En utilisant un logiciel de simulation.
Un travail inspiré des travaux de Camille Risi et Mathilde Tricoire.
Pour télécharger le logiciel SimClimat sur Mac et Pc:
english version Le logiciel SimClimat est un logiciel pédagogique de simulation du climat de la Terre et des planètes. Par une interface ludique et conviviale, il permet de réaliser des simulations climatiques à différentes échelles de temps.
Remarque: il y a d’anciennes versions en bas de page si besoin.
Activité 1: mise en évidence du rôle du CO2 dans le réchauffement climatique
Constat:
La figure 1 ci-dessous montre l’évolution des anomalies de température globale au cours du dernier millénaire, selon différentes reconstitutions à partir d’archives paléoclimatiques : cernes d’arbres, dates de vendanges et selon des mesures directes.
On voit que les différentes reconstructions ne sont pas toutes exactement d’accord entre elles, mais elles s’accordent sur des variations assez faibles de la température avant 1850.
Puis toutes les reconstructions, ainsi que les mesures directes, s’accordent sur un réchauffement rapide, inférieur 1°C depuis 150 ans.
Figure 1 : Évolution des anomalies de température globale au cours du dernier millénaire, selon différentes reconstitutions à partir d’archives paléoclimatiques.
Figure issue du 4e rapport du GIEC.
Chaque courbe montre un type de reconstructions. La courbe noire correspond à des mesures directes avec des thermomètres.
Problème posé :
- Comment peut-on expliquer ce réchauffement global?
Hypothèse:
- La figure 2 ci-dessous montre l’évolution de la concentration en CO2 mesurée à Hawaï depuis 1960. On y observe que la concentration en CO2 a augmenté, d’environ 100 ppm entre 1960 et 2020.
- Or on sait que, par combustion de matière organique fossile, pétrole et charbon, l’augmentation du CO2 résulte principalement des émissions par les activités humaines. L’activité volcanique en produit également mais cette activité est faible à nulle sur la période considérée.
- Sachant que le CO2 est un gaz a effet de serre, on propose comme hypothèse que le réchauffement climatique est causé par l’augmentation de la concentration en CO2.
Encore faut-il le prouver!
Figure 2 : Évolution de la concentration en CO2 mesurée depuis 1956 à l’observatoire de Mauna Loa à Hawaï.
Figure adaptée de la NOAA.
Pour la courbe rouge, les données sont moyennées sur un mois, alors que sur la courbe noire, les données sont moyennées sur un an.
=> Question bonus: Pourquoi la courbe rouge fait-elle le yoyo ?
A propos du logiciel SimClimat:
- Pour prouver que le CO2 est responsable du réchauffement climatique, nous allons utiliser un logiciel de simulation dont les calculs sont basés sur les mêmes équations que celles des modèles du GIEC, le groupement international d’experts sur le climat, mais en plus simples pour que les résultats nous arrivent plus rapidement. Les résultats sont de véritables calculs fait en temps réels et non des résultats pré-enregistrés.
- Le logiciel SimClimat, que vous devez soit télécharger sur votre téléphone soit l’ouvrir sur votre ordinateur, va faire de vous de véritables experts du climat.
Expérience témoin:
- Avec SimClimat, on réalise une simulation partant de l’époque préindustrielle, de durée 250 ans, avec des émissions anthropiques de 2,5 Gt C/an qui permettent de faire passer la concentration en CO2 à la concentration actuelle.
Expérience de comparaison:
- On réalise une simulation identique à celle de contrôle, à part que les émissions anthropiques sont nulles.
Résultats:
Interprétation:
Conclusion:
Activité 2: faire des prévisions sur l’évolution du climat dans 100 ans
Un constat:
- L’augmentation de la concentration en CO2 causée par les activités humaines a entraîné une élévation de la température de la Terre d’environ 1°C depuis 150 ans (activité 1)
Problème posé:
- Comment le climat de la Terre va-t-il évoluer dans les 100 prochaines années ?
- La température va-t-elle continuer à augmenter ?
Hypothèses:
On sait maintenant que l’évolution du climat à l’avenir dépend de la quantité de gaz à effet de serre émise par les activités humaines.
- Hypothèse 1 : On peut imaginer que les émissions de CO2 resteront constantes.
- Hypothèse 2: On peut aussi imaginer qu’à cause de la croissance démographique et de l’amélioration du niveau de vie dans le monde, les émissions continueront à augmenter.
- Hypothèse 3: On peut au contraire imaginer que face à l’ampleur aux risques liés au réchauffement climatique, les gouvernements des différents états prendront des mesures drastiques pour limiter les émissions.
Expérience témoin:
- On démarre une simulation « maintenant » d’une durée de 100 ans.
- On laisse les émissions comme à l’actuel : environ 8 Gt de carbone par an.
Expérience de comparaison:
On ajoute deux simulations identiques à l’expérience témoin, mais :
- pour la première, les émissions anthropiques de CO2 sont le triple soit 24 Gt de carbone par an des émissions actuelles, scénario de développement démographique et économique important;
- et pour la deuxième, elles sont nulles, scénario où les émissions anthropiques sont stoppées grâce à la réglementation.
Résultats
Interprétation:
Conclusion:
Activité 3: Comprendre les notions de rétroactions climatiques
SimClimat permet de brancher ou débrancher certaines rétroactions climatiques, dont celles de la vapeur d’eau et de l’albédo des glaces, pour les mettre en évidence et en quantifier leur effet.
Mise en garde: comme SimClimat ne contient pas de représentation du méthane , il ne permet pas d’aborder la possible rétroaction liée au méthane mentionnée dans le dégel partiel du permafrost provoquant une libération de Gaz à effet de serre dans l’atmosphère.
Constat:
Nous avons vu dans l’activité 1 que le réchauffement climatique était causé principalement par l’augmentation de la concentration en CO2 lié aux activités humaines, de 280 ppm à l’époque préindustrielle à 400 ppm actuellement.
- Le CO2 est un gaz à effet de serre : plus sa concentration augmente, moins les rayons infrarouges émis par la terre parviennent à s’échapper vers l’espace.
- La Terre conserve alors plus d’énergie et se réchauffe. On appelle cela l’effet de serre.
Problème posé:
Avec des calculs simples, il est possible d’estimer l’augmentation de l’effet de serre lié à l’augmentation de la concentration en CO2 de 280 ppm à 400 ppm, et en déduire le réchauffement attendu.
On trouve alors un réchauffement inférieur à 0,5°C.
- Dès lors, comment expliquer que la Terre se soit réchauffée d’environ 1°C et non de 0,5°C ?
3a: Effet de la vapeur d’eau sur le réchauffement climatique
Hypothèse
- A l’état naturel, le principal gaz à effet de serre est la vapeur d’eau. Or l’air contient d’autant plus de vapeur d’eau qu’il est chaud (Spiga, 2015). Pour faire introduire cette notion, on peut partir d’expériences simples sur l’évaporation et la condensation.
- Par exemple, quand on souffle dehors alors qu’il fait froid, un nuage de gouttelettes d’eau se forme : c’est parce que l’air chaud dans notre bouche contenait beaucoup de vapeur d’eau ; quand cette vapeur d’eau se retrouve dans un air froid, elle se condense, jusqu’à ce que l’air froid ne contienne qu’une petite quantité de vapeur d’eau.
- A partir du constat qu’un air chaud peut contenir plus de vapeur d’eau qu’un air froid, on peut se demander ce qui va se produire du fait du réchauffement de l’atmosphère, et d’imaginer ce « cercle vicieux » avec les conséquences sur le système climatique : plus il fait chaud, plus la concentration en vapeur d’eau augmente, plus l’effet de serre est fort et donc plus il fait chaud (figure 1).
On appelle cela une rétroaction positive.
On essaye donc de tester l’hypothèse selon laquelle la vapeur d’eau est impliquée dans une rétroaction positive qui amplifie le réchauffement climatique.
Expérience témoin:
- On réalise une simulation de 250 ans, partant du monde préindustriel à aujourd’hui, avec des émissions anthropiques de 2,5 Gt C/an qui permettent de faire passer la concentration en CO2 à la concentration actuelle.
- On vérifie qu’à la fin de la simulation: la température a augmenté de 1°C, ce qui est cohérent avec les observations.
Expérience de comparaison:
- On réalise une simulation identique à celle de contrôle, à part qu’on désactive la rétroaction de la vapeur d’eau, en maintenant la concentration en vapeur d’eau constante.
Résultats:
Interprétation:
Conclusion:
3b: Effet de l’albédo des glaces
Hypothèse
- L’énergie de la Terre provient du rayonnement solaire.
- Quand le rayonnement solaire arrive sur la Terre, une partie est réfléchie vers l’espace et est définitivement perdue, et une autre partie est absorbée par la Terre.
- On appelle albédo la fraction du rayonnement solaire qui est réfléchie.
- Plus l’albédo est faible, plus la Terre absorbe de l’énergie et plus la température est chaude.
- On peut alors faire réfléchir à l’albédo de différents types de surface terrestres.
- Quel type de surface à l’albédo le plus faible ? C’est la glace.
- L’albédo de la planète dépend donc fortement de l’étendue des glaces.
A partir de ce constat, on peut imaginer une boucle de rétroaction positive.
Plus il fait chaud, plus les glaces fondent, donc plus l’albédo diminue, donc plus la Terre se réchauffe.
Expérience témoin :
- La même que précédemment : on réalise une simulation de 250 ans, partant du monde préindustriel à aujourd’hui, avec des émissions anthropiques de 2,5 Gt C/an qui permettent de faire passer la concentration en CO2 à la concentration actuelle.
Expérience de comparaison:
- On réalise une simulation identique à celle de contrôle, à part qu’on désactive la rétroaction de l’albédo des glaces, en maintenant l’albédo constant à sa valeur préindustrielle.
Résultats:
Interprétation:
Conclusion:
