TS Spé SVT BILAN SUR LE RECHAUFFEMENT CLIMATIQUE F. Dubois/N. Pidancier

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1 TS Spé SVT BILAN SUR LE RECHAUFFEMENT CLIMATIQUE F. Dubois/N. Pidancier D'abord hypothétique, le réchauffement climatique est aujourd'hui confirmé par les climatologues et géophysiciens qui donnent l'alarme. 95% du réchauffement est reconnu être lié aux activités humaines. Objectifs des 2 séances/exposé : aborder le réchauffement climatique en TS spécialité SVT et comprendre les mécanismes à son origine/conséquences en prenant en compte le plus de notions climatiques possibles. 1- La notion de climat : Sur notre planète, l'énergie solaire reçue est inégalement répartie du fait de sa forme sphérique. Le climat est le résultat d'interactions entre l'atmosphère et les océans, dépend de facteurs comme la température, la pluviométrie (lien avec le cycle de l'eau), la latitude, la couverture végétale, la présence de continents (lien avec la tectonique des plaques), les paramètres orbitaux de la Terre (comme l'excentricité de son orbite ou l'obliquité de son axe de rotation), l'activité géologique (volcanisme)... Différence météo et climat : La météorologie a pour objectif de déterminer le temps qu'il fait (pression, humidité, température) à un endroit donné, à un moment donné afin de prévoir l'évolution à court terme. La climatologie, quant à elle, travaille sur de longues périodes de temps, sur des valeurs moyennes. Une animation synthétique sur le sujet dossier Sagascience du CNRS sur le climat: Le climat se définit à plusieurs échelles : - en un point donné, le climat est assez stable et est défini par des données brutes de température, de pluviométrie. - à l'échelle régionale, le climat sera défini par des moyennes mensuelles de température et de précipitations, représentées sous la forme de climatogrammes Doc : Climatogramme réalisé pour la ville de Bourges (France, source : eduterre/ens-lyon)) à l'échelle globale de la Terre, on a délimité de grandes zones climatiques marquées par des saisons plus ou moins nettes. Doc : Schéma simplifié des zones climatiques terrestres (source : 1

2 Les climats dépendent principalement de la quantité d'énergie solaire reçue. Comme la Terre est une sphère, l'insolation (puissance du rayonnement lumineux reçu par unité de surface (W/m²)) annuelle dépend de la latitude : au sommet de l'atmosphère, elle est maximale à l'équateur et minimale aux pôles (doc.1 page 122). Cette inégale répartition de l'insolation est bien sûr liée à la sphéricité de la Terre (voir cours de Seconde) Doc : inégale répartition de l'énergie solaire reçue à la surface de la Terre (source : Cette énergie solaire reçue au sommet de l'atmosphère dépend : - de l'activité cyclique du Soleil, le flux solaire considéré auparavant comme constant, est en fait variable. Il y a des périodes de forte activité repérables par un grand nombre de tâches à la surface solaire et des périodes de moindre activité. - de paramètres orbitaux de la Terre qui présentent des changements lents à l'échelle de la dizaine de milliers d'années. Ces changements sont dues aux interactions de la Terre avec les autres planètes. La variation de ces paramètres orbitaux modifient la quantité d'énergie solaire reçue par la Terre. Trois paramètres orbitaux ont un effet sur le climat: - l'excentricité de l'orbite terrestre (paramètre décrivant la forme de l'orbite terrestre de la Terre autour du Soleil, une excentricité nulle correspond à une orbite circulaire et une excentricité plus grande indique une orbite plus elliptique) affecte la distance Terre/Soleil et donc la quantité d'énergie solaire reçue - l'obliquité (paramètre décrivant l'inclinaison de l'axe de rotation de la Terre par rapport à un axe perpendiculaire au plan de l'orbite, il varie entre 22 et 24,5 ) influence la répartition latitudinale de l'énergie solaire, sans modifier la quantité totale d'énergie reçue - la précession des équinoxes (position des équinoxes sur l'orbite) a un effet similaire à celui de l'obliquité Doc : les paramètres orbitaux de l'orbite terrestre (source : 2

3 Le bilan radiatif de la planète Doc. 1 p. 122 : si on observe la différence entre l'énergie solaire reçue et l'énergie solaire renvoyée (bilan radiatif, p75 en bas), on voit que le bilan est positif à l'équateur (plus d'énergie reçue que renvoyée) et négatif aux pôles (plus d'énergie renvoyée que reçue). L'énergie solaire reçue est inégalement répartie et dépend de la latitude (l'énergie solaire reçue est d'autant plus faible que la latitude est élevée). Les courants océaniques et mouvements atmosphériques permettent des transferts de chaleur des régions où le bilan énergétique est excédentaire (équateur) vers les régions où le bilan est déficitaire (pôles). En moyenne annuelle, le bilan radiatif (différence entre l'énergie solaire absorbée et la chaleur rayonnée dans l'espace, doc.1 page 122) de la Terre est nul : la Terre reçoit autant d'énergie du Soleil (+ 340 W/m²) qu'elle en réémet vers l'espace 340 W/m². La température de la Terre est à peu près constante. L'albédo (Doc 2 p. 122) est un paramètre important du climat, il correspond au rapport entre l'énergie solaire réfléchie par une surface et l'énergie solaire reçue. Plus l'albédo est élevé, plus le rayonnement solaire est réfléchi et moins il réchauffe le sol et l'atmosphère. L'albédo moyen actuel de la Terre est de 30%. Les variations de l'albédo à l'échelle de la planète sont représentées sur la carte du doc.3 page L'énergie solaire reçue par la Terre est de 340 W/m², le sol recevra en conséquence 70 % de l'énergie solaire incidente soit 240 W/m2. La puissance directement renvoyée dans l'espace sera alors de : = 102 W/m2. Une modification de l'albédo peut-être à l'origine d'une rétroaction sur le climat. Lien possible : Il existe des facteurs susceptibles de modifier le rapport entre l'énergie reçue et l'énergie réémise, ce qui peut bien sûr modifier le climat. On parle alors de forçage radiatif : - le forçage radiatif peut être positif, ce qui permet de garder sur Terre l'énergie provenant du Soleil : c'est le cas de l'effet de serre, de l'augmentation de l'activité solaire, de la diminution de l'albédo. - le forçage radiatif peut être négatif et donc entraîner un renvoi plus important dans l'espace de l'énergie solaire reçue, c'est le cas de l'augmentation de l'albédo, l'augmentation des aérosols naturels (cendres volcaniques) ou liés aux activités humaines (fumées d'usine, gaz d'échappement,.) qui ont les mêmes conséquences (exo 7 page 134). Doc.3 p. 123 : L'activité volcanique de la Terre peut avoir un double effet sur le bilan radiatif : - libération de CO2 et donc augmentation de l'effet de serre (forçage radiatif positif) - émission de poussières et d'aérosols qui diminuent la quantité d'énergie reçue au sol (forçage radiatif négatif). La somme des forçages positifs et négatifs permet d'estimer le bilan radiatif du globe et d'envisager l'évolution du climat dans le futur. 3

4 2- Le cycle du carbone et ses perturbations par les activités humaines. Sur Terre, le carbone est présent sous des formes différentes (doc page 76). Il est réparti dans différents réservoirs qui, par des mécanismes variés, échangent de la matière contenant du carbone. Ces flux de carbone entre les différents réservoirs permettent de définir le cycle du carbone naturel qui est équilibré dans ces échanges. Ces flux sont réalisés grâce à des mécanismes géochimiques et biochimiques variés : photosynthèse/respiration entre l'atmosphère et la biosphère, volcanisme entre la lithosphère et l'atmosphère, la fossilisation entre la biosphère et la lithosphère. Depuis l'ère industrielle, le cycle du carbone est déséquilibré par les activités humaines. C'est le réservoir atmosphérique avec l'augmentation de la concentration en CO2 qui intervient dans les modifications climatiques observées. Le CO2 est défini comme un gaz atmosphérique agissant sur l'effet de serre, c'est un gaz à effet de serre ou GES. L'effet de serre naturel : (p.75 en haut) Ce terme désigne un échauffement de la surface d'une planète dû à l'effet isolant de son atmosphère, qui absorbe le rayonnement infrarouge émis par la surface planétaire - lié à la présence de gaz à effet de serre (GES) comme le méthane, le dioxyde de carbone et la vapeur d'eau. Ces GES sont des gaz minoritaires de l'atmosphère. La vapeur d'eau est responsable de 60% de l'effet de serre naturel d'où un rôle important des nuages dans l'effet de serre. - ces gaz piègent une partie du rayonnement infrarouge émis par la Terre, ce qui permet d'échauffer la surface de la Terre et de maintenir une température moyenne de 15 C (elle serait de -18 C sans atmosphère). On estime à 150 W/m², la valeur du forçage radiatif correspondant à l'effet de serre naturel réalisé par l'ensemble des GES de l'atmosphère. Cependant, si le sol reçoit (et émet) 240w/m 2 et que l'effet de serre est de 150 W/m 2, il y a = 90 W/m 2 de rayonnement infrarouge qui retourne directement à l'espace sans participer à l'effet de serre. Le schéma ci-dessous illustre correctement le mode d'action des gaz à effet de serre. L'énergie Solaire qui échauffe le sol est renvoyée entièrement sous forme de rayonnement infra rouge. Ce rayonnement excite (chauffe) les molécules de gaz de l'atmosphère qui réémettent dans toutes les directions. Ceci entraîne statistiquement 50% du rayonnement vers la Terre et 50% vers l'espace. 4

5 Les nombres sont exprimés en W/m2 (source : Le schéma montre l'atténuation des composantes de l'énergie rayonnée par les infra-rouges dont les totaux vers le sol et vers l'espace font chacun 150 W/m 2 (75+ 37,5+ etc...=150). En conséquence le sol a bien reçu les 150 W/m 2 solaire (240-90=150) et reçoit en plus les 150 W/m 2 de l'effet de serre, c'est à dire deux fois plus d'énergie que sans effet de serre. L'effet de serre d'origine anthropique Il est lié à une augmentation continue de la concentration des GES dans l'atmosphère, notamment du dioxyde de carbone. Le CO2 n'est pas le GES le plus important dans l'effet de serre (c'est la vapeur d'eau) mais sa concentration en constante augmentation depuis la première révolution industrielle (doc.1 page 120) implique son rôle majeur dans l'augmentation de la température globale observée. Doc.1 page 120 : à l'aide des carottes de glace mais aussi de mesures atmosphériques directes au niveau des observatoires, on constate une augmentation graduelle de la teneur en CO2 atmosphérique, augmentation qui s'est amplifiée depuis 1950 (310 à 390 ppm soit +26%). On observe en parallèle une augmentation de la température bien corrélée à la hausse de concentration de CO2 depuis Il semble qu'il y ait un lien direct de cause à effet entre ces deux phénomènes (parmi les 10 années les plus chaudes depuis 1850, 9 d'entre elles appartiennent à la dernière décennie). - cette augmentation est liée la combustion des hydrocarbures pour la fabrication des carburants utiles aux centrales thermiques, aux transports routiers, aériens et maritimes, les cimenteries...le doc page 76 montre que deux activités humaines participent à l'augmentation de la teneur en CO2 dans l'atmosphère : la déforestation et la combustion des énergies fossiles (charbon, gaz, pétrole). 5

6 Doc.2 p. 120 : les sources de carbone anthropiques sont en nette augmentation depuis 1950 (flux multipliés par 5 en 50 ans). Les puits de carbone (biosphère et la photosynthèse, hydrosphère et solubilisation du CO 2 dans les eaux océaniques) augmentent aussi sensiblement depuis la même période mais de façon plus réduite (les flux ont été multipliés par 3 en 50 ans). Globalement les flux de carbone ne sont pas équilibrés, les flux vers les sources de carbone atmosphérique correspondent à 8,8 Gt/an alors que ceux vers les puits ne représentent que 4,7 Gt/an : il y a donc un apport net de 4,1 Gt/an de carbone dans l'atmosphère. Les activités humaines participent à l'augmentation de la concentration en CO 2 dans l'atmosphère et donc à l'augmentation moyenne de température. Il existe des mécanismes permettant de piéger environ la moitié du CO2 émis. Mais le bilan des flux de carbone n'est pas actuellement équilibré et l'atmosphère continue à s'enrichir en CO 2 Liens possibles : - article passant en revue quelques paramètres agissant en rétroactions sur le climat : - animations flash sur le changement climatique : 3- Indices et conséquences du réchauffement climatique. De nombreux indices observables et mesurables montrent la réalité d'un réchauffement climatique global. Les paramètres suivants sont les plus souvent utilisés dans la presse nationale et les revues scientifiques : Les preuves du réchauffement climatique - l'augmentation globale et continue de la température moyenne à la surface du globe (doc.1 page 120) depuis plus d'un siècle avec une augmentation plus importante depuis les années Cette augmentation accompagne l'augmentation continu de la teneur de l'atmosphère en CO 2. - la fonte des glaciers et donc la diminution de l'extension des glaces polaires (glaces arctiques : doc.1 page 106 et des glaces antarctiques : doc.2 page 107) et des glaciers continentaux (docs pages ). On note dans les deux cas, une diminution importante et constante de l'extension des glaciers et dans certains cas de leur épaisseur. - l'augmentation significative du niveau de la mer Les conséquences du réchauffement climatiques sont multiples et complexes. En premier lieu, les modifications de température et de concentration en CO 2 entraînent des mécanismes amplificateurs du réchauffement climatique, on parle de rétroaction positive : L'effet des rétroactions positives - un sol non recouvert de neige est beaucoup plus sombre et absorbe l'énergie solaire au lieu de la renvoyer dans l'espace donc ce sol se réchauffe Doc.5 p. 123 : on observe une diminution plus rapide et importante des glaces arctiques. Ces glaces, à l'albédo fort, disparaissent ce qui entraîne un réchauffement de l'océan Arctique à l'albédo plus faible : ce réchauffement de l'océan accélère ensuite la fonte de la banquise, ceci constitue un effet d'auto-emballement ou rétroaction positive. - la solubilité du CO 2 dans l'hydrosphère diminue lorsque la température augmente : moins de co2 atmosphérique se dissout alors dans l'océan. Le réchauffement climatique actuel peut réduire de façon significative l'efficacité de ce puits de CO 2 ce qui entraînerait une augmentation de la température : c'est une rétroaction positive. - le réchauffement du sol provoque une décomposition accélérée de la matière organique et une émission de gaz à effet de serre dans l'atmosphère, c'est une autre rétroaction positive. 6

7 Les conséquences du réchauffement climatique - augmentation du niveau de la mer par dilatation thermique des océans ajoutée à la fonte des glaciers continentaux - redistribution des précipitations avec apparition de régions plus arides et de régions plus arrosées - modification possible des courants marins (doc 3 p. 127) - augmentation de la fréquence et de l'intensité des événements climatiques extrêmes (cyclones, tempêtes, orages) Conséquences sur la faune et la flore : (Lire Science et Vie Junior de septembre 2014 au CDI) - modification de la répartition des espèces animales et végétales avec des migrations d'espèces vers le nord ou en altitud. - modification des cycles de reproduction (date de floraison avancée, sortie d'hibernation plus précoce)(exo 7 p. 115) - modification de la biodiversité par extinction d'espèces suite à la modification de leur environnement, apparition de nouvelles espèces par hybridation entre espèces auparavant sans contact - fragilisation des écosystèmes Sans compter les conséquences sociales, économiques, sanitaires (risque d'émergence et/ou extension de maladies climato-dépendantes comme le paludisme, dengue, chikungunya...), politiques du réchauffement climatiques Réchauffement : les 10 points marquants du dernier rapport du GIEC (Groupe d'experts Intergouvernemental sur l Évolution du Climat) (d'après Le Monde.fr ) 1-Jusqu'à 4,8 C d'augmentation de la température d'ici à Un réchauffement d'origine humaine avec une probabilité supérieure à 95 % 3- Une hausse du niveau des mers jusqu'à un mètre d'ici à Des événements climatiques extrêmes plus nombreux 5- Une insécurité alimentaire exacerbée les rendements des grandes cultures pourraient perdre en moyenne 2 % par décennie sans réel effort d'adaptation, alors que, pour répondre à la demande mondiale, il faudrait en augmenter la production de 14 % par décennie. 6-Des problèmes sanitaires en hausse 7-Des risques accrus d'extinction des espèces 8- Plus de conflits et de rivalités Des rivalités risquent de survenir entre les populations ou les Etats autour de ressources plus rares, comme l'eau ou les stocks de poissons, ou de nouvelles opportunités générées par la fonte des glaces comme c'est déjà le cas avec la disparition de l'arctique et l'accès à ses nombreuses (et supposées) ressources en poissons, hydrocarbures et minerais. 9- Un coût économique de l'inaction élevé 10- Un modèle énergétique à revoir 7

8 Les prévisions du climat :(p ) Les prévisions du climat sont basés sur des modèles mathématiques complexes. Cette modélisation nécessite des ordinateurs ayant des capacités informatiques importantes. Ces modèles ont été construits et testés à partir de l'évolution des climats du passé. - hausse de la température plus forte au 21ème siècle qu'au 20ème siècle. - des écarts de températures par rapport à aujourd'hui variables selon les différentes régions du globe (doc 1 p. 126). Les régions arctiques connaîtront apparemment les plus forts écarts de température pendant l'été. - élaboration de 6 scénarios pour la période en prenant en compte les paramètres suivants : la croissance démographique, les développements économiques et sociaux, les choix technologiques (doc 1 p. 124). Doc.2 p. 124 : la durée de séjour des principaux gaz à effet de serre varie : 12 ans pour le méthane et une centaine d'années pour le dioxyde de carbone. Cela montre qu'une politique de diminution de la concentration des gaz à effet de serre ne peut avoir un effet immédiat : il existe un délai minimum de 40 ans avant d'observer les conséquences. Il en ressort 4 grandes familles de scénarios regroupant trois scénarios de référence (A1;A2 et B1) Doc.3 p. 125 : Les courbes obtenues grâce au logiciel «Simclimat» concernent l'évolution future de trois paramètres importants : la température moyenne, la concentration en CO2 et le niveau de la mer (en m) pour trois scénarios B1, B2 et A2 si on maintient les valeurs actuelles d'incidence solaire, de l'albédo, des rétroactions exercées par la végétation et les océans. Scénario B1 : réduction des émissions de 8 à 6 Gt/an Scénario B2 : augmentation des émissions de 8 à 14 Gt/an Température en C + 1,7 C + 2,7 C Niveau de la mer en ,5m + 0,6m + 0,8 m Scénario A1 : augmentation des émissions de 8 à 30 Gt/an Les rétroactions exercées par la végétation et par les océans (puits de CO2) est importante. En effet pour le scénario B2, une augmentation de la productivité végétale de 10% permet une diminution de l'augmentation de température de + 1,7 C à + 1,3 C et la montée des eaux de 0,1 m. Certains paramètres intervenant sur le climat ne sont pas encore parfaitement maîtrisés. C'est le cas du rôle de la couverture nuageuse (nébulosité). Il y a aussi des incertitudes sur la démographie, les développements économiques et sociaux, les choix technologiques. Ainsi des incertitudes importantes demeurent sur les prévisions climatiques du siècle à venir. Néanmoins, les différents scénarios prévoient un réchauffement jusqu'à 4,8 C en 2100 au niveau global. Doc.1 page 126 : Ce document propose une étude de deux paramètres : anomalies de température et anomalies des précipitations pour un scénario moyen du GIEC (scénario A1B). On observe en été une augmentation globale de la température avec des zones où cette augmentation est plus forte : hémisphère Nord et régions arctiques avec une moyenne de température de + 5 C. Le réchauffement est moins marqué dans l'hémisphère Sud avec une moyenne de + 1,5 C. Les précipitations estivales sont augmentées dans les latitudes supérieurs à 45 (+ 0,4 mm/an) et dans la zone équatoriale, elles diminuent fortement dans les zones tropicales. On observe en hiver un réchauffement moins marqué dans l'hémisphère Nord mais beaucoup plus fort dans la zone antarctique, les précipitations diminuent fortement en Amérique centrale et dans le bassin méditerranéen. Doc.2 page 127 : on observe globalement une augmentation de la PPN (différence entre le carbone fixé par la photosynthèse et le carbone rejeté par la respiration), de 1982 à 1999 cette augmentation a été en moyenne de + 6%. La cause principale est l'augmentation du CO 2 mais aussi des modifications de température et des précipitations. Les producteurs primaires (végétation terrestre, phytoplancton) en augmentant l'emprisonnement 8

9 de carbone, réduisent l'augmentation atmosphérique de CO 2. Doc.3 page 127 : le climat de l'europe de l'ouest dépend d'un courant marin : le Gulf Stream, il permet un réchauffement des côtes. Un ralentissement éventuel de ce courant pourrait atténuer l'augmentation de température prévue sur l'europe de l'ouest. Il est donc important de suivre l'évolution de la vitesse de ce courant. Liens possibles : article du CNRS sur deux scénarios du GIEC : A2 et B1 : Les arguments des climato-sceptiques Les climato-sceptiques s'opposent au scientifiques du GIEC (Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat) qui admettent depuis 2007 le consensus selon lequel l'augmentation de température actuelle est liée aux activités humaines. - glaces ont enregistré des variations climatiques de grande importance dans le passé - pas d'explications ni d'arguments scientifiques expliquant les phénomènes attribués au réchauffement climatique - présence de phénomènes climatiques contradictoires - augmentation de la température moyenne liée aux éruptions volcaniques ou à une augmentation de l'activité solaire Le climat implique, entre autre, deux enveloppes fluides en perpétuelle interaction : - L'atmosphère joue un rôle essentiel dans l'effet de serre (naturel et additionnel) et dans les transferts de chaleur. - L'océan joue un rôle essentiel dans le climat de la Terre par les transferts d'énergie via les courants marins de surface et profonds. Il a également un rôle non négligeable par son importance dans le cycle du carbone (échanges de CO2 entre atmosphère et océan). Il absorbe 45% seulement du CO2 produit par combustion des carburants fossiles. Par ses activités, l'homme rejette des gaz à effet de serre. Il modifie ainsi la composition atmosphérique, ce qui entraîne un forçage radiatif d'origine anthropique et un réchauffement détectable à l'échelle globale. Forçage radiatif : modification du bilan énergétique de la Terre (en W.m -2 ) due au changement d'un (ou plusieurs) paramètre(s) du système climatique (variation du flux solaire, volcanisme, changement dans la proportion des gaz à effet de serre). Ainsi ce forçage radiatif peut être d'origine naturelle ou anthropique (p. 131 en haut) Les modèles climatiques sont en progrès continus mais des inconnues/des incertitudes persistent. 9

10 Les notions importantes à connaître : - le climat sur Terre dépend de l'interaction entre l'insolation, la sphéricité de la Terre et deux enveloppes terrestres : l'atmosphère et l'hydrosphère. - l'insolation varie au cours du temps, dépendant de paramètres orbitaux variables et de l'activité cyclique du Soleil. - l'insolation varie selon la latitude terrestre, en fonction de la sphéricité terrestre - une partie de l'énergie solaire reçue est réémise sous forme d'infrarouges (c'est l'effet de serre naturel) ce qui explique la température moyenne globale de +15 C. - les GES présents dans l'atmosphère permet le réchauffement de la surface terrestre par absorption d'une partie des infrarouges réémis par la surface terrestre. - depuis plus d'un siècle, les activités humaines entraînent une augmentation de la concentration des GES dans l'atmosphère. - cette augmentation de la concentration des GES entraînent une absorption plus grande des infrarouges réémis d'où une augmentation continue de la température moyenne. - une partie des GES (CO 2 ) est captée par les océans (puits de carbone) et par la biosphère (puits de carbone) - le réchauffement climatique lié à l'augmentation continue de la température moyenne a des effets visibles sur les glaciers, le niveau de la mer, la faune et la flore. - les prévisions des climatologues aboutissent à des modèles complexes et variés mais dans tous les cas l'augmentation de la température moyenne est comprise entre 3 et 5 C en certains scientifiques réfutent l'idée de réchauffement climatique lié à l'homme. Schéma : De l'étude du système climatique à la gestion raisonnée de l'influence de l'homme (Belin, SVT spécialité 2012) Jean-baptiste Lamarck : ''L'homme, (...) par son insouciance pour l'avenir et pour ses semblables, semble travailler à l'anéantissement de ses moyens de conservation et à la destruction même de sa propre espèce, ( ), après avoir rendu le globe inhabitable''(système analytique des connaissances positives de l'homme, 1820). 10