Les variations climatiques
Comment sait-on aujourd'hui que le changement climatique
possède une composante anthropique?
Observatoire de Genève
27 janvier 2006, INFOREF, Liège
La notion de climat :
Pour le terrien : un ensemble de valeurs de facteurs :
TEMPERATURE- Température moyenne
- Amplitude jour-nuit
- Variation saisonnière
- Précipitations moyennes
- Distribution annuelle
- Hygrométrie moyenne
- Variation saisonnière
Les climats sont définis localement (latitude, longitude, altitude), et pour une époque donnée
Les variations climatiques
Une multiplicité de causes et d'échelles de temps
Temps caractéristique
| milliard d'années | Evolution du Soleil | + 6.5 %/Ga |
| 20000 - 100000 a | Périodes glaciaires | + 2 à - 10 °C |
| 80 - 200 a | Petits âges glaciaires | - 1 à - 2 °C |
| 8 - 13 a | Oscillations climatiques | |
| El Niño, NAO | ± 0.3 °C | |
| 2 - 3 a | Eruptions volcaniques | 0 à - 3 °C |
| 100 – 1000a | Activités humaines | +3 à +5 °C/100a |
Comment séparer les variations d'origine humaine des variations naturelles ?
La température sur Terre : le résultat d'un équilibre thermique
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Rayonnement solaire incident 31 % Emission thermique en IR |
L'effet de serre naturel sur Terre
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L'ATMOSPHÈRE TERRESTRE transparente à la lumière solaire de l'UV au proche Infra-rouge opaque au rayonnement IR émis par le sol vers l'espace
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Les gaz rares contrôlent la température
L'atmosphère : un système fragile
 Refroidissement et réchauffements en degrés/jour dans l'atmosphère |
DANS LA STRATOSPHÈRE L'ozone absorbe les UV solaires • durant le jour Le CO2 rayonne l'énergie vers l'espace • nuit et jour DANS LA TROPOSPHÈRE La vapeur d'eau H2O et le CO2 rayonnent vers le sol et l'espace • jour et nuit O3 : 0.3 ppm, CO2 : 0.03 % N2 : 78 %, inerte partout |
Un déséquilibre radiatif
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EXCEDENT D ENERGIE dans les zones intertropicales DEFICIT D ENERGIE dans les zones polaires TRANSFERT MERIDIEN
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5 millions de milliards de Watt transféres
Sans transferts : T (pôles) = Tp – 25 C, T (équ) = Te + 14 C
L'évolution de la luminosité du Soleil
La Vie sur Terre est à mi-vie ! |
EVOLUTION IRREMEDIABLE Il y a 4.5 Gyr : L = 0.75 Lp
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Evolution du climat de la Terre
| Baisse par paliers de pCO2 : de 10 – 20 bars à 0.03 % Glaciations majeures dès –2.3 Ga - glaciation entre –750 et –580 Ma - glaciation entre –350 et –270 Ma - effet de tectonique des plaques  |
Hausse de la luminosité du Soleil + 6.5 % par milliard d'années  Température initiale 90 – 110°C 55°C vers –3.5 Ga 0°C vers –2.3 Ga Compensation entre baisse de l'effet de serre par le CO2 et hausse de la luminosité solaire entre –2.3 et –0.5 Ma. Hausse inexorable ensuite. |
Des climats avec ou sans glaciations
 Variations du climat global depuis 600 Ma |
AVEC GLACIATIONS Masses continentales à hautes latitudes Ex. glaciations carbonifères : Gondwana au Pôle Sud SANS GLACIATIONS Pôles océaniques, Ts = 0°C Effet de tectonique de plaques Impact sur la vie des transitions : Extinctions des espèces marines O/S 85%, P/T 91% Glaciations quaternaires Depuis 2.4 Ma, tous les 100 000 ans mais avec des ratés |
L'évolution récente de la teneur en CO2
 Reconstitution du taux de CO2 en unité du taux actuel (0.03 %) depuis 600 Ma |
DANS L ATMOSPHÈRE Le CO2 est absorbé par le vivant, et recyclé par l'activité volcanique • il est minimum durant la formation de supercontinents • maximum durant leur démembrement expansions océaniques : - post Rhodinia (-550 Ma), CO2 x 18 - post Gondwana (-250 Ma), CO2 x 6 pCO2 x 10 : Tsol + 10 °C La vie a survécu à des variations majeures du taux de CO2 Mais avec des espèces différentes ! |
Le contrôle astronomique du climat
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VARIATION DE L' EXCENTRICITE Perturbations de l'orbite terrestre par Jupiter et Saturne Deux périodes : P1 : 413 000 ans P2 : 100 000 ans Module la durée des saisons et l'énergie solaire reçue au cours de l'année Imax / Imin = 1.020 à 1.246 VARIATION DE L' INCLINAISON Perturbation luni-solaire Une période : P3 : 41 000 ans Module le contraste des saisons i = 0 : pas de saisons |
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PRECESSION DES EQUINOXES Perturbations luni-solaire Deux périodes : P4 : 23 000 ans P5 : 19 000 ans Décalage lent des dates de passage au périhélie et aphélie (7 janvier – 5 juillet) Module la sévérité des hivers et la chaleur des étés La chaleur des étés contrôle la fusion des neiges et glaces |
Le contrôle astronomique à long terme
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EFFETS COMBINES Variations : - de l'excentricité de l'orbite terrestre (a) - de l'inclinaison de l'axe de la Terre (b) - de la date du périhélie (précession) (c) - de l'insolation estivale résultante (d) entre 60 et 70° N (430 – 540 W/m²) durant les derniers 500 000 ans |
Les glaciations quaternaires
 Températures et concentrations du CO2 et CH4 atmosphériques mesurées dans les glaces antarctiques |
UN RYTHME ASTRONOMIQUE Une extension maximale tous les 100 000 ans (excentricité de l'orbite), avec oscillations de période : - 41 000 ans (inclinaison de l'axe) - 19 000 et 23 000 (précession) Phénomène amplifié par : - la dissolution du CO2 et CH4 dans l'eau de mer (- 30 % dans l'air) - la diminution de l'effet de serre par H2O (- 50 % aux latitudes moyennes) Interglaciaires brefs : - durée 10 000 – 20 000 ans Amplitude de température : + 2 à – 8 degrés |
Le spectre de puissance de T, pCO2 et pCH4
Spectre de puissance (fonction de la fréquence en unité 1/an), de la température de l'air Ta et des concentrations atmosphériques en CO2 et CH4. Les facteurs astronomiques seuls rendent compte de 75 % des variations climatiques à long terme.
Les effets des glaciations quaternaires
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L'EXTENSION DES GLACES ET DU PERGÉLISOL Etat vers – 18 000 ans et actuel GLACIERS de 70 N (Islande) à 50 N (Alpes, Pyrénées) PERGÉLISOL de 65 N (Scandinavie, Sibérie) à 45 N (Europe Centrale, Caucase) |
Le bassin du Rhône en 14 000 av. J.-C.
Retrait entamé mais Sion (VS, Suisse) est encore sous 1800 m de glace.
Les variations à moyen terme
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CLIMAT POST-GLACIAIRE avant 10 000 BP, épisode Dryas OPTIMUM CLIMATIQUE Episode atlantique 9 000 – 5 500 BP PHASE NEOGLACIAIRE Dès 7 000 BP MAIS AVEC OSCILLATIONS Amplitude ± 0.7 °C LIMITE DES ARBRES en Scandinavie Amplitude ± 100 m |
Un réchauffement par paliers
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RECHAUFFEMENT IRREGULIER minimum entre 1788 – 1818 minimum vers 1910 pic vers 1945 baisse 1955 – 1980 CROISSANCE MONOTONE du taux de CO2 depuis le début de l'ère industrielle (1740) AUTRES FACTEURS EN JEU |
Le Soleil, une étoile magnétique
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CHAMP MAGNÉTIQUE VARIABLE lié au plasma Rotation différentielle Prot = 25 j (équateur) Prot = 35 j (pôles) |
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INVERSION DE POLARITE tous les 8 – 11 – 13 ans selon l'activité solaire ACTIVITE VARIABLE MULTIPERIODIQUE |
Les taches et le flux X-UV
 En lumière visible : - les taches sont sombres - un transit de taches fait baisser la luminosité de 0.1-0.2 %  En lumière UV et X : - les facules sont brillantes - le siège d'émission de particules |
 Au cours du cycle solaire, la variation d'énergie est de 0.1 % en VIS et IR, de ~ 5 % en UV-C et de 100 à 1000 % en rayons X, voire de 100 000 en X durs en cas d'éruption solaire. Le flux UV module la production d'ozone dans la stratosphère, donc la structure thermique de l'atmosphère. |
L'hélio sphère et les cosmiques
 Dans l'hélio sphère, au maximum d'activité solaire : - la densité des particules est la plus élevée - le champ magnétique interplanétaire est maximum - les rayons cosmiques mous (50 – 1000 MeV) sont en partie défléchis vers l'espace |
 Le Soleil au maximum d'activité (1980) : - les arches magnétiques s'ouvrent vers l'espace - le champ magnétique est emporté avec les particules du vent solaire (p, He, e) |
Les effets des rayons cosmiques
Les cosmiques sont assez énergétiques pour briser les atomes de 16O et 14N
Cosmiques + 16O ou 14N 10Be* et 14C*
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Le carbone 14C* - est oxydé en CO2 - entre dans le cycle du carbone - taux de production mesuré dans les cernes des bois datés par dendrochronologie) Le beryllium 10Be* - précipite en 2.5 ans comme oxyde avec les précipitations - titré dans les calottes polaires Anticorrélation - le nombre de taches solaires depuis 1610 - la production de 10Be* dans l'atmosphère - Actuellement : haute activité solaire et - production minimale de 10Be* et 14C* |
Effets directs : ionisation de la haute et moyenne atmosphère – modulation du champ électrique, de l'activité orageuse (x2), de la nébulosité basse (3 %)
Petits âges glaciaires et optima climatiques
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Maxima d'activité solaire - Optimum contemporain - Optimum médiéval 1100 – 1250 - Optima – 1500 – 5000 Minima d'activité solaire - Minimum de Dalton 1788 – 1818 - Minimum de Maunder (PAG) 1644 – 1715 - Minimum de Spörer 1450 – 1530 - Minimum du VIIIe siècle av. J.-C. |
Les anomalies de production du 14C déduites des cernes des arbres, après correction de la décroissance par radioactivité et des variations d'intensité du champ magnétique terrestre qui module le flux de cosmiques entrants.
Activité solaire et température
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De l'observation à la prédiction
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L'activité solaire reconstituée de 1500 à 2000 : - minimum de Maunder (1644-1715) - minimum et Dalton (1788-1818) - maximum contemporain |
| Un signal multipériodique : P1 11 ans A1 = 0.1 W/m² Cycle solaire classique P2 88 ans A2 = 0.5 W/m² Cycle de Gleissberg P3 210 ans A3 = 0.9 W/m² Cycle de Suess Explications – Prédiction - minimum de 1905, maximum de 1950, plateau de 1965 – 1985 - maximum en 2040, minimum en 2080 |
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Du Petit Age Glaciaire au XX siècle
Le glacier de Grindelwald (Suisse) en 1765 et vers 1950
Les aérosols volcaniques
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ERUPTIONS PLINEENNES Emission de cendres, d'H2SO4 et CaSO4 dans la stratosphère UN PHENOMENE RARE
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Les effets climatiques des éruptions
- Réflexion vers l'espace de l'énergie solaire par les cristaux H2SO4 et CaSO4
- Destruction de l'ozone dans les régions polaires
ABSORPTION ATMOSPHERIQUE
L'absorption atmosphérique à La Silla (Chili), entre 1978 et 1998. Un excès de 0.08 magnitude, soit 9 % d'énergie solaire en moins, est dû au Pinatubo. Le temps de résidence des particules est de 2.5 ans.
CHUTE DE L'OZONE en Antarctique
Eruption + 6 mois : ∆T = - 0.60°C
Eruption + 15 mois : ∆T = - 0.35°C
Eruption + 30 mois : ∆T = 0.00°C
L'oscillation australe El Niño
Phénomène El Niño : changement climatique dans le Pacifique et l'Océan Indien consécutif au transfert massif d'eau chaude (6000 km en 2 mois) vers les côtes de l'Amérique du Sud.
Une oscillation apériodique (4-7-10 ans) du régime des alizés.
L'effet global du Niño
 Phase El Niño : Température de surface +4° Phase La Niño : Température de surface –4° |
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Sur 15 ans de mesures intégrées de la température de la Terre, la dérive séculaire est complètement masquée par les effets des éruptions volcaniques (-0.5 à –0.7°) et par le réchauffement/refroidissement de l'atmosphère sur les eaux du Pacifique. |
Variations naturelles et anthropiques
L'évolution naturelle des températures est la somme de trois composantes
ΔT Nat = ΔT Soleil + ΔT ENSO + ΔT Volcans
 trait : activité solaire points : effet Niño – Niña rouge : éruptions volcaniques |
 L'évolution observée (trait continu) est exactement prédite jusqu'en 1950 Divergence croissante ensuite |
La contribution anthropique
 Le résidu (observé – calculé) montre une hausse lisse de T, proportionnelle à celle des teneurs ne CO2 et CH4 dans l'atmosphère. La contribution humaine au réchauffement global est inférieure à 0.1°C avant 1950. En 2000, elle atteint +0.6°, soit la moitié du réchauffement depuis le Petit Age Glaciaire. Au XXIe siècle, elle sera prépondérante sur tous les effets naturels. |
 Une augmentation probable de la température de l'air pour 2100 est de : ΔT air(2100) = + 3.5°C compte tenu de l'épuisement des énergies fossiles. |
Les anomalies contemporaines
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CO2 : Hausse brutale équivalente à celle d'une glaciation majeure, mais de signe contraire. La concentration en CO2 a dépassé tous les maxima observés en 750 ka. |
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Température Pic multimillénaire Conséquence Evolution climatique plus rapide que les capacités évolutives des espèces (homme : 1 mutation non létale/Ma). Sixième extinction majeure en route. |
Un réchauffement durable
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EVOLUTION SECULAIRE Avec stabilisation à 2 x CO2 (1750) en 2050 : • dT(final) = +4.0°C Avec stabilisation à 3 x CO2 (1750) en 2100 : • dT (final) = +6.5°C Inertie thermique et dégazage des océans |