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GES et climat : mise au point scientifique (SVT et SPC niveau lycée)

EN BREF

Les caractéristiques de notre climat (température moyenne, pluviométrie, fréquence et intensité des évènements extrêmes, …) dépendent de la quantité d’énergie reçue par la surface de la Terre. Cette énergie provient du rayonnement du Soleil et du rayonnement réémis par les gaz à effet de serre comme illustré sur le graphique ci-dessous.

 

http://planet-terre.ens-lyon.fr/planetterre/objets/Images/bilan-radiatif-terre2/bilan-radiatif-terre2-fig14.gif

http://planet-terre.ens-lyon.fr/article/bilan-radiatif-terre2.xml

 

Les activités humaines modifient la composition de l’atmosphère (concentration en gaz à effet de serre, particules fines, …) et influent sur l’effet de serre et donc sur l’énergie reçue par la Terre.

Les travaux des climatologues visent à comprendre quelles seront les conséquences d’une augmentation ou d’une diminution de l’énergie apportée à la surface de la Terre. L’augmentation de la température moyenne va par exemple faire fondre les glaces qui réfléchissaient la lumière du Soleil et donc augmenter la quantité d’énergie absorbée à la surface de la Terre, et faire fondre la glace et ainsi de suite. C’est ce que l’on appelle une rétroaction positive. L’effet augmente la cause : il y a un risque d’emballement !

Les modèles climatiques prennent en compte ces phénomènes et sont testés en essayant de reproduire les climats passés. Ils permettent alors de faire des prédictions sur le climat futur. Ces modèles permettent de faire des prévisions sur le climat en fonction des scénarios possibles d’émission de CO2 dans les prochaines années comme on peut le voir dans la figure ci-contre (GIEC-2013).

 

 

Le scénario RCP2,6 (490 ppm max de CO2 atmosphérique puis déclin) est celui qui permet une limitation de l’augmentation de la température à +2°C.

Ce sont ces scénarios d’émissions de CO2 atmosphériques qui sont négociés lors des COPs.

 

Comprendre la température moyenne de la Terre

La température moyenne de la surface de la Terre est fixée par l’équilibre entre l’énergie qu’elle reçoit et l’énergie qu’elle émet.

 

http://planet-terre.ens-lyon.fr/planetterre/objets/Images/bilan-radiatif-terre2/bilan-radiatif-terre2-fig14.gif

http://planet-terre.ens-lyon.fr/article/bilan-radiatif-terre2.xml

 

Énergie reçue par la Terre

Énergie émise par la Terre

- Rayonnement solaire (UV + visible + IR)

- Rayonnement réfléchi (UV + visible + IR)

- Rayonnement corps noir des gaz à effet de serre (IR) dû à la présence d’une atmosphère

- Rayonnement corps noir de la surface de la Terre (IR)

 

Nous allons commencer par expliquer quelle serait la température de la Terre si elle n’avait pas d’atmosphère, et donc pas de gaz à effet de serre. Nous complèterons ensuite l’explication en prenant en compte l’effet de serre.

 

Température d’équilibre de la Terre sans atmosphère

La température de la surface des planètes qui n’ont pas d’atmosphère est déterminée par l’équilibre entre l’énergie reçue par le Soleil (lumière visible, ultra-violet et infra-rouge) et l’énergie rayonnée par la surface de la planète selon la loi du corps noir (lumière infrarouge). Cet équilibre permet de déterminer les températures de la surface de tous les corps qui n’ont pas d’atmosphère, comme par exemple Mercure, la Lune, ou les satellites de Jupiter : plus la planète est loin du Soleil, plus sa température est basse.

Sans l’effet de serre, la température moyenne sur la Terre (et aux effets d’albédo près) serait la même que celle sur la Lune : ~ -18°C.

 

Tableau des températures et distance au Soleil de certains éléments du système solaire

 

 

Mercure

Vénus

Terre

Lune

Mars

Phobos

Température (°C)

140

450

15

-18

-50

-60

Distance au soleil (u.a.)

0,39

0,72

1

1

1,52

1,52

             
 

Astéroïdes

Satellites de Jupiter

Satellites de Saturne

Titan

Satellite d'Uranus

Satellite de Neptune

Température (°C)

-130

-175

-195

-180

-220

-230

Distance au soleil (u.a.)

2,8

5,2

5,94

9,54

19,2

30

 

 

 

Présence d’une atmosphère et effet de serre

La présence d’une atmosphère transparente à la lumière visible et aux UV qui viennent du Soleil et qui est semi-opaque aux infra-rouges permet d’augmenter l’énergie reçue par la surface d’une planète. En effet, la surface de la Terre est chauffée par la lumière qui vient du soleil, elle émet alors un rayonnement infrarouge qui chauffe les gaz à effet de serre. Ces gaz réemettent alors eux aussi un rayonnement infrarouge dont une partie vient de nouveau chauffer la Terre. La température d’équilibre de la Terre est alors plus élevée.

 

Macintosh HD:Users:acaussar:Pictures:Météo:COP:serre-ideale.png

Titre : le fonctionnement théorique d’une serre parfaite

 

Sur la Terre, la température superficielle est en moyenne d’environ 30°C plus élevée que s’il n’y avait pas d’atmosphère.  Sur Venus cet effet est encore plus élevé.

 

Prévoir l’évolution du climat

 

Climat et météo

Caractériser le climat, c’est caractériser les valeurs moyennes, les écarts moyens et les cycles de variations (au fil des saisons) pour différents paramètres météorologiques (température, pluviométrie, … ). Les climatologues construisent des modèles pour essayer de comprendre l’influence que peut avoir l’activité humaine sur l’évolution du climat.

Le travail des climatologues est différent de celui des météorologues qui doivent prédire le temps qu’il fera à très court terme (quelques jours). Les climatologues eux travaillent à l’échelle des dizaines voir des centaines d’années.

 

Modéliser le climat

Les climatologues construisent des modèles de notre planète qui permettent de simuler les vents, courants, nuages, salinité des océans… et de simuler le climat qu’il a fait dans le passé (et on peut donc juger de la validité de ces modèles en comparant avec les données passées) ou qu’il fera dans le futur. Ces simulations sont compliquées à cause :

  • Du découpage de l’atmosphère, des océans et du sol réalisé pour modéliser la terre et son atmosphère (maillage ou granulométrie). Plus le maillage est fin, plus les calculs sont longs et lourds.
  • Des nombreuses interactions entre différents paramètres : influence de la température sur l’évaporation de l’eau, influence de la concentration des gaz à effet de serre sur l’effet de serre, l’interaction entre la pluviométrie et le couvert végétal (et donc l’albédo[1]), la production d’aérosol qui influence la nébulosité[2] … Ces interactions peuvent stabiliser ou déstabiliser le climat.
  • De la sensibilité aux conditions initiales choisies pour la simulation. Notre planète est un système chaotique, cela signifie que pour des conditions de départ de simulation très proches, les résultats peuvent fortement diverger.

 

 

Source : GIEC 2007, différents maillages pour décrire la planète dans les modèles climatiques.

 

 

Évolution du climat avec l’activité humaine

L’enjeu des négociations sur le climat est de limiter l’impact de l’homme sur le climat de la planète (= ne pas changer le climat).

 

© Pierre Thomas, 2015

 

Influence de l’augmentation de la concentration en CO2 sur le climat

Les modélisations des climatologues permettent d’étudier l’influence de plusieurs variables sur le changement climatique. En particulier, les climatologues peuvent faire tourner leurs modèles pour différents scénarios d’émissions de CO2 d’origine anthropique (produit par l’activité humaine) appelés RCP (profils représentatifs d’évolution de concentration). L’ensemble des résultats permet d’estimer  une fourchette de températures moyennes probables dans le futur.

fficher l'image d'origine

Les scénarios choisis par le GIEC pour tester l’évolution du climat

 

Lors des simulations de COP, les élèves vont proposer un scénario[3] d’émission de CO2 d’origine anthropique simplifié à l’échelle de la planète. Le logiciel va alors utiliser les résultats des différentes études scientifiques pour prédire l’augmentation de la température moyenne du globe à l’échéance de 2100.

 

Source : Rapport GIEC 2013

 

Consensus du GIEC

De nombreux groupes de chercheurs travaillent pour produire des simulations de l’évolution du climat. Le groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC) réunit plus d’une centaine de climatologues pour construire un rapport de synthèse sur les connaissances scientifiques autour du climat. Plusieurs conclusions émergent du dernier rapport :

  • Le réchauffement du système climatique est sans équivoque et les changements observés depuis 1950 sont sans équivalent depuis des décennies voir des millénaires. L’atmosphère et l’océan se sont réchauffés, la couverture de neige et de glace a diminué, le niveau des mers s’est élevé. Parallèlement à cette augmentation de T, les concentrations de gaz à effet de serre ont augmenté. L’ordre de grandeur de l’augmentation de T est similaire à l’ordre de grandeur de ce qui est calculé avec l’augmentation mesurée du CO2. Et il faut dire que les autre causes de variations de températures (variation naturelles du CO2 –éruption volcanisme par exemple-, variation de la constante solaire … sont tout à fait insuffisantes pour expliquer l’augmentation constaté de la T
  • La plus grande contribution, environ 60%, au déséquilibre énergétique (et donc au réchauffement du climat) provient de l’augmentation de la concentration de C02. Les 40 autres % viennent de l’augmentation en méthane, de l’ozone troposphérique, des chloro et fluoro carbone, du protoxyde d’azote …Tous les scénarios, tous les modèles du climat, prédisent une poursuite du réchauffement climatique de l’ordre de 2°C pour la fin du XXIème siècle même après stabilisation puis diminution des émissions de gaz à effet de serre (scénario RCP 2,6). Ils prédisent une augmentation beaucoup plus forte si les émissions continuent à augmenter.

 

Auteure : Aude Caussarieu, 2017

Télécharger le document en pdf : Des sciences pour préparer la cop

 

Ressources

 

Sources primaires

 

Sources secondaires

 

 

[1] Fraction de l’énergie incidente du soleil qui est réfléchie par les nuages ou la surface de la Terre. Les zones recouvertes de neige contribuent fortement à l’albedo.

[2] Fraction du ciel couverte par des nuages à un instant donné.

[3] Dans les documents du GIEC il s’agit des RCP : profils représentatifs d’évolution de concentration.

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