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La complexité du système climatique

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Le système climatique et son évolution dans le temps résultent de plusieurs facteurs naturels et d’interactions entre océans, atmosphère, biosphère, lithosphère et cryosphère. Il est nécessaire de prendre en compte ces interactions à différentes échelles spatiales et temporelles (de l’année au million d’années voire davantage). Le système climatique présente une variabilité spontanée et réagit aux perturbations de son bilan d’énergie par des mécanismes appelés rétroactions. Les facteurs anthropiques ont des conséquences irréversibles à court terme.

Savoirs
Un climat est défini par un ensemble de moyennes de grandeurs atmosphériques observées dans une région donnée pendant une période donnée. Ces grandeurs sont principalement la température, la pression, le degré d’hygrométrie, la pluviométrie, la nébulosité, la vitesse et la direction des vents. La climatologie étudie les variations du climat local ou global à moyen ou long terme (années, siècles, millénaires, …). La météorologie étudie les phénomènes atmosphériques qu’elle prévoit à court terme (jours, semaines). La température moyenne de la Terre, calculée à partir de mesures in situ et depuis l’espace par des satellites, est l’un des indicateurs du climat global. Il en existe d’autres : volume des océans, étendue des glaces et des glaciers, … Le climat de la Terre présente une variabilité naturelle sur différentes échelles de temps. Toutefois, depuis plusieurs centaines de milliers d’années, jamais la concentration du CO2 atmosphérique n’a augmenté aussi rapidement qu’actuellement.

Depuis un siècle et demi, on mesure un réchauffement climatique global (environ +1°C). Celui-ci est la réponse du système climatique à l’augmentation du forçage radiatif (différence entre l'énergie radiative reçue et l'énergie radiative émise) due aux émissions de gaz à effet de serre (GES) dans l’atmosphère : CO2, CH4, N2O et vapeur d’eau principalement. Lorsque la concentration des GES augmente, l’atmosphère absorbe davantage le rayonnement thermique infrarouge émis par la surface de la Terre. En retour, il en résulte une augmentation de la puissance radiative reçue par le sol de la part de l’atmosphère. Cette puissance additionnelle entraîne une perturbation de l’équilibre radiatif qui existait à l’ère préindustrielle. L’énergie supplémentaire associée est essentiellement stockée par les océans, mais également par l’air et les sols, ce qui se traduit par une augmentation de la température moyenne à la surface de la Terre et la montée du niveau des océans.

L’évolution de la température terrestre moyenne résulte de plusieurs effets amplificateurs (rétroaction positive), dont : l’augmentation de la concentration en vapeur d’eau (gaz à effet de serre) dans l’atmosphère ; la décroissance de la surface couverte par les glaces et diminution de l’albédo terrestre ; le dégel partiel du permafrost provoquant une libération de GES dans l’atmosphère. L’océan a un rôle amortisseur en absorbant à sa surface une fraction importante de l’apport additionnel d’énergie. Cela conduit à une élévation du niveau de la mer causée par la dilatation thermique de l'eau. À celle-ci s’ajoute la fusion des glaces continentales. Cette accumulation d’énergie dans les océans rend le changement climatique irréversible à des échelles de temps de plusieurs siècles. À court terme, un accroissement de la végétalisation constitue un puits de CO2 et a donc un effet de rétroaction négative (stabilisatrice).

Savoir-faire
Distinguer sur un document des données relevant du climat d’une part, de la météorologie d’autre part. Identifier des tendances d’évolution de la température sur plusieurs échelles de temps à partir de graphiques. Identifier des traces géologiques de variations climatiques passées (pollens, glaciers).

Déterminer la capacité d’un gaz à influencer l’effet de serre atmosphérique à partir de son spectre d’absorption des ondes électromagnétiques. Interpréter des documents donnant la variation d’un indicateur climatique en fonction du temps (date de vendanges, niveau de la mer, extension d’un glacier, …). Analyser la variation au cours du temps de certaines grandeurs telles que l’augmentation de la teneur atmosphérique en CO2, la variation de température moyenne, des indicateurs de l’activité économique mondiale.

Identifier les relations de causalité (actions et rétroactions) qui sous-tendent la dynamique d’un système. Réaliser et interpréter une expérience simple, mettant en évidence la différence d’impact entre la fusion des glaces continentales et des glaces de mer. Estimer la variation du volume de l’océan associée à une variation de température donnée, en supposant cette variation limitée à une couche superficielle d’épaisseur donnée.