6.106 km Calcul de la constante solaire : S = Esoleil x (rayon du soleil/rayon orbite terrestre)2 S = 63,2.106 x (6,96.105 / 149,6.106)2 Soit un Flux solaire moyen atteignant la Terre de 1 368 W.m-2La constante solaire correspond à l’énergie incidente, reçue par unité de temps, par un disque placé perpendiculairement au rayonnement solaire, à la distance moyenne Terre-Soleil.Or, la Terre n’est pas plate, du coup le disque doit être transformé en une sphère, ainsi nous pourrons calculer l’énergie frappant réellement la surface de la Terre. C’est ce que l’on appelle le flux solaire incident.4.  Flux solaire incident C’est la base pour le calcul de l’effet de serre. Compte tenu du rapport des surface entre un disque (πr2) et une sphère (4πr2), le flux moyen susceptible d’être disponible par unité de surface terrestre est alors de 342 W. m-2   II.Le Bilan radiatif de la Terre Bilan radiatif = c’est la différence entre rayonnement absorbé par la Terre et le rayonnement renvoyé vers l’espace.La terre échange de l’énergie avec l’espace jusqu’à atteindre un équilibre entre perte et gain d’énergie.Le bilan radiatif de la Terre Comprendre le climat de la Terre c’est analyser son bilan énergétique moyen.La presque totalité du rayonnement solaire, 342 W.m-2, entre dans le système terrestre, mais la totalité du flux solaire incident n’est pas absorbée car la surface terrestre et l’atmosphère possèdent un pouvoir réflecteur appelé albédo de l’ordre de 30%.Donc environ 107 W.m-2 sont réfléchis vers l’espace A.L’albédoInfluence de la nature de la surface L’Albédo est une grandeur sans dimension car c’est le rapport de l’énergie solaire réfléchie par une surface par rapport à l’énergie solaire incidenteLes régions polaires réfléchissent la plus grande partie des rayons lumineux qui les atteignent déjà difficilement. Il y a donc un phénomène auto-entretenu des conditions froides.Sur Terre, en moyenne : 30% de l’énergie est réfléchie, 70% de l’énergie est absorbéeDu coup, l’Albédo moyen de la Terre = 0.3L’albédo varie avec la saison. Le bilan radiatif de la Terre : Les 70% restants sont absorbés par l’ozone dans la stratosphère, par la vapeur d’eau, les nuages et les aérosols de la troposphère (pour 67 W.m-2) et par la surface terrestre (pour 168 W.m-2). Calcul de la température d’équilibre sans effet de serre : Quelle est l’énergie reçue à la surface de la Terre en prenant en compte l’albédo ?Ereçue = Rayonnement solaire incident moyen x proportion d’énergie reçue Soit = 342 x 0.7 ~ 240 W.m-2 reçus à la surface en tenant compte de l’albédo   Notion de Température d’équilibre à la surface d’une planète :C’est la Température théorique d’une planète considérée comme un corps noir et dont la seule source de chaleur serait l’étoile parente Dans ce modèle, la présence ou l’absence d’une atmosphère n’est pas considérée et l’on remplace la surface de la planète par une surface idéalisée Quelle est la température d’équilibre sans effet de serre ? Loi de Stefan-Boltzmann est la loi qui permet de calculer la température que devrait avoir la terre en fonction de ce qu’elle reçoit sans tenir compte de l’effet de serre soit : ETerre= σ x T4 Avec σ =5,6703.10-8 W.m-2.K-4   mais ETerre : énergie réellement reçue par la Terre soit 240 W.m-2Soit T= (ETerre/ σ)1/4 Sachant que T = 255 K et 0°K = – 273.15°C Soit T= (240/5,6703.10-8) ¼ soit T = 255K donc T= -18°C   Sans atmosphère donc sans l’effet de serre, la température d’équilibre de la Terre serait de -18°C   B.L’atmosphère Structure verticale de l’atmosphère en différentes couches : troposphère, stratosphère, mésosphère, thermosphère dont les caractéristiques chimiques, physiques et températures sont différentes.Comment le transport d’énergie s’effectue-t-il dans l’atmosphère ? Les trois formes de transport d’énergie dans l’Atmosphère sont : Énergie thermique = élévation de T°Énergie potentielle = élévation d’altitudeÉnergie latente = absorption vapeur / condensationImportant : ce que la Terre renvoie elle le renvoie sous une autre forme Ce qui signifie que pour maintenir la balance énergétique, le système terrestre réémet à son tour vers l’espace des radiations de plus grandes longueurs d’onde, dans l’infrarouge proche.Sur les 390 W.m-2 qui rayonnent depuis la surface terrestre :40 W.m-2 traversent l’atmosphèreEt sur les 350 W.m-2 absorbés par l’atmosphère, 324 W. m-2 sont réémis vers la Terre (effet de serre).L’atmosphère réémet également vers l’espace environ 195 W. m-2.L’effet de serre :Le bilan énergétique détermine la température moyenne à la surface du globe : 13°C, température d’équilibre entre la surface terrestre et l’atmosphèreLe système Terre-Atmosphère en équilibre avec l’espace serait à une température de – 18°C mesurée par un observateur extérieurLa différence de 31°C provient de l’effet de serre ce qui signifie que l’atmosphère est transparente au « rayonnement visible » solaire et opaque au « rayonnement infrarouge » terrestre.  C.L’effet de serre  Apprendre ce document par cœur car tout y est résumé Source : Emmanuel, Rafélis et Pasco, 2007  Des déséquilibres énergétiques et régionaux Au cours de l’année, le bilan radiatif, en un point géographique précis, est généralement diffèrent de zéro, créant ainsi des déséquilibres énergétiques régionaux.L’intensité de l’insolation et le pourcentage d’absorption du rayonnement solaire dépendent principalement de l’angle suivant lequel les rayons solaires atteignent la surface terrestre.Ainsi la distribution des températures à la surface du globe varie en fonction de la latitude et des saisons :Ceci est responsable des circulations atmosphériques et océaniques ;De la redistribution de l’énergie, en transférant l’excèdent des régions de basses latitudes vers les pôles. L’effet de serre Ce phénomène est responsable du réchauffement de la basse atmosphère de la planète par absorption du rayonnement infrarouge.Ce piégeage est effectué par certains gaz : la vapeur d’eau, le dioxyde de carbone (CO2), le méthane (CH4) et les chlorofluorocarbures (CFC).L’abondance de ces gaz, parfois d’origine anthropique, dans les basses couches de l’atmosphère est la cause principale du réchauffement car le rayonnement infrarouge absorbé par les gaz est réémis vers la Terre. Le rôle des Chlorofluorocarbures (CFC) Dérivés chlorés et fluorés du méthane ;Utilisés comme propulseurs aérosols et réfrigérants ;Ils sont stables dans la troposphère ;Une durée de vie de 60 à 200 ans ;Le seul puits est stratosphérique ;La photolyse libère des atomes de Chlore. Caractéristiques des gaz à effet de serre Composants gazeux de l’atmosphère qui absorbent le rayonnement IR émis par la surface terrestreL’absorption du rayonnement infrarouge dépend de la structure de la molécule : Les molécules biatomiques et symétriques (O2, N2, H2…) sont très peu absorbantes (pas de capacité à vibrer)Les molécules triatomiques ou non symétriques (H2O, CO2, CH4, CO.…) sont beaucoup plus absorbantes.Les molécules doivent avoir des propriétés d’absorption (et donc de réémission) dans le domaine d’émission du système Terre-atmosphère considéré comme un corps noir autour de 260 à 280K. Ce domaine spectral correspond à l’infrarouge thermique entre 4 μm et 40 μm. Dans ce domaine, les molécules considérées absorbent un photon et passent d’un état fondamental à un état excité de vibration.En résumé :Le soleil éclaire dans le domaine de l’UV, du visible, du proche infra-rougeLes molécules de l’atmosphère (gaz poly atomiques) n’absorbent pas ou peu dans la longueur d’onde du visibleLa Terre (les enveloppes fluides) réémet dans le domaine de l’InfrarougeLes molécules de l’atmosphère (gaz poly atomiques) absorbent en partie dans ce domaine spectralIl existe donc un gain d’énergie appelé effet de serre et associé à la présence des GES.  Gaz à effet de serre : volume mineur mais rôle majeur !Calcul de la température d’équilibre avec effet de serre Loi de Stefan-Boltzmann est la loi qui permet de calculer la température que devrait avoir la terre en fonction de ce qu’elle reçoit sans tenir compte de l’effet de serre soit : ETerre= σ x T4 Avec :σ =5,6703.10-8 W.m-2.K-4 ETerre : énergie émise par la Terre sous forme d’IR soit 390 W.m-2T= (ETerre/ σ)1/4Sachant que T = 255 K et 0°K = – 273.15°C alors T= (390/5,6703.10-8) ¼ soit T = 15°C Température d’équilibre de la Terre : 15°C   Les activités humaines augmentent la concentration de gaz à effet de serre dans l’atmosphère, les infrarouges sont absorbés en plus grande quantité, la température de la planète augmente. D.     Notion de forçage radiatif On appelle forçage radiatif (W.m-2) du système climatique toute variation de l’énergie transmise à l’ensemble du système Terre-atmosphère, causée par des changements des facteurs de forçage.Il s’agit donc de la différence entre l’énergie radiative reçue et l’énergie radiative émise par un système climatique donné :Positif : plus d’énergie reçue qu’émise, il tend à réchauffer le systèmeNégatif : plus d’énergie émise que reçue, il tend vers un refroidissement  L’homme par ses activités ajoute du CO2, CH4 et d’autres gaz à effet de serre dans l’atmosphère.Quelle est la conséquence sur la température moyenne planétaire ? Conclusion 3e groupe de travail du GIEC (1er octobre 2001) : aucun facteur naturel n’est susceptible d’avoir contribué significativement au réchauffement de 0.6°C observé sur les 30 dernières années.Les variations de l’intensité solaire ont été négligeables et les volcans n’ont pu avoir qu’un effet global de refroidissement, limité dans le temps après les grandes éruptions.Un faisceau d’éléments suggère qu’il y a une influence perceptible de l’homme sur le climat Quels sont les gaz à effet de serre anthropiques ?CO2 : depuis 1860 ➶30%, 3⁄4 combustions de charbon & pétrole, 1⁄4 feux de forêts des zones tropicalesCH4 : x2, agriculture, production et distribution pétrole, gaz, extraction charbon, déchargesN2O : agriculture (engrais), combustion biomasse, synthèses chimiques industrielles (acide nitrique)Gaz fluorés (CFC, PFC, SF6) : 0 (1950) à 800 ppm (1990) systèmes de réfrigération, climatisation (automobile), aérosols.Fabrication règlementée (action destructrice sur la couche d’ozone, Convention de Montréal, 1987)H2O : vapeur d’eau générée principalement par les réacteurs des avions Ordre d’importance des gaz à effet de serre générée par l’activité humaine-production d’énergie, procèdes industriels, transports, activités agricoles- :50% CO2,19% méthane,1.7% CFC,8% ozone de la troposphère,4% protoxyde d’azote,2% vapeur d’eau  III.         Conséquences des effets anthropiques A.      La modification du bilan radiatif de la Terre – Les surfaces continentales et les couches superficielles des océans se réchauffent – Le rayonnement thermique infrarouge s’échappant vers l’espace diminue – On estime que cette diminution doit s’approcher de 1 W.m-2 même si elle est encore difficile à mesurer avec confiance (Trenberth et al., 2009) B.      Trou d’ozone Un trou dans la couche d’ozone (absorbe les UV) désigne une région de la couche d’ozone stratosphérique qui a été détruite à plus de 50 % et qui limite d’autant la protection qu’elle nous offre contre les rayonnements ultraviolets du Soleil.Cet appauvrissement aurait été causé par d’importants apports de CFC (chlorofluorocarbures, durée de vie dans l’atmosphère : 50 à 100 ans) et d’autres gaz à base de chlore et de brome dans l‘atmosphère, où ils réagissent en dégradant de l’ozone. Ils ont été libérés en quantité par l’Homme par le passé, mais sont maintenant interdits.  C.     Fonte du pergélisol Le pergélisol est une partie du sol et du sous-sol qui est toujours gelée, durant au moins deux années consécutivesIl se forme lorsque la surface sous le sol de la Terre reste gelée au-delà de la période hivernale, durant au moins deux ans.Il en existe trois types :Le pergélisol continu : 100 % du sol est geléLe pergélisol étendu : 50 % à 90 % du sol est geléLe pergélisol sporadique : 10 % à 50 % du sol est gelé Fonte 70 ans plus tôt que prévu : « Nous avons été sidérés en découvrant que le pergélisol avait réagi si rapidement aux températures élevées de l’air. En l’espace d’une dizaine d’années, nous avons vu le paysage se transformer. »Températures estivales plus élevées + faibles niveaux de végétation isolante + présence de glace souterraine à proximité́ de la surface = fonte exceptionnellement rapide et profonde du pergélisol  D.     Le bilan radiatif de la Terre Au total, le bilan thermique du système Terre/atmosphère est en équilibre.Le flux réfléchi et réémis est de 342 W.m-2 (107 W.m-2 pour les courtes longueurs d’onde et 235W.m-2 pour les infrarouges).En revanche les sous-systèmes ne sont pas à l’équilibre du point de vue radiatif.La surface de la Terre reçoit plus de chaleur qu’elle n’en émet du fait de l’effet de serre, et, au contraire, l’atmosphère est déficitaire puisqu’elle émet 519 W.m-2 (195 W.m-2 vers l’espace et 234W.m-2vers la Terre) alors qu’elle ne reçoit que 417 W.m-2 (67W.m-2du rayonnement solaire incident et 350 W.m-2à partir de la Terre).Ce déficit d’une centaine de W.m-2est comblé par des flux de chaleur non radiatifs correspondant à la conduction et surtout à la convection thermique (pour 24 W.m-2) et aux processus des changements de phase : évaporation et condensation (pour 78 W.m-2).Ces flux de chaleur non radiatifs permettent alors de rétablir l’équilibre thermique entre les deux sous-systèmesLa convection est un des trois modes de transfert de chaleur :Ce sont les transferts de chaleur se produisant entre une surface et un fluide en mouvement lorsque ceux-ci sont à des températures différentes. IV.        Conclusion : L’ensemble des processus de la géodynamique externe de la planète Terre est induit et piloté par l’énergie provenant du Soleil.Ce flux d’énergie maintient à la surface de la Terre une température moyenne (autour de +15°C) permettant l’existence de l’eau sous différentes phases et contribue ainsi au développement de la vie.Même si le bilan énergétique de la Terre est globalement à l’équilibre, dû à la présence d’une atmosphère qui joue un rôle de régulateur thermique, des déséquilibres locaux existent et sont à l’origine de transferts d’énergie qui se traduisent par le mouvement des fluides atmosphériques et océaniques.

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