Le Changement Climatique Pr. Jean-François DOUSSIN Objectif Parler du changement climatique Hors de toute polémique C est a dire en partant des bases scientifiques Pour cela commençons par parler du climat de la Terre 1
Le rayonnent solaire La source d énergie de base Une source unique mais distribuée de manière diversifiée L orbite solaire 2
La sphéricité de la terre Circulation latitudinale 3
Circulation latitudinale Circulation longitudinale 4
Les océans aussi Les océans aussi amorçage de la circulation thermohaline dans l Atlantique nord 5
Le forçage Orbital Le mathématicien serbe Milutin Milankovitch proposa en 1920 une théorie qui postulait que les variations de l orbite terrestre devraient influencer le climat Excentricité Orbitale 6
Oscillation axiale Bascule 7
Finalement Rayonnement solaire et variations orbitales Calcul du rayonnement solaire moyen annuel reçu aux moyennes latitudes de l hémisphère nord en prenant en compte l ensemble des variations orbitales 8
L activité solaire Le flux émis par le soleil varie : les taches solaires. Plus il ya de taches froides plus cela indique que le soleil est actifs Les taches solaires 9
Les taches solaires Le petit âge glaciaires Bruegel l Ancien (1525-1569) Huile sur bois, Aert van der Neer, (1648) 10
Rayonnement solaire entrant Rayonnement solaire incident Domaine visible Le rayonnement solaire est de courte longueur d onde (UV-visible-proche IR) Rayonnement entrant et sortant Rayonnement solaire incident Rayonnement tellurique réémis Domaine visible Le rayonnement solaire est de courte longueur d onde (UV-visible-proche IR) Le rayonnement tellurique est de grande longueur d onde (infrarouge thermique et lointain) 11
L effet de Serre Le soleil éclaire dans le domaine de l UV, du visible, du proche infra-rouge Les molécules de l atmosphère n absorbent pas ou peu dans la longueur d onde du visible La Terre ré-émet dans le domaine de l Infrarouge Les molécules de l atmosphère absorbent en partie dans ce domaine spectral radiations solaires radiations terrestres vers l espace radiations réémises vers l espace Radiations terrestres absorbées Il existe un gain appelé effet de Serre et associé à la présence des GES 12
Une partie de la radiation IR sortante est absorbée par les gaz à effet de serre et par les nuages gardant la surface de la terre à une T ~ 33 C supérieure à ce qu elle se rait sans effet de serre Température moyenne de surface 15 C au lieu de -18 C Sans effet de serre la vie n existerait pas sur notre planète L effet de Serre 13
L effet de Serre Pour que la température soit en équilibre il faut que le bilan énergétique soit équilibré 107 + 235 = 342 W/m² L effet de Serre Mais que se passe-t-il si l on «ferme» la «fenêtre atmosphérique»? C est cela l effet de serre additionnel 14
Bilan Net entrant Bilan Net sortant Pour un système à l équilibre la radiation solaire nette entrante (235 Wm -2 ) doit être compensée par la radiation IR sortante La différence entre les quantités d énergie entrante et sortante s appelle le forçage radiatif Forçage radiatif positif 235 W/m 2 ~ 235 W/m 2 Echauffement Forçage radiatif négatif Refroidissement Forçage radiatif induit par les polluants IPPC (rapport 2001) : International Panel on Climate Change Le GIEC! Connaissance => 15
Les aérosols Les particules en suspension influent sur le climat selon deux type d effet Effet direct : absorption et diffusion du rayonnement solaire Effet Indirect : Servant de noyaux de condensation nuageuse, ils influent sur le cycle de l eau et la formation de nuage Les Aérosols IPPC (rapport 2001) : International Panel on Climate Change Le GIEC! Connaissance => 16
Les sources d aérosol Naturelles : les volcans, l érosion, les vagues Aérosol de condensation (voir cours sur pollution) Les volcans 17
Exemple du Mont Pinatubo (1991) Forçage en 1992-4 Wm -2 en 1993-1 Wm -2 Sur les 2 ans forçage comparable, mais de signe opposé, au forçage du aux gaz à effet de serre (+2.1 à 2.8 Wm -2 ) En 1992 refroidissement de la température globale observée de 0.3 à 0.5 C 18
Les aérosols terrigènes Particules en suspension dans l atmosphère (Φ de 10-3 à 10 µm). Les aérosols troposphériques sont formés: Par dispersion de matière à partir du sol (poussières) Panache d aérosols Panache d aérosols Soulèvement d aérosols 19
Les Gaz à Effet de Serre IPPC (rapport 2001) : International Panel on Climate Change Le GIEC! Connaissance => Contribution des divers gaz à effet de serre au changement climatique Ne pas oublier : un des principaux gaz à effet de serre est la vapeur d eau mais elle influe très peu sur le changement climatique CO2 (50,0%) CH4 (17,0%) FREONS (15,0%) OZONE (12,0%) N2O (6,0%) 20
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Archives glaciaires Le dioxyde de carbone (CO 2 ) Forte augmentation de CO 2 depuis la période préindustrielle (de 280 à 360 ppb) Source : IPCC Forçage radiatif du à l augmentation du dioxyde de carbone est d environ 1.56 Wm -2 22
Le problème posé aux scientifiques est de prévoir la concentration atmosphérique future de CO 2 De manière à prévoir l impact climatique futur du CO 2 Il est assez facile de connaître la quantité émise dans l atmosphère car on connaît les quantités de combustibles (charbon, pétrole, gaz) utilisées Mais le CO 2 émis reste-il dans l atmosphère? NON Il faut étudier le cycle du carbone 23
Le Cycle global du Carbone. Les valeurs indiquent la taille en GtC de chaque réservoir. Sur chaque flèche est indiqué l importance du flux en GtC/an, DOC=dissolved organic carbon). Le Méthane (CH 4 ) Sources naturelles 160 Tg/an 30% Zones humides naturelle Animaux sauvages Sources anthropiques 375 Tg/an 70% Zones humides (rizières), Animaux domestiques, Combustion Extraction du méthane fossile et fuites Augmentation : 13 ppb/an soit 0.7%/an Plus de la moitié des sources actuelles de CH 4 sont imputables aux activités humaines, principalement agricoles. 24
Le Méthane (CH 4 ) Le forçage radiatif résultant de ces augmentations de CH 4 depuis la période préindustrielle est indiqué sur l axe de droite. Le forçage radiatif direct du à l augmentation de la concentration de méthane est ~ 0.5 W.m -2 Le protoxyde d azote (N 2 O) Sources naturelles 6-16 Tg/an 66% Sources anthropiques 3-8 Tg/an 33% Agriculture : Pâturage en régions tropicales, Feux de biomasse, Fertilisants Augmentation 0.8 ppb/an 0.25%/an Forçage radiatif direct du à l augmentation de la concentration de N 2 O depuis la période pré-industrielle est d environ 0.1 Wm -2 25
Le protoxyde d azote (N 2 O) Les concentrations pre-industrielle de N 2 O sont de l ordre de 265 ppbv. Le forçage radiatif résultant de ces augmentations de N 2 O depuis la période préindustrielle est indiqué sur l axe de droite. L ozone Troposphérique (O 3 ) Forte augmentation de l ozone troposphérique observée depuis le début du 20ème siècle. L ozone troposphérique est un polluant formé à partir d espèces à courte durée de vie (NOx, CO composées organiques ). 1870-1990 ozone trend at European mountain sites [Marenco et al.,1994] Forçage radiatif du à l augmentation de l ozone troposphérique est ~ 0.5W.m -2 26
L ozone Troposphérique (O 3 ) Voir la conférence «Pollution atmosphérique» On a de bonnes raisons de penser que l'ozone troposphérique est appelé à augmenter en raison de son couplage avec des précurseurs (NOx et COV) dont les sources anthropiques croissent au rythme du développement de l'activité humaine. Des calculs montrent que les teneurs en ozone peuvent très bien être multipliées par 2 dans les 50 ans à venir et dépasser ainsi les seuils acceptés par l'organisation Mondiale pour la Santé (120 ppb). Des études montrent que le processus a déjà commencé (1 à 2 % d'augmentation par an depuis le début du siècle). Tableau récapitulatifs des caractéristiques des gaz à effet de serre GAZ [C] 1800 ppb 2000 %/an Durée de vie (Ans) Pouvoir Radiatif (/ CO 2 ) Contri b à l ES % Forçage Radiatif W.m -2 Sources CO 2 280 ppm 360 ppm 0.4 50-200 1 50 1.56 Combustion Déforestation CFC 11 CFC 12 0 0 0.3 0.5 11 4 65 102 12 000 15 0.3 Aérosols Solvants Réfrigérants CH 4 0.7 1.7 0.7 12-17 21 17 0.5 Zones humides Animaux Combustion N 2 O 275 311 0.25 150 230 6 0.1 Combustion Fertilisants Ozone 10 45 2 0.005-0.05 1 200 12 0.5 Photooxydation 27
Tableau récapitulatifs des caractéristiques des gaz à effet de serre GAZ [C] 1800 ppb 2000 %/an Durée de vie (Ans) Pouvoir Radiatif (/ CO 2 ) Contri b à l ES % Forçage Radiatif W.m -2 Sources CO 2 280 ppm 360 ppm 0.4 50-200 1 50 1.56 Combustion Déforestation CFC 11 CFC 12 0 0 0.3 0.5 11 4 65 102 12 000 15 0.3 Aérosols Solvants Réfrigérants CH 4 0.7 1.7 0.7 12-17 21 17 0.5 Zones humides Animaux Combustion N 2 O 275 311 0.25 150 230 6 0.1 Combustion Fertilisants Ozone 10 45 2 0.005-0.05 1 200 12 0.5 Photooxydation Tableau récapitulatifs des caractéristiques des gaz à effet de serre GAZ [C] 1800 ppb 2000 %/an Durée de vie (Ans) Pouvoir Radiatif (/ CO 2 ) Contri b à l ES % Forçage Radiatif W.m -2 Sources CO 2 280 ppm 360 ppm 0.4 50-200 1 50 1.56 Combustion Déforestation CFC 11 CFC 12 0 0 0.3 0.5 11 4 65 102 12 000 15 0.3 Aérosols Solvants Réfrigérants CH 4 0.7 1.7 0.7 12-17 21 17 0.5 Zones humides Animaux Combustion N 2 O 275 311 0.25 150 230 6 0.1 Combustion Fertilisants Ozone 10 45 2 0.005-0.05 1 200 12 0.5 Photooxydation 28
Tableau récapitulatifs des caractéristiques des gaz à effet de serre GAZ [C] 1800 ppb 2000 %/an Durée de vie (Ans) Pouvoir Radiatif (/ CO 2 ) Contri b à l ES % Forçage Radiatif W.m -2 Sources CO 2 280 ppm 360 ppm 0.4 50-200 1 50 1.56 Combustion Déforestation CFC 11 CFC 12 0 0 0.3 0.5 11 4 65 102 12 000 15 0.3 Aérosols Solvants Réfrigérants CH 4 0.7 1.7 0.7 12-17 21 17 0.5 Zones humides Animaux Combustion N 2 O 275 311 0.25 150 230 6 0.1 Combustion Fertilisants Ozone 10 45 2 0.005-0.05 1 200 12 0.5 Photooxydation Tableau récapitulatifs des caractéristiques des gaz à effet de serre GAZ [C] 1800 ppb 2000 %/an Durée de vie (Ans) Pouvoir Radiatif (/ CO 2 ) Contri b à l ES % Forçage Radiatif W.m -2 Sources CO 2 280 ppm 360 ppm 0.4 50-200 1 50 1.56 Combustion Déforestation CFC 11 CFC 12 0 0 0.3 0.5 11 4 65 102 12 000 15 0.3 Aérosols Solvants Réfrigérants CH 4 0.7 1.7 0.7 12-17 21 17 0.5 Zones humides Animaux Combustion N 2 O 275 311 0.25 150 230 6 0.1 Combustion Fertilisants Ozone 10 45 2 0.005-0.05 1 200 12 0.5 Photooxydation 29
Notre planète Terre à mis 4,5 milliards d années pour atteindre un niveau d «équilibre» Le problème du changement climatique actuel est lié au très brusque changement des concentrations des gaz à effet de serre depuis 150 ans La dépense énergétique Toutes les énergies ont accompagné le parcours de Erectus à Industrialis -500.000 ans : domestication du feu L antiquité : toutes les renouvelables ont été utilisées! Bois, vent, soleil, hydraulique, traction animale... Le pétrole est connu des Summériens (-3.000 av. JC environ), bien avant Drake et son premier forage (1859 à Tittusville) Le charbon est exploité dans la Chine antique 1000 ans avant notre ère Ce qui caractérise l ère «moderne», ce n est pas l utilisation de sources «nouvelles» (sauf le nucléaire), mais le changement d ordre de grandeur dans l usage 30
De plus en plus d émetteurs! Évolution démographique depuis le néolithique Source : Musée de l Homme Changement d ordre de grandeur... 1,80 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 1880 1885 1890 1895 1900 1905 1910 1915 1920 1925 1930 1935 1940 1945 1950 1955 1960 1965 1970 1974 1979 1985 1990 1995 2000 2004 Consommation d énergie hors biomasse en «tep» (tonne équivalent pétrole» par habitant 31
Consommation totale d énergie commerciale de l humanité en Mtep (millions de tonnes équivalent pétrole). Source Schilling & al + Observatoire énergie + AIE 12 000 10 000 8 000 6 000 nucléaire hydro & ENR gaz pétrole charbon 4 000 2 000 0 1860 1870 1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1979 1990 2000 Depuis que l homme a découvert les combustibles fossiles, la consommation de l humanité n a cessé d augmenter. Chaque nouvelle source d énergie est venue se surajouter aux autres et connaît sa propre évolution exponentielle : aucune substitution ne se constate au niveau mondial. Un Américain consomme 4 fois plus de charbon qu un Chinois. Les effets : température et précipitations 32
Les effets : distribution spatiale de la température Entre 1961-1990 et 2071-2100 Le changement en température atteind + 2-3 C en moyenne globale annuellle < + 2 C en moyenne océanique annuellle + 4-6 C en moyenne continentale (hemisphere nord) annuellle + 6-8 C en moyenne polaire annuellle Les effets : le bilan hydrique Causes de l augmentation des précipitations Augmentation de l humidité Diminution des temperatures en altitude (déstabilisation) Réponses des modèles Augmentation de la fréquence des événements convectifs extrêmes L intervalle entre deux événements extrêmes est réduit (jusqu à un facteur 2 e.g., 20 ans à 10 ans) Causes de la croissance de l aridité continentale T plus élevées Evaporation de surface plus rapide, pas compensée par une augmentation des précipitations Réponses des modèles Augmentation des périodes de sécheresse continentale 33
Les effets : les grandes calottes glacières Un réchauffement peut augmenter les précipitations sous forme de neige aux hautes latitudes, c'est pourquoi on ne sait pas si ces glaciers se réduiront ou s'étendront par l'effet de serre. La tendance actuelle va vers une réduction. 34
Les effets : Les glaciers Longueur mesurée des glaciers de montagne Contribue pour environ 0.02 à 0.04 cm/an à l élévation du niveau de la mer Muir Glacier (Alaska) Mer de Glace (France) 35
Rongbuk Glacier Rongbuk glacier in 1968 (top) and 2007. The largest glacier on Mount Everest s northern slopes feeds Rongbuk River. Les effets : Elévation du niveau des mers 36
Les effets : Elévation du niveau des mers Les effets : Elévation du niveau des mers IPCC 2007 37
Les effets : Elévation du niveau des mers Quelques boucles de rétro-actions Augmentation des déserts et donc des émission d aérosols désertiques Réchauffement des océan et affaiblissement du puits océanique de CO 2 Fonte des glace et modification de l albedo Augmentation de la température et de la teneur en vapeur d eau (un gaz a effet de serre) 38
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