Climatologie
À la découverte des climats passés, présents et futurs de notre planète
Quentin Boesch
Deboeck Supérieur
Avant-propos
VII
1
Les climats actuels : comprendre le fonctionnement du système climatique
1 Introduction1
E1.1 La différence entre météorologie et climat1
2 L'énergie solaire et le bilan radiatif de la Terre2
2.1 Le Soleil : source d'énergie du système climatique2
2.1.1 L'origine de l'énergie solaire
2
E1.2 La distinction énergie et puissance4
E1.3 Le spectre électromagnétique4
2.1.2 La propagation et la répartition de l'énergie solaire
5
E1.4 Radiation, convection et conduction : trois modes de transfert d'énergie5
E1.5 Une « constante » solaire pas si constante que ça6
E1.6 Existe-t-il des sources internes d'énergie pour la dynamique des enveloppes fluides ?7
2.2 Le bilan radiatif de la Terre8
2.2.1 L'albédo
8
2.2.2 L'effet de serre
8
E1.7 Un effet de serre indispensable à la vie9
E1.8 comment expliquer que la surface reçoive plus de puissance que le soleil ne lui en envoie directement ?12
E1.9 Diffusion et absorption : des termes à ne pas confondre13
2.2.3 Quantification.des flux d'énergie dans l'atmosphère terrestre
13
E1.10 Chaleur spécifique, chaleur latente et température15
2.3 Variations spatiales et temporelles du bilan radiatif à l'origine des climats et des saisons16
2.3.1 Les variations énergétiques latitudinales
16
2.3.2 Les variations énergétiques saisonnières
16
Bilan L'énergie solaire et le bilan radiatif de la Terre19
3 L'atmosphère terrestre et sa dynamique20
3.1 L'atmosphère : composition et stratification20
3.2 D'où vient le vent ? Moteurs et forces contrôlant le mouvement des masses d'air21
3.2.1 Le gradient de pression, moteur des vents
21
3.2.2 La force de Coriolis et l'équilibre géostrophique
23
E1.11 La force de Coriolis n'est pas responsable du sens de rotation de l'eau dans les éviers !27
3.2.3 Les forces de frottement
27
3.3 Pourquoi pleut-il ? Les mouvements de l'atmosphère expliquent les variations pluviométriques28
3.3.1 Humidité relative et saturation de l'air en vapeur d'eau
28
3.3.2 Les noyaux de condensation
30
3.3.3 La formation des nuages et des précipitations
30
E1.12 Fabriquer un nuage chez soi, dans une bouteille !31
3.3.4 Des précipitations dépendantes des mouvements verticaux de l'air
32
E1.13 Pour aller plus loin dans la formation des nuages et des précipitations33
3.4 La circulation atmosphérique globale et ses impacts sur le climat34
3.4.1 Le principe de fonctionnement des cellules de convection
34
3.4.2 Les six cellules de convection atmosphériques
35
E1.14 Les cellules de convection dans la réalité37
E1.15 Un lien anticyclone, dépression et température ambigu39
3.4.3 Les jet streams et la circulation atmosphérique au niveau de la tropopause
39
3.4.4 Variations temporelles de la position des cellules de convection au cours de l'année
40
3.5 Des variations locales de la circulation atmosphérique43
3.5.1 Des variations liées à des « petites cellules de convection »
43
3.5.2 Des variations des caractéristiques des masses d'air liées à une interaction avec la topographie
43
3.6 Perturbations et phénomènes atmosphériques violents : des phénomènes à risque pour les populations45
3.6.1 Cyclones extratropicaux et perturbations des zones tempérées
45
E1.16 Risque, aléa, enjeu, vulnérabilité : des termes à ne pas confondre !45
3.6.2 Tempêtes des zones tempérées
48
3.6.3 La formation des cyclones tropicaux
48
3.6.4 La formation des orages
50
3.6.5 Les tornades
51
E1.17 Pour aller plus loin dans les mécanismes de formation des tornades51
E1.18 La prévision météorologique, comment ça marche ?53
Bilan L'atmosphère terrestre et sa dynamique54
4 L'océan et sa dynamique55
4.1 La stratification des océans permet de délimiter trois grands ensembles55
4.2 La circulation océanique de surface55
4.2.1 L'organisation de la circulation de surface
55
4.2.2 Le vent, moteur de la circulation océanique de surface
56
4.2.3 La formation des gyres océaniques
57
4.2.4 Les courants océaniques liés au gradient de pression
59
4.2.5 La formation des upwellings et des downwellings
59
4.2.6 Variations couplées de la circulation atmosphérique et océanique de surface
62
E1.19 Le « Méga » El Niño de 1788-178967
4.3 La circulation océanique profonde67
4.3.1 Caractéristiques de la circulation océanique profonde
67
4.3.2 Le moteur de la circulation profonde
69
4.4 La circulation océanique globale, « great conveyor belt »71
Bilan L'océan et sa dynamique72
E1.20 Énergie solaire, dynamique des enveloppes fluides et énergies renouvelables73
5 Synthèse sur les climats de la Terre74
5.1 Le climat global de la Terre74
5.2 Les climats zonaux74
5.3 Les climats azonaux76
5.3.1 L'impact du relief présent à la surface des continents
76
5.3.2 L'impact de la continentalité
77
5.3.3 L'impact de la circulation océanique sur l'azonalité des climats
79
5.4 La classification des climats80
E1.21 La biosphère : acteur majeur et souvent oublié du climat !81
Bilan Syntèse sur les climats de la Terre82
Exercices83
Fiche
1. Le cycle du Carbone87
2
Les paléoclimats
1 Introduction93
2 La reconstitution des paléoclimats93
2.1 Les indices historiques93
2.2 Les indices géomorphologiques et sédimentaires94
2.2.1 Les indices géologiques en domaine continental
94
E2.1 Le principe d'actualisme : une clé pour décrypter les indices paléoclimatiques94
E2.2 La datation des indices glaciaires98
2.2.2 Les indices paléoclimatiques en domaine marin
102
2.3 Les indices paléontologiques104
2.3.1 L'utilisation d'espèces à conditions de vie strictes
104
2.3.2 La palynologie
104
E2.3 La datation des pollens106
E2.4 La datation du bois et l'établissement de la largeur des cernes sur de grandes durées106
2.3.3 La dendroclimatologie
107
E2.5 Les proxys et les fonctions de transfert, des outils de quantification des paramètres climatiques Passés107
2.4 Les indices géochimiques108
2.4.1 Les isotopes de l'oxygène
108
E2.6 La datation des carottes de glace112
2.4.2 Les isotopes du carbone : δ13C et plantes en C3 et en C4
117
E2.7 La datation des indices paléoclimatiques vieux de plusieurs millions d'années118
2.5 Synthèse des indices et reconstitution des ceintures climatiques de la Terre119
Bilan La reconstitution des paléoclimats120
3 L'évolution des climats dans l'histoire de la Terre121
3.1 Les variations climatiques à l'échelle de plusieurs millions à plusieurs milliards d'années121
3.1.1 Identification de la succession de périodes greenhouse et icehouse
121
3.1.2 Le climat de la Terre primitive et le paradoxe du Soleil jeune
121
3.1.3 Les épisodes snowball du Protérozoïque
123
E2.8 Comment la vie aurait-elle pu survivre à un englacement total ?129
3.1.4 Les périodes icehouse et greenhouse du Phanérozoïque
130
E2.9 Pour aller plus loin : la quantification des flux passés dans le modèle géocarb135
E2.10 L'indice stomatique, un proxy de la teneur passée en CO22atmosphérique136
E2.11 Pourquoi le CO2 contrôle-t-il les variations climatiques aux grandes échelles de temps plus que les autres gaz à effet de serre ?137
E2.12 La notion de forçage139
3.1.5 Variations du climat local aux grandes échelles de temps en lien avec la tectonique des plaques
142
Bilan Les variations climatiques à l'échelle de plusieurs millions à milliards d'années143
3.2 Les variations climatiques à l'échelle de 20000 à 400000 ans : l'effet de l'astronomie144
3.2.1 Les variations climatiques d'origine astronomique au sein d'une période greenhouse
144
3.2.2 Les variations climatiques d'origine astronomique dans une période icehouse
146
E2.1 3 Les périodes glaciaires-terglaciaires ont-elles existé durant les autres périodes icehouse du phanérozoïque ?149
E2.14 Pour aller plus loin : l'origine de la précession climatique152
E2.15 Les bulles d'air des carottes de glaces, des échantillons de l'atmosphère du passé160
E2.16 Le Sahara vert : quand l'actuel désert était une étendue verdoyante161
Bilan Les variations climatiques abruptes au sein d'une période glaciaire163
3.3 Les variations climatiques abruptes au sein d'une période glaciaire163
3.3.1 Mise en évidence de variations abruptes du climat glaciaire
163
3.3.2 Les événements de Heinrich
164
E2.17 Des scénarios alternatifs pour expliquer les cycles de Dansgaard-Oeschger166
3.3.3 Le Dryas récent
167
3.3.4 Le refroidissement de 8200 BP
168
Bilan Les variations climatiques à l'échelle de 20 000 à 400 000 ans168
3.4 Les variations climatiques des 1 000 dernières années : des variations sous contrôle de l'activité solaire ?169
3.4.1 Mise en évidence de variations climatiques au cours des 1000 dernières années
169
3.4.2 L'Optimum climatique médiéval
169
3.4.3 Le Petit âge glaciaire
170
3.4.4 L'activité solaire, cause de ces variations climatiques ?
170
E2.18 L'activité solaire n'est pas la cause du réchauffement climatique moderne !171
E2.19 L'activité solaire a-t-elle causé des variations climatiques dans des périodes plus reculées ?171
3.5 Les variations ponctuelles de température à l'échelle de quelques années171
E2.20 L'impact des variations climatiques historiques sur les sociétés humaines173
4 En guise de conclusion175
Exercices176
Fiche
2. Variations climatiques passées et crises de la biodiversité187
3
Le changement climatique moderne et les projections sur l'évolution climatique future
1 Introduction199
2 Mise en évidence et caractéristiques du changement climatique moderne199
2.1 Les changements de température observés199
2.2 Les modifications de pluviométrie observées201
3 Les causes du changement climatique moderne203
3.1 Un réchauffement lié à l'augmentation de la teneur en gaz à effet de serre203
E3.1 Pourquoi le soleil ne serait-il pas responsable du réchauffement climatique ?203
E3.2 Pourquoi l'évolution de la température ne suit-elle pas exactement l'évolution de la teneur en CO2 atmosphérique ?204
3.2 L'origine des gaz à effet de serre204
E3.3 Quels arguments permettent d'attribuer les émissions de CO2 aux activités humaines ?205
3.3 Le devenir des gaz à effet de serre206
E3.4 CO2 Et acidification des océans207
E3.5 La pompe à carbone peut-elle se gripper ?209
3.4 Quantification de l'effet des facteurs anthropiques sur le bilan radiatif209
E3.6 Le GIEC (Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat)212
E3.7 Effet de serre et trou dans la couche d'ozone : deux phénomènes distincts à ne pas confondre !213
4 Projections sur l'évolution future du climat215
4.1 L'établissement des scénarios d'évolution climatique215
E3.8 Des rétroactions climatiques parfois difficiles à modéliser216
4.2 L'évolution prévue de la température et de la pluviométrie216
4.2 La notion de « surprise climatique »217
5 Les risques associés aux changements climatiques218
5.1 La montée du niveau marin218
5.2 L'augmentation de l'intensité ou de la fréquence des phénomènes extrêmes219
5.2.1 Les vagues de chaleur
219
5.2.2 Les phénomènes atmosphériques violents
220
5.2.3 Les épisodes de sécheresse et la modification du cycle hydrologique
220
5.3 L'effet du changement climatique sur la biosphère221
5.3.1 Modification de la phénologie des espèces
221
E3.9 L'attribution des événements extrêmes au changement climatique221
5.3.2 Modification des aires de répartition des espèces
222
5.3.3 Désoxygénation des océans
223
5.3.4 Disparition des espèces
223
5.3.5 Modification des ressources alimentaires
224
Bilan Le changement climatique moderne et les projections sur l'évolution climatique future224
6 En guise de conclusion225
E3.10 De la géoingénierie pour refroidir le climat ?225
Exercices226
Solutions des exercices
231
Bibliographie
244
Index
247