Climat Cours 1 PDF

Climat : Cours 1 Anomalies de température: - Une anomalie positive indique que la température mesurée est supérieure à la moyenne de la période de référence. Différences entre météo et climat: Météo : Conditions spécifiques à un endroit et à un instant, avec des vari...

Climat : Cours 1 Anomalies de température: - Une anomalie positive indique que la température mesurée est supérieure à la moyenne de la période de référence. Différences entre météo et climat: Météo : Conditions spécifiques à un endroit et à un instant, avec des variations à court terme (minute à semaine). Climat : Moyennes et variabilités des conditions sur des périodes longues (saisons, années, siècles). Bilan énergétique du système climatique: Un bilan énergétique global équilibré signifie une stabilité de la température moyenne du système climatique. Les compartiments du système climatique: 1. Atmosphère 2. Hydrosphère 3. Cryosphère 4. Biosphère 5. Surfaces continentales Types de transferts d'énergie entre systèmes: Rayonnement : Propagation dans le vide. Conduction : Contact direct entre matériaux. Convection : Déplacement de fluides. Changement d’état : Ex. : évaporation et condensation. Effets du bilan radiatif: Positif : Réchauffement climatique. Négatif : Refroidissement climatique. Loi de Planck et de Stefan-Boltzmann: Loi de Planck : Décrit l’émission de rayonnement d’un corps noir. Loi de Stefan-Boltzmann : M = σ T⁴ (énergie émise par unité de surface). Constante solaire:  F0 : 1360,8 W/m², puissance reçue par une surface perpendiculaire aux rayons solaires au sommet de l’atmosphère. ○ Relation : F0 = Ls / 4πD² (D : distance Terre-Soleil, ~150 millions de km). ○ Pour une autre planète : FP = F0 / d². Luminosité du Soleil (Ls): Puissance totale émise : Ls = Ms * 4πRs². ○ Rs (rayon solaire) = 696 340 × 10³ m, Ts (température) = 5800 K. Albédo et effet de serre: Albédo : Fraction de lumière solaire réfléchie (ex. : Mercure A = 0,06). Effet de serre : Amplifié par les émissions humaines, il élève la température moyenne terrestre à +15°C au lieu de -18°C. Bilan énergétique terrestre: Au sommet de l’atmosphère : Énergie incidente = énergie perdue (équilibre). Au sol : Inclut flux de chaleur sensible et latente, mais un déséquilibre de 0,6 W/m² traduit un stockage d’énergie dans les océans. Effets antagonistes: Effet parasol : Refroidissement (réflectivité accrue). Effet de serre : Réchauffement (absorption de rayonnement infrarouge). Forçage radiatif: Variation du bilan radiatif due à des facteurs externes (gaz à effet de serre, aérosols, etc.). ○ Positif : Réchauffement. ○ Négatif : Refroidissement (ex. : effet d’albédo). Mesure du bilan radiatif: Défis : Réalisation globale et distribution inégale des stations de mesure. Observations spatiales : Instruments comme CERES permettent une estimation globale depuis plusieurs décennies. Répartition énergétique et circulation atmosphérique: Latitude : Excès d’énergie à l’équateur, déficit aux pôles. Transport d’énergie : La circulation atmosphérique (cellules de Hadley, Ferrel, polaires) transfère >50% de l’énergie des tropiques vers les pôles. ○ Phénomène de double jet-stream accru avec le changement climatique. Circulation océanique (MOC): Transport d’énergie entre basses et hautes latitudes. Océan : Capacité calorifique ~1200 fois supérieure à celle de l’air, rôle crucial du Gulf Stream pour le climat européen. Rayonnement solaire: Composition : ~3% UV, 55% infrarouges, 42% lumière visible. Ozone: Stratosphère : Filtre le rayonnement UV, réduit par les CFC (trou d’ozone). Troposphère : Pollution par ozone, impact sur la santé (problèmes respiratoires). Corrections aux idées reçues: Le trou d’ozone n’est pas responsable du changement climatique. Le réchauffement est dû à l’absorption d’infrarouges, non d’UV. Pollution atmosphérique et changement climatique sont liés mais distincts. Concepts clés: Systèmes climatiques : Interaction complexe entre les 5 compartiments. Modifications anthropiques : Impact direct sur le bilan énergétique. Éléments influençant le climat : Émissions de GES, albédo, circulations atmosphériques et océaniques. Conséquences du changement climatique 1. Hausses de températures et vagues de chaleur : ○ Multiplication par 9 des jours de vagues de chaleur en 38 ans. ○ Été 2050 : l’été 2003 (canicule) deviendra une norme en France. 2. Ilots de chaleur urbains : ○ Température nocturne en ville jusqu’à +10°C par rapport à la campagne. ○ Solutions : matériaux réfléchissants, revégétalisation, augmentation de l’albédo urbain. 3. Fonte des glaciers et calottes glaciaires : ○ Diminution de 40 % de la superficie des glaciers himalayens. ○ Fonte des glaces continentales -> élévation du niveau de la mer. 4. Montée des eaux : ○ XXᵉ siècle : +17 cm.  ○ Prévisions 2100 : entre 2 et 3 m. ○ Causes : dilatation thermique de l’eau, fonte des glaces continentales. 5. Cyclones et tempêtes : ○ Cyclones plus violents avec pluies accrues (+15 % pour un réchauffement global de 2°C). ○ Les trajectoires des tempêtes pourraient migrer vers le Nord. 6. Sécheresse : ○ Retrait-gonflement des argiles affectant >10 millions d’habitations en France. ○ Coût des sinistres : 3 milliards € en 2022. 7. Indice du thermomètre mouillé : ○ Régions subtropicales à risque d’être inhabitables (>35°C). Climat : cours 3 1. Introduction aux modèles climatiques Les modèles climatiques sont des outils numériques utilisés pour comprendre et prévoir l'évolution du climat en simulant les processus physiques, chimiques, et biologiques du système climatique. Ils sont utilisés par les scientifiques, les citoyens et les décideurs politiques pour anticiper l'évolution du climat et ses impacts. ○ Scientifiques : Comprendre le fonctionnement du climat, identifier les domaines nécessitant des recherches supplémentaires, et proposer des réponses quant à son évolution future. ○ Citoyens : Comprendre les tendances climatiques futures pour adapter les comportements (ex. : gestion des déchets, réduction de la consommation énergétique). ○ Décideurs politiques : Prendre des décisions éclairées en matière d'actions écologiques, de mobilité urbaine, de gestion des risques environnementaux (inondations, chaleur, etc.). 2. Pourquoi utiliser des modèles climatiques ? Compréhension des interactions climatiques : Les modèles permettent de comprendre les interactions entre les différentes composantes du climat, comme l'atmosphère, les océans, la cryosphère (glace), la biosphère (écosystèmes), et les surfaces continentales. Prévision des évolutions climatiques : Ils fournissent des prévisions à court, moyen et long termes sur les effets des changements climatiques, en tenant compte des forçages naturels (volcanisme, variabilité solaire) et anthropiques (émissions de gaz à effet de serre). 3. Composantes du système climatique Atmosphère : Couvre des processus tels que les échanges de chaleur, l'absorption des rayons solaires par les gaz à effet de serre, et la formation des nuages. Hydrosphère : Englobe les océans, les mers, et les rivières. Les échanges de chaleur et de vapeur d'eau entre l'océan et l'atmosphère jouent un rôle crucial dans le climat global. Les océans absorbent une grande partie du CO2 émis par les activités humaines, contribuant à l'acidification des océans.  Cryosphère : Les glaces (banquise, glaciers, neige) influencent le climat par leur capacité à réfléchir la lumière solaire (albédo) et en contribuant à l'élévation du niveau des mers lors de la fonte. Biosphère : Comprend les écosystèmes terrestres et marins, qui échangent de la chaleur, de la vapeur d'eau, et du CO2 avec l'atmosphère. Par exemple, les forêts agissent comme puits de carbone, mais cette capacité diminue si les températures sont trop élevées. Lithosphère : Les activités géophysiques, comme les éruptions volcaniques, influencent le climat par l'émission de gaz et de particules dans l'atmosphère, qui peuvent refroidir temporairement le climat. 4. Processus de modélisation Mise en équations : Le système climatique est décrit par des équations de la mécanique des fluides (Navier-Stokes) et des équations de conservation de la masse et de l’énergie. Ces équations décrivent l'évolution des paramètres climatiques comme la température, la pression, la salinité des océans, et les concentrations de gaz. Discrétisation : Le climat est modélisé sur une grille en trois dimensions, où chaque cellule représente une portion de l'atmosphère, de l'océan ou de la surface terrestre. Le temps est également discrétisé en intervalles réguliers. Simulation : Les modèles calculent les évolutions temporelles et spatiales des processus climatiques en fonction des conditions initiales et des paramètres de forçage (comme l'augmentation du CO2). Selon l'objectif de la simulation (ex. : ré chauffement climatique sur 100 ans ou cycles glaciaires sur des millénaires), les temps de calcul varient. 5. Incertitudes des modèles climatiques Sources d'incertitude : ○ La complexité du système climatique, avec ses nombreux processus interconnectés et non-linéaires, rend difficile la modélisation exacte. De plus, les phénomènes à petite échelle, comme la formation des nuages, ne sont souvent qu'approximés dans les modèles. ○ Les données initiales sont parfois imparfaites, ce qui peut affecter les simulations. La sensibilité du système aux conditions  initiales peut entraîner une divergence dans les résultats des modèles. ○ Les incertitudes socio-économiques (comme les politiques de réduction des émissions) ajoutent également un degré de variabilité dans les projections futures. 6. Validation des modèles Les modèles climatiques sont validés en les confrontant à des observations réelles et à des simulations du climat passé. Les observations modernes proviennent de stations au sol, de satellites et de campagnes expérimentales spécifiques. Les modèles sont aussi testés avec des données du paléoclimat (climats passés) obtenues à partir des carottes de glace et des sédiments, ce qui permet de vérifier leur capacité à reproduire des cycles climatiques sur des millénaires. 7. Utilisation des modèles climatiques Projections futures : Les modèles permettent de faire des projections sur l'état futur du climat en fonction de différents scénarios de forçage (par exemple, une augmentation des températures de 1 à 4°C). Ils aident à comprendre comment le système climatique pourrait répondre à ces perturbations. Rétroactions : Les simulations permettent également d’analyser les rétroactions climatiques : ○ Rétroaction positive : Amplifie la perturbation (exemple : fonte des glaces réduisant l’albédo et accélérant le réchauffement). ○ Rétroaction négative : Atténue la perturbation (exemple : augmentation de la nébulosité qui refroidit la surface terrestre en réfléchissant la lumière solaire). 8. Exemple de simulation climatique : Un exemple d'utilisation des modèles est fourni via un outil pédagogique, "SimClimat", qui permet de simuler l'évolution climatique en fonction de divers scénarios d'émissions de CO2. Le modèle calcule des paramètres comme la température, le niveau de la mer, et la concentration en CO2 depuis l'époque pré-industrielle jusqu'à aujourd'hui. Conclusion : Les modèles climatiques sont des instruments complexes mais essentiels pour comprendre et anticiper l’évolution du climat. Ils fournissent des informations cruciales pour la science, les citoyens, et les décideurs politiques, bien qu’ils comportent des incertitudes liées à la modélisation et aux données initiales. Leur utilisation permet d’analyser les impacts des activités humaines sur le climat et de proposer des stratégies pour limiter le réchauffement global. FICHE DE RÉVISION : CLIMAT - COURS 4 I. Le Bilan Carbone : Définition et principes Définition : Méthode pour quantifier les émissions de gaz à effet de serre (GES) générées par une activité, un produit, ou un individu. ○ Les émissions sont mesurées en équivalent CO₂ (CO₂e) : c’est la quantité de CO₂ qui produirait un effet radiatif équivalent à celui d’autres gaz à effet de serre (ex. : CH₄, N₂O). Puits de carbone : Réservoirs naturels qui captent et stockent le carbone atmosphérique : ○ Sols et forêts : absorbent 30 % des émissions mondiales annuelles. ○ Océans : captent 25 %. ○ Émissions résiduelles : 45 % s’accumulent dans l’atmosphère, contribuant au réchauffement. Unités courantes : ○ GtCO₂ : Gigatonnes de CO₂. ○ Relation : 1 GtC=GtCO2×0.271 \, GtC = GtCO₂ \times 0.271GtC=GtCO2​×0.27. ○ Importance des puissances de 10 : Giga (10⁹), Méga (10⁶), Kilo (10³). II. Neutralité Carbone Objectif mondial : Atteindre un équilibre entre émissions de GES et absorption par les puits de carbone pour stopper l’accumulation de CO₂ dans l’atmosphère. Empreinte carbone cible : ○ 2050 : Environ 2 tCO₂e/habitant/an pour une neutralité carbone mondiale. ○ France aujourd’hui : ~9 tCO₂e/habitant/an → objectif : diviser par 4. III. Chiffres et impacts des émissions mondiales 1. Émissions globales (2022) : ○ Moyenne par habitant : 4,27 tCO₂e/an.  ○ Les pays développés, comme la France, ont des émissions souvent plus élevées en raison des importations et des modes de vie. 2. Budget carbone restant : ○ Ne pas dépasser 600 Gt de CO₂ d’ici 2100 pour limiter le réchauffement à +2°C. ○ Nécessité d’un pic d’émissions avant 2025 et réduction à zéro d’ici 2035. 3. Impact linéaire : Chaque tonne de CO₂ émise augmente directement la température globale. IV. Exemples pratiques d’équivalence carbone 1 tonne de CO₂e correspond à : Chauffer un appartement de 50 m² pendant 4 mois. Un aller simple Paris-New York en avion. 10 000 km en voiture (petit modèle). 140 repas contenant du bœuf, ou 1900 repas végétariens. La production de 50 jeans en coton. V. Secteurs principaux émetteurs 1. Numérique : Représente 10 à 15 % de l’électricité mondiale (l’équivalent de 100 réacteurs nucléaires). Les émissions du numérique surpassent désormais celles du trafic aérien (et doublent tous les 4 ans). 2. Alimentation : Régimes carnivores : plus émetteurs de GES. La transition vers des régimes végétariens peut significativement réduire l’empreinte carbone. 3. Bilan carbone des étudiants L1 (2023) : Moyenne : 6,9 tCO₂e/habitant/an. Contributions principales : ○ Alimentation : 2,07 tCO₂e. ○ Transport : 1,47 tCO₂e.  ○ Logement : 0,83 tCO₂e. VI. Atténuation et neutralité carbone Atténuation : Réduction des émissions de GES pour minimiser les effets du réchauffement : ○ Transition vers des énergies renouvelables. ○ Réduction de la consommation d’énergie et adoption de pratiques durables. Zéro émission nette : Tous les GES produits doivent être compensés par des absorptions (puits naturels ou artificiels). VII. Messages clés du GIEC 1. Origine humaine du changement climatique : ○ Les activités humaines sont responsables de l’augmentation des GES et des événements climatiques extrêmes. 2. Sensibilité climatique : ○ Probable : augmentation entre +2,5°C et +4°C. ○ Très probable : entre +2°C et +5°C. 3. Urgence d’agir : ○ Réduction immédiate des émissions pour limiter les impacts climatiques futurs. VIII. Métaphores pour comprendre Métaphore de la baignoire : Tant que le robinet (émissions) reste ouvert, l’eau (CO₂) continuera de monter, même si le débit est réduit. Solution : fermer totalement le robinet pour stabiliser la quantité de CO₂.  Climat cours 5 : 1. Introduction : Les Incertitudes Climatiques Origines des incertitudes : Modélisation imparfaite : Les modèles climatiques simplifient des processus complexes comme : ○ Les interactions à petite échelle entre l'atmosphère, l'océan et la surface terrestre. ○ Les phénomènes chaotiques, difficiles à prédire (ex. tempêtes, cyclones). Échelle des modèles : Les grilles utilisées ont une résolution limitée : ○ Exemple : Une maille peut couvrir 100 km², ce qui simplifie les processus locaux. Paramètres spécifiques : Chaque modèle utilise des hypothèses (ex. comportement des nuages), entraînant des divergences. Méthodes d’évaluation : Les modèles sont confrontés aux observations pour réduire les incertitudes : ○ Reproduction des climats passés : Vérification de la capacité à simuler des événements connus comme El Niño. ○ Tendances actuelles : Exemples : Fonte des glaces arctiques, élévation du niveau des mers. Représentation des incertitudes : Boîte à moustache : Un outil statistique représentant les valeurs simulées : ○ Composants : Médiane, quartiles (25%, 75%), extrêmes (min, max). ○ Cartes spatiales : Utilisées pour visualiser les écarts entre régions (ex. effet des nuages dans les tropiques). 2. Les Rétroactions Climatiques Définition : Les rétroactions influencent le climat en stabilisant ou amplifiant un effet initial.  ○ Rétroaction négative : Ex. formation de nuages bas augmentant l’albédo, réduisant ainsi l’énergie absorbée. ○ Rétroaction positive : Ex. fonte des glaces réduisant l’albédo, entraînant plus de réchauffement. Importance : Effets amplificateurs : Les rétroactions sont majoritairement positives dans le contexte actuel. Incertitudes : Les rétroactions complexes (nuages, vapeur d’eau) sont mal modélisées. 3. L’Effet d’Albédo Définition : L’albédo mesure la capacité d’une surface à réfléchir la lumière solaire : ○ Formule : Albédo = (énergie réfléchie) / (énergie reçue). ○ Valeurs typiques : Neige/glace : 0.6-0.9 (forte réflexion, refroidissement). Eau : 0.05 (faible réflexion, réchauffement). Sols : 0.05 à 0.5 selon la composition (ex. sable, végétation). Boucles de rétroaction : Exemple : ○ Fonte des glaces → Albédo réduit → Absorption accrue → Réchauffement → Fonte accélérée. Particularité : Processus rapide et difficile à inverser. Exemples concrets : Arctique : ○ Température augmentée de 2°C depuis l’ère industrielle (2x la moyenne mondiale). ○ Réduction de 12% de la banquise par décennie. Neige contaminée : ○ Dépôts de poussières (ex. Sahara, cendres volcaniques) abaissent l’albédo des neiges. ○ Résultat : Fonte accélérée en Europe (Alpes, Pyrénées). Impact volcanique :  Éruptions majeures comme Pinatubo (1991) : ○ Injection d’aérosols dans la stratosphère augmentant l’albédo. ○ Réduction temporaire de -0.5°C sur 2 ans. 4. La Vapeur d’Eau et les Nuages Vapeur d’eau : Caractéristiques : ○ Gaz à effet de serre naturel le plus abondant. ○ Contribue à environ 60% de l’effet de serre naturel. ○ Concentration varie de 0.2% à 5% selon l’humidité. Rétroactions : ○ Positive : Réchauffement → Plus de vapeur → Effet de serre amplifié. ○ Négative : Formation de nuages augmentant l’albédo. Rôle des nuages : Deux effets opposés : ○ Réchauffement : Retiennent le rayonnement infrarouge (ex. nuages hauts). ○ Refroidissement : Réfléchissent la lumière solaire (ex. nuages bas). Variabilité : ○ Différences selon l’altitude, la composition (eau ou glace) et l’épaisseur. ○ Nuages d’altitude = réchauffement ; nuages bas = refroidissement. 5. Cycle du CO₂ Augmentation historique : Constat : ○ 1860 : 280 ppm. ○ Aujourd’hui : 420 ppm (hausse de 33%). Si les océans n’absorbaient pas le CO₂, la concentration aurait doublé. Rôle des océans : Absorption : ○ 25% du CO₂ anthropique est absorbé.  ○ Températures plus froides favorisent la dissolution. Rétroaction positive : ○ Réchauffement → Moins de CO₂ absorbé → Plus de CO₂ dans l’atmosphère → Amplification. 6. L’Effet des Volcans Éruptions majeures : Mécanisme : ○ Gaz (SO₂, H₂O, CO₂) injectés dans la stratosphère. ○ Formation d’aérosols réfléchissant la lumière solaire. Exemple : ○ Pinatubo (1991) : Refroidissement global temporaire de -0.5°C. Impact historique : ○ Éruption du Laki (1783) : Sécheresses et famines. Contributeur indirect à la Révolution française. 7. Conclusions Les rétroactions dominantes amplifient le réchauffement. La diminution de l’albédo est un facteur clé. Géoingénierie (ex. injection de soufre) est une solution temporaire, controversée. Définitions Clés 1. Albédo : Mesure de la réflexion solaire par une surface (0 = aucune réflexion, 1 = 100% réflexion). 2. Rétroaction : Processus amplifiant ou stabilisant une perturbation initiale. 3. Géoingénierie : Techniques visant à modifier le climat artificiellement. Climat cours 6 : I. Prévisions et gestion des risques Outils : ○ Modèles climatiques pour prévoir l’évolution du climat à différentes échelles (globale et régionale). ○ Études d’impact pour évaluer les risques géographiques et socio-économiques. Rapports du GIEC : ○ Analyse des impacts sur les systèmes naturels et socio-économiques. ○ Propositions de solutions pour atténuer et s’adapter aux changements. II. Les principales conséquences climatiques 1. Atmosphère : températures, vents et tempêtes Hausses des températures : ○ Multiplication par 9 des jours de vagues de chaleur en 38 ans. ○ Été 2050 : les canicules comme 2003 deviendront normales en France. Cyclones : ○ Plus violents, intensité moyenne augmentée de 5 %, avec précipitations accrues de 15 % (+2°C de réchauffement). ○ Élévation du niveau des océans aggrave les inondations cycloniques. Tempêtes : ○ Impact incertain, mais trajectoires susceptibles de migrer vers le Nord. ○ Augmentation possible de l’intensité en Europe. 2. Cryosphère : glaciers et calottes glaciaires Fonte accélérée : ○ Exemple de l’Himalaya : perte de 40 % de surface glaciaire, impact sur l’approvisionnement en eau. ○ Fonte des glaces continentales -> élévation du niveau de la mer. Conséquences : ○ Modification des courants océaniques (ex. : Gulf Stream).  ○ Nouvelles routes maritimes en Arctique et exploitation des ressources. 3. Hydrosphère : montée des eaux, sécheresse et cycle de l’eau Montée des eaux : ○ XXᵉ siècle : +17 cm. ○ Prévisions 2100 : entre +2 et +3 m. ○ Causes : dilatation thermique de l’eau et fonte des glaces continentales. Sécheresse et gonflement des argiles : ○ Impacts sur les constructions (10 millions d’habitations concernées en France). ○ Coût des sinistres climatiques : 3 milliards € en 2022 (sécheresse). 4. Société : atténuation, adaptation et migrations Atténuation : ○ Réduire les émissions de gaz à effet de serre. ○ Protéger les puits de carbone (forêts, sols). Adaptation : ○ Villes adaptées aux nouvelles conditions climatiques. ○ Gestion des risques d’inondations et de sécheresses. Migrations climatiques : ○ Déplacement temporaire ou permanent des populations affectées par des événements climatiques extrêmes. III. Phénomènes spécifiques : Ilots de chaleur urbains (ICU) Caractéristiques : ○ Températures nocturnes en ville jusqu’à +10°C comparées à la campagne. ○ Accentuation par les matériaux urbains absorbant et restituant la chaleur (asphalte, toits sombres). Solutions : ○ Revégétalisation (arbres, espaces verts). ○ Matériaux réfléchissants pour augmenter l’albédo urbain. ○ Gestion des sols et des surfaces pour limiter le réchauffement. IV. Autres concepts clés Indice de température du "thermomètre mouillé" :  ○ Combine chaleur et humidité ; au-delà de 35°C, les conditions deviennent mortelles, même avec de l’eau. Assurances : ○ Augmentation des coûts liés aux sinistres climatiques (11 milliards € en 2022). ○ Problème croissant de couverture dans les régions à haut risque. Ressources en Arctique : ○ Fonte de la banquise permettant l’accès à des gisements de pétrole, gaz, et minéraux. V. Résumé des solutions pour faire face au changement climatique 1. Atténuation : ○ Réduction des émissions de GES. ○ Protection des écosystèmes naturels (puits de carbone). 2. Adaptation : ○ Repenser les infrastructures et urbanismes pour s’adapter aux nouvelles conditions. 3. Innovation : ○ Développement de technologies pour limiter les impacts (énergies renouvelables, matériaux réfléchissants). 4. Conscientisation : ○ Sensibilisation des citoyens et gouvernements aux enjeux climatiques.