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Les variations climatiques et atmosphériques récentes

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Introduction :

La Terre est une planète assez hétérogène en termes de climat. On ne retrouve pas les mêmes conditions climatiques au Groenland, dans la forêt Amazonienne ou dans le désert de Namibie.

Dans ce cours, nous commencerons par voir quels sont les différents climats et leur répartition à la surface de la Terre, et quels sont les paramètres qui déterminent ces climats. Dans une deuxième partie, nous verrons ce que les peuplements végétaux révèlent sur le climat des derniers millénaires.

Nous étudierons ensuite les glaces polaires pour comprendre les changements climatiques puis nous aborderons l’évolution de la composition de l’atmosphère depuis 800 000 ans.

Les climats actuels de la Terre

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À retenir

La météorologie et la climatologie sont des sciences différentes.

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Définition

Météorologie :

Science de l’atmosphère qui permet de répondre à la question « quel temps fait-il ? » à un instant et à un endroit donné. Le météorologue étudie les nuages, le vent et la pluie.

On peut donc dire plus globalement qu’elle étudie la mécanique des fluides. Ces études permettent de nous renseigner sur différents paramètres comme la température, les précipitations, l’humidité de l’air, l’ensoleillement, etc.

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Définition

Climatologie :

Science qui étudie les conditions météorologiques moyennes sur de longues périodes dans le temps dans un lieu donné. Cette science permet de cartographier la répartition mondiale des climats à la surface de la Terre.

Répartition mondiale des climats Répartition mondiale des climats

Climat tropical Équatorial

  • Températures hautes
  • Précipitations abondantes
  • Saisons peu marquées
  • Végétation de type forêt dense
Tropical humide
  • Alternance de saisons sèches et humides
  • Saisons peu marquées
  • Climat sec Semi-aride
  • Températures très élevées avec une amplitude annuelle et diurne
  • Deux saisons : chaude et froide
  • Précipitations faibles et irrégulières
  • Aride
    Climat tempéré Méditerranéen
  • Étés chauds et hivers doux
  • Précipitations annuelles faibles mais pluies violentes
  • Végétation : garrigue et maquis
  • Humide subtropical
  • Étés chauds et hivers doux
  • Océanique
  • Températures moyennes constantes
  • Saisons peu marquées
  • Végétation : lande, prairie et forêt
  • Climat continental Continental humide
  • Fortes amplitudes de température
  • Végétation : taïga, steppe et prairie
  • Subarctique
  • Végétation : lande, prairie et forêt
  • Climat polaire Arctique
  • Températures négatives
  • Vents très forts
  • Étés très courts et froids
  • Glaciaire
    Montagnard
  • Hivers froids
  • Étés frais et humides
  • Température basse en altitude
  • bannière à retenir

    À retenir

    Les climats sont caractérisés essentiellement par les précipitations et les températures. Les climatologues utilisent des climatogrammes pour définir un climat.

    bannière exemple

    Exemple

    Par exemple, il y a une différence entre les précipitations de Rio de Janeiro et d’Antofagasta, ce qui permet de dire qu’elles ne subissent pas le même climat.

    Climatogrammes de Rio de Janeiro et Antofagasta Climatogrammes de Rio de Janeiro et Antofagasta

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    Définition

    Insolation :

    En météorologie, exposition directe aux rayons du Soleil.

    L’insolation de la Terre est variable selon que l’on se trouve aux pôles ou à l’équateur. L’insolation est maximale à l’équateur et minimale au niveau des pôles. Toutefois, l’insolation n’est pas toujours homogène et varie en fonction des mouvements des enveloppes fluides.

    Quantité d’énergie solaire reçue à la surface de la Terre Quantité d’énergie solaire reçue à la surface de la Terre

    bannière à retenir

    À retenir

    Les enveloppes fluides de la Terre sont l’atmosphère et l’hydrosphère qui correspond aux masses d’eau. Ces deux enveloppes fluides connaissent des courants qui peuvent êtres froids ou chauds. C’est comme cela que l’énergie perçue au niveau de l’équateur est redistribuée au niveau des pôles. Ces mouvements ont une influence importante sur les climats locaux.

    Des changements climatiques au cours des derniers millénaires

    Les climats peuvent êtres caractérisés par leur peuplement végétal.
    Ainsi, dans les zones où le climat est méditerranéen on trouvera des maquis et des garrigues alors que dans des zones au climat équatorial c’est la forêt dense qui domine. La végétation est adaptée à des conditions climatiques précises.

    • C’est pour cela que l’on étudie la végétation passée pour définir les climats des derniers millénaires.
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    Définition

    Paléo-palynologie :

    Étude des fossiles à parois organiques et des grains de pollen.

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    Définition

    Carotte sédimentaire :

    Échantillon cylindrique extrait du sol par un appareil de forage.

    Les grains de pollen sont produits en grande quantité et se conservent facilement piégés dans des sédiments. Les paléo-palynologues réalisent des carottes sédimentaires et identifient et dénombrent les pollens fossilisés. Ils peuvent alors construire un diagramme pollinique qui représente l’abondance des grains de pollen de différentes espèces en fonction du temps.

    Abondance des grains de pollen dans la vallée de la Wormsa (Vosges) Abondance des grains de pollen dans la vallée de la Wormsa (Vosges)

    Le diagramme pollinique représentant l’abondance des grains de pollen de différentes espèces en fonction du temps dans la vallée de la Wormsa dans les Vosges montre que les poacées représentés par la courbe bleue claire étaient dominants entre -17 et -13 milliers d’année et que l’on ne trouve des noisetiers, représentés par la courbe bleue foncée, que depuis -10,5 milliers d’années.

    Grâce à ces données, les scientifiques créent des cartes montrant l’évolution des peuplements végétaux au cours du temps dans un lieu précis.

    Évolution de la couverture végétale en Europe entre la situation actuelle et il y a 18000 ans Évolution de la couverture végétale en Europe entre la situation actuelle et il y a 18 000 ans

    bannière astuce

    Astuce

    En France, il y a 18 000 ans, la végétation était de type toundra et désert préglaciaire alors qu’aujourd’hui, elle est de type forêt tempérée de feuillus et mixte ainsi que de type steppe arborée. Le climat entre ces deux périodes a changé. En effet, l’Europe est passée d’une période glaciaire à une période interglaciaire, d’où le réchauffement du climat.

    Des changements climatiques depuis 800 000 ans

    Une autre technique utilisée par les scientifiques pour reconstituer les climats du passé est l’étude de la glace.

    Des forages sont réalisés afin d’extraire des carottes de glace qui sont ensuite analysées. Le Dôme C est un forage localisé au pôle Sud qui atteint une profondeur de 3 260 mètres. Les échantillons prélevés dans ce forage permettent de nous renseigner sur les conditions climatiques d’il y a 800 000 ans. Les scientifiques utilisent un protocole particulier pour reconstituer les climats passés grâce à des carottes de glace.

    bannière à retenir

    À retenir

    La molécule d’oxygène est caractérisée par la présence dans la nature de deux isotopes : 18O^{18}\text{O} et 16O^{16}\text{O}. Leur répartition est par contre inégale car l’on retrouve dans l’eau 99.2 % de 16O^{16}\text{O} et 0.2% de 18O^{18}\text{O}.

    Dans un échantillon d’eau, qu’il soit solide ou liquide, on peut calculer le rapport δ18O\delta^{18}\text{O} qui correspond à :

    \begin{aligned}\delta\ ^{18}\text O= \left\{ \dfrac{\big[\dfrac{^{18}\text {O}}{^{16}\text O}\big] _\text{échantillon}\ -\ \big[ \dfrac{^{18}\text {O}}{^{16}\text {O}}\big] _\text{SMOW}}{\big[\dfrac{^{18}\text {O}}{^{16}\text {O}}\big] _\text{SMOW}} \right\} \times1000\end{aligned}

    Le rapport 18O/16O^{18}\text{O}/^{16}\text{O} d’un échantillon peut être mesuré à l’aide d’un spectromètre de masse. Le rapport 18O16OSMOW{^{18}\text O}{^{16}\text O}_\text{SMOW} correspond à une valeur de référence.

    L’isotope 16O^{16}\text{O} est plus léger que l’isotope 18O^{18}\text{O}.

    Il en résulte une variation δ18O\delta^{18}\text{O} au cours du cycle de l’eau. En effet, l’isotope 18O^{18}\text{O} plus lourd va retomber plus facilement lors des précipitations que l’isotope 16O^{16}\text{O}, plus léger.
    De même, l’isotope 16O^{16}\text{O} va être plus facilement condensé que l’isotope 18O^{18}\text{O}, plus lourd.

    Des mesures ont été réalisées afin de mettre en relation la température et la composition isotopique des précipitations en Antarctique. Si l’on mesure le δ18O\delta^{18}\text{O} de carottes glacières prélevées, on peut donc reconstituer les températures passées.

    Mise en relation la température et la composition isotopique des précipitations en Antarctique Mise en relation la température et la composition isotopique des précipitations en Antarctique

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    Définition

    Thermomètre isotopique :

    Plus la température mesurée est basse, plus le δ18O\delta^{18}\text{O} est faible.

    L’évolution de la composition de l’atmosphère

    Le phénomène de thermomètre isotopique permet d’utiliser les glaces pour nous renseigner sur les variations de températures des temps passés. Si l’on étudie l’air piégé dans la même glace, on peut étudier la composition de l’atmosphère depuis 800 000 ans.

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    Définition

    Névé :

    Amas de neige qui, sous l’effet du tassement et d’une alternance de dégels et regels, tend à se durcir et qui se trouve à l’origine d’un glacier.

    Lorsque la neige tombe au sol, il y a des échanges de gaz avec l’atmosphère. Avec le temps, cette neige se transforme en névé puis en glace dont la porosité permet de piéger des fragments d’atmosphère. On parle d’hydrates d’air.

    Ces hydrates d’air ont étés étudiés afin de connaître l’évolution de la composition de l’atmosphère.

    Concentration de l’atmosphère en dioxyde de carbone depuis 400 000 ans Concentration de l’atmosphère en dioxyde de carbone depuis 400 000 ans

    Cette concentration a varié de façon cyclique jusqu’à notre époque où elle augmente et atteint des valeurs jamais atteintes depuis 400 000 ans. L’augmentation exponentielle de la concentration en dioxyde de carbone dans l’atmosphère est le résultat des activités anthropiques.

    Conclusion :

    Le climat est défini pour un lieu en fonction des moyennes météorologiques mesurées. À l’échelle de la planète il existe de nombreux climats différents allant du désert aux banquises.

    L’évolution du climat est étudiée par les climatologues. Ils disposent de différents indicateurs.

    Le peuplement végétal, qui caractérise un climat donné peut être retrouvé grâce à la paléo-palynologie qui consiste à étudier les pollens fossilisés.

    Les carottes glacières nous renseignent sur les températures passées grâce au thermomètre isotopique et sur la composition de l’atmosphère en piégeant des hydrates d’air.