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Le climat du futur

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Objectif

Comprendre la notion de modèle climatique.
Identifier le rôle des différents paramètres de l’évolution climatique comme la concentration atmosphérique en GES, l’albédo, etc.
Savoir expliquer des corrélations par des liens de cause à effet à partir des résultats d’un modèle climatique.
Identifier quelques exemples d’activités humaines responsables d’un rejet dans l’atmosphère de GES.
Connaitre quelques prévisions des modèles climatiques.

Points clés

Les modèles climatiques s’appuient sur différents paramètres comme la mise en équations des mécanismes essentiels qui agissent sur le système Terre et des méthodes numériques de résolution.
Les résultats des modèles sont évalués par comparaison aux observations in situ et spatiales ainsi qu’à la connaissance des paléoclimats.
Les nombreux modèles climatiques réalisent des projections climatiques (estimation des variations climatiques globales et locales à venir sur des décennies ou des siècles).
L’augmentation de température moyenne depuis le début de l’ère industrielle est liée aux activités humaines qui rejettent des GES (combustion d’hydrocarbures, déforestation, production de ciment, activités agricoles, etc.).
Les modèles climatiques s’accordent à prévoir une augmentation de 1,5 à 5 °C de la température moyenne entre 2017 et la fin du XXI^e siècle, une élévation du niveau moyen des océans entre le début du XXI^e siècle et 2100 pouvant atteindre le mètre, des modifications des régimes de pluie et des événements climatiques extrêmes, une acidification des océans et un impact majeur sur les écosystèmes terrestres et marins.

Pour bien comprendre

Une partie du rayonnement solaire absorbé par les organismes chlorophylliens permet la synthèse de matière organique à partir d'eau, de sels minéraux et de dioxyde de carbone : ce phénomène s’appelle la photosynthèse. Elle permet l’entrée dans la biosphère de matière minérale stockant de l’énergie sous forme chimique.
Un écosystème est un système formé par un environnement (biotope) et par l'ensemble des espèces (biocénose) qui y vivent, s'y nourrissent et s'y reproduisent.

1. La notion de modèle climatique

a. L'élaboration d'un modèle climatique

Un modèle climatique est un programme informatique complexe qui simule le climat et son évolution, c'est-à-dire qu'il reproduit théoriquement, aussi fidèlement que possible, le comportement des différentes enveloppes qui régulent le climat (atmosphère, hydrosphère, lithosphère) et leurs interactions, grâce à des équations mathématiques.

Élaborer un modèle climatique

Les scientifiques sélectionnent des paramètres qui décrivent et régulent le climat (température annuelle moyenne, précipitations saisonnières, couverture végétale, etc.).
Ils élaborent des équations qui décrivent les échanges et les interactions entre les différents compartiments (passage du carbone d’un réservoir à l’autre, fonte des glaciers),en fonction d’un certain nombre de règles physiques, chimiques et biologiques (lois de circulation des fluides, loi de conservation de l’énergie, évaporation en fonction de la température de surface).
Ils réalisent un maillage de la planète. Ils découpent sa surface en mailles de quelques dizaines de km2 (typiquement de l’ordre de 200 km × 200 km × 1 km). Plus la maille est petite, plus le modèle sera précis.

Faire tourner un modèle climatique

Les scientifiques observent, à l’intérieur de la maille, les valeurs initiales (connues) des différents paramètres sélectionnés (température, humidité, pression, couverture nuageuse, etc.).
Ils utilisent des ordinateurs ultra puissants qui vont calculer, sur la base des équations mathématiques et des valeurs initiales qui leur ont été fournies, comment évoluent les paramètres à chaque maille, à intervalles de temps réguliers.

Il existe une quinzaine de modèles climatiques globaux. Si les lois de la physique restent les mêmes partout et tout le temps, ces différents modèles prennent en compte différemment les effets de certains paramètres (effet des nuages, de la biosphère).

b. Les différents paramètres de l’évolution climatique

La concentration en GES

La concentration en GES (C0₂, CH₄, H₂0, N₂0) est un paramètre important qui conditionne l’évolution climatique.

Tableau présentant la durée de séjour dans l’atmosphère des GES et leur pouvoir réchauffant

GES	Durée de séjour dans l’atmosphère (années)	Pouvoir réchauffant global*
C0₂	100	1
Méthane CH₄	12	25
Protoxyde d’azote N₂0	120	270

*Remarque
Le pouvoir réchauffant global (PRG) est l’unité de mesure de l’effet d’un GES sur le réchauffement climatique par rapport à celui du CO₂ sur une période de 100 ans.
PRG du CO₂ : 1.

L’albédo

L’albédo, qui correspond au rapport entre l’énergie réfléchie et l’énergie incidente reçue, est aussi un facteur clé du climat.

Représentation à l’échelle de la Terre des variations de l’albédo

Plus l’albédo est faible, plus le rayonnement solaire est absorbé et plus il réchauffe le sol et l’atmosphère.

Les paramètres orbitaux de la Terre et les variations cycliques de l’activité solaire

Les paramètres orbitaux de la Terre et les variations cycliques de l’activité solaire sont aussi à prendre en compte puisqu’ils jouent un rôle sur l’énergie incidente reçue.

Les scientifiques utilisent la notion de forçage positif pour caractériser la capacité d’un paramètre à garder sur la Terre l’énergie provenant du Soleil.
C’est le cas de l’augmentation de la concentration en GES et la diminution de l’albédo à cause de la fonte des glaces, par exemple.
Les scientifiques utilisent la notion de forçage négatif pour caractériser la capacité d’un paramètre à renvoyer dans l’espace l’énergie provenant du Soleil.
C’est le cas de la présence de certains aérosols dans l’atmosphère ou de l’augmentation de l’albédo.

En faisant le bilan des forçages positifs et négatifs, on peut alors estimer le bilan radiatif de la Terre et donc prévoir l’évolution climatique.

L’analyse du système climatique, réalisée à l’aide de modèles numériques, repose donc sur des mesures et des calculs faisant appel à des lois physiques, chimiques, biologiques connues.

c. Les projections climatiques

Le climat à venir est donc fonction des émissions de gaz à effet de serre et d'aérosols dues aux activités humaines (chauffage, climatisation, transports, industrie, activités agricoles, etc). Pour réaliser des projections climatiques, il faut donc émettre des hypothèses sur l'évolution de la démographie mondiale et des modes de vie à travers la planète.

Le GIEC a établi différents scénarios d'évolution de la société et des modes de vie (entrainant des évolutions différentes de la concentration en GES et donc du bilan radiatif terrestre), et propose les projections climatiques correspondantes, calculées par les différents modèles.

Le dernier rapport du GIEC propose quatre scénarios dont découlent quatre scénarios d'évolution des concentrations des gaz à effet de serre et quatre scénarios d’évolution du bilan radiatif terrestre différents.

Les 4 profils du graphique correspondent chacun à une évolution différente du bilan radiatif de notre planète d’ici 2250, en fonction des 4 scénarios.

Remarque : plus la valeur du bilan radiatif est élevée, plus le système climatique se réchauffe.

Passés au crible des modèles climatiques, les différents scénarios prévus par le GIEC sont ensuite traduits en projections climatiques (évolution de la température moyenne par exemple).

Les modèles climatiques, nombreux et indépendants, réalisent donc des projections climatiques. Tous s’accordent à dire que la température moyenne augmentera d’ici 2100. Les valeurs chiffrées de chaque modèle diffèrent juste légèrement.

Remarque : On compare aussi les résultats des modèles pour les évaluer à la lueur des observations in situ et spatiales ainsi qu’à la connaissance des paléoclimats.

2. Le climat de demain : une prévision difficile

a. L’impact des activités humaines sur les GES

L’analyse scientifique combinant observations, éléments théoriques et modélisations numériques permet aujourd’hui de conclure que l’augmentation de la température moyenne depuis le début de l’ère industrielle est liée aux activités humaines qui rejettent des gaz à effet de serre (GES) comme le C0₂ et le CH₄ (méthane).

Exemples d’activités humaines responsable du rejet de C0₂ dans l’atmosphère

La combustion d’hydrocarbures
La combustion d’hydrocarbures est une source de production de C0₂ atmosphérique (et d’eau).
Un hydrocarbure pur est constitué d’atomes de carbone (C) et d’hydrogène (H).
Quelques exemples : le gaz butane C₄H₁₀, l’octane C₈H₁₈ que l’on trouve dans le pétrole, le charbon, etc.
Pour produire de l’énergie, pour les transports ou les centrales électriques thermiques par exemple, l’Homme brûle énormément d’hydrocarbures chaque jour.

La déforestation
La déforestation, qui correspond à l’action de détruire la forêt en la brûlant, rejette énormément de C0₂ dans l’atmosphère.
Elle est pratiquée pour permettre par exemple :

l’expansion agricole (plantations de palmiers à huile, cultures pour nourrir le bétail) ;
l’exploitation illégale du bois ;
l'exploitation de métaux et minéraux précieux dans des mines.

La forêt amazonienne, qui représente à elle seule la moitié des forêts tropicales, a été durement touchée depuis 30 ans par la déforestation.

La production de ciment
La production de ciment est aussi une source de rejet de C0₂ dans l’atmosphère.
Pour fabriquer du ciment, le calcaire et l’argile sont transformés dans des fours puissants. Cela produit une quantité importante de C0₂.
Par exemple, la fabrication d'une tonne de ciment relâche 800 kg à 900 kg de C0₂.

Exemples d’activités humaines responsable du rejet de CH₄ dans l’atmosphère

La fermentation des biodéchets tassés dans les décharges se réalise sans dioxygène et émet du méthane (CH₄) dans l’atmosphère.
Ce processus s’appelle aussi la méthanisation.

Certaines activités agricoles sont aussi responsables de rejet de CH₄ dans l’atmosphère :

l’élevage d’animaux dits « ruminants » (leur digestion émet du méthane) ;
la fermentation des déjections animales ;
l’exploitation des rizières.

Les fuites de gaz naturel sont aussi source de CH₄.

b. Les prévisions des modèles climatiques

Les modèles climatiques s’accordent à prévoir, avec une forte probabilité, dans des fourchettes dépendant de la quantité émise de GES :

une augmentation de 1,5 à 5 °C de la température moyenne entre 2017 et la fin du XXI^e siècle ;

Remarque : l’accord de Paris est le premier accord universel sur le climat et le réchauffement climatique (2015)

une élévation du niveau moyen des océans entre le début du XXI^e siècle et 2100 pouvant atteindre un mètre à cause de la dilatation thermique et de la fonte des glaces continentales ;

des modifications des régimes de pluie et des événements climatiques extrêmes (tempêtes, ouragans, etc.) ;
une acidification des océans : le pH des océans diminue à cause de l’enrichissement des eaux en CO₂ ;

En effet, la dissolution du CO₂ dans l’eau entraîne la création d’acide carbonique (H₂CO₃).

un impact majeur sur les écosystèmes terrestres et marins.

Par exemple, l’acidification des océans affecte la capacité du plancton océanique à se développer. En effet, le plancton constitué d’un squelette en carbonate de calcium est détruit par l’action de l’acide carbonique. Or le plancton est à la base des chaînes alimentaires de l’écosystème marin et permet l’oxygénation des océans et par conséquent de l’atmosphère.
Les coraux aussi sont touchés par cette acidification, car ils ont également une structure en carbonate de calcium.
La biodiversité marine réagit également aux modifications du pH marin.

Assorties d’hypothèses portant sur l’évolution de la production des gaz à effet de serre, les projections issues des modèles climatiques dessinent des fourchettes d’évolution du système climatique au XXI^e siècle.