Fiche de révision Semaine 4 - Les climats de la Terre : comprendre le passé pour agir aujourd’hui et demain

Problématique :
Comment les variations climatiques passées permettent-elles de comprendre le réchauffement actuel et d'anticiper les actions à mener ?

Reconstituer les climats passés

• Le climat de la Terre a toujours varié, bien avant l'activité humaine. Pour comprendre ces variations, les scientifiques s'appuient sur des archives naturelles appelées proxies.

Les grandes périodes climatiques

• À l'échelle des temps géologiques, le climat a connu des alternances de périodes chaudes et froides :
• le Mésozoïque était globalement chaud et humide ;
• le Cénozoïque a vu un refroidissement progressif ;
• le Quaternaire (≈ 2,6 millions d'années à aujourd'hui) est caractérisé par une alternance de périodes glaciaires et interglaciaires.
• L'axe terrestre oscille entre 22° et 24,5° selon des cycles de 41 000 ans $\rightarrow$ influence directe sur les saisons et le climat.

Les méthodes de reconstitution des paléoclimats

• Des forages dans les glaces polaires (Antarctique, Groenland) permettent de remonter jusqu'à 800 000 ans dans le passé.
• Les bulles d'air piégées dans la glace conservent la composition atmosphérique ancienne $\rightarrow$ mesure directe du taux de $\text{CO}_2$ et de $\text{CH}_4$.
• Résultat fondamental : la corrélation entre taux de $\text{CO}_2$ atmosphérique et température est établie sur 800 000 ans $\rightarrow$ les périodes froides correspondent à de faibles teneurs en $\text{CO}_2$, les périodes chaudes à de fortes teneurs.

• L'eau contient deux isotopes de l'oxygène : $^{16}\text{O}$ (léger, majoritaire) et $^{18}\text{O}$ (lourd).
• Par temps froid, les nuages s'appauvrissent en $^{18}\text{O}$ $\rightarrow$ la glace s'enrichit en $^{16}\text{O}$ $\rightarrow$ le $\delta^{18}\text{O}$ des glaces diminue.
• Inversement, les sédiments marins s'enrichissent en $^{18}\text{O}$ lors des périodes froides $\rightarrow$ le $\delta^{18}\text{O}$ des sédiments augmente.
• Le $\delta^{18}\text{O}$ est donc un thermomètre indirect des températures passées.

• La palynologie désigne l’étude des pollens fossiles conservés dans les sédiments ou les tourbières.
• Les pollens d'arbres indiquent des périodes chaudes ; les pollens d'herbacés indiquent des périodes froides.
• La palynologie permet de reconstituer la végétation et donc le climat d'une époque.

Comprendre les forçages climatiques naturels

• Un forçage radiatif est toute modification du bilan énergétique de la Terre due à un facteur externe. Il peut être positif (réchauffement) ou négatif (refroidissement).

Les paramètres astronomiques (cycles de Milankovitch)

• Excentricité : variation de la forme de l'orbite terrestre (cercle $\rightarrow$ ellipse) selon des cycles de ≈ 100 000 à 400 000 ans $\rightarrow$ module la quantité totale d'énergie solaire reçue $\rightarrow$ forçage radiatif.
• Obliquité : variation de l'inclinaison de l'axe terrestre (entre 22° et 24,5°) selon un cycle de ≈ 41 000 ans $\rightarrow$ module le contraste des saisons.
• Précession des équinoxes : l'axe terrestre tourne lentement comme une toupie selon un cycle de ≈ 23 000 ans $\rightarrow$ modifie la répartition saisonnière de l'énergie reçue.
• Ces cycles expliquent les variations climatiques naturelles à long terme, mais pas le réchauffement rapide actuel.

Les facteurs terrestres

• La dérive des continents modifie les circulations océaniques et atmosphériques.
• L'accrétion océanique (ex. : dislocation de la Pangée au Trias) libère du $\text{CO}_2$ $\rightarrow$ forçage radiatif positif $\rightarrow$ réchauffement.

• Les éruptions explosives injectent du $\text{SO}_2$ dans la stratosphère $\rightarrow$ formation d'acide sulfurique $\rightarrow$ écran solaire $\rightarrow$ forçage radiatif négatif $\rightarrow$ baisse temporaire des températures de 0,5 à 0,6 °C.
• Exemple : éruption du Pinatubo (1991) $\rightarrow$ baisse des températures dans tout l'hémisphère nord en 1992-1993.

• L'albédo est la fraction de l'énergie solaire réfléchie par une surface.
• La glace a un albédo élevé (réfléchit beaucoup) ; l'océan ou le sol nu ont un albédo faible (absorbent beaucoup).
• La fonte des glaces $\rightarrow$ diminution de l'albédo $\rightarrow$ absorption accrue d'énergie $\rightarrow$ rétroaction positive qui amplifie le réchauffement.

Le système climatique et ses rétroactions

• Le système climatique comprend l'atmosphère, l'hydrosphère, la lithosphère, la biosphère et la cryosphère. Ces composantes interagissent et peuvent amplifier ou atténuer les variations climatiques.

La rétroaction de la vapeur d'eau

• La vapeur d'eau est le principal gaz à effet de serre naturel.
• Sa concentration dans l'atmosphère dépend directement de la température : plus il fait chaud $\rightarrow$ plus l'évaporation est importante $\rightarrow$ plus l'air contient de vapeur d'eau $\rightarrow$ plus l'effet de serre est intense.
• C'est une rétroaction positive : elle amplifie toute variation de température, qu'elle soit d'origine naturelle ou anthropique.

La rétroaction de l'albédo

• Rétroaction positive qui s'auto-entretient :
  réchauffement $\rightarrow$ fonte des glaces $\rightarrow$ diminution de l'albédo $\rightarrow$ absorption accrue d'énergie $\rightarrow$ réchauffement supplémentaire.
• Ces rétroactions positives expliquent pourquoi un forçage initial même modeste peut entraîner des variations climatiques importantes.

Le réchauffement climatique actuel

• Depuis la révolution industrielle, les activités humaines modifient la composition de l'atmosphère et amplifient l'effet de serre naturel.

L'effet de serre : mécanisme naturel amplifié

• L'effet de serre est un phénomène naturel et indispensable : il maintient la température moyenne de la Terre à + 15 °C (contre – 18 °C sans atmosphère).
• L'atmosphère absorbe une partie des infrarouges réémis par la Terre et les renvoie vers la surface $\rightarrow$ forçage radiatif positif naturel.
• Depuis la révolution industrielle, les émissions humaines de GES amplifient ce mécanisme → réchauffement climatique.

Les sources anthropiques de GES

• CO₂ : combustion des énergies fossiles (charbon, pétrole, gaz), déforestation (≈ 3,3 milliards de tonnes de $\text{CO}_2$ par an).
• $\text{CH}_4$ (méthane) : élevage (fermentation entérique), rizières, exploitation des combustibles fossiles $\rightarrow$ 28 fois plus réchauffant que le $\text{CO}_2$ par unité de masse.
• $\text{N}_2\text{O}$ (protoxyde d'azote) : engrais azotés, déjections animales $\rightarrow$ représente 13 % des émissions agricoles.
• La combustion des ressources fossiles court-circuite le cycle naturel du carbone : le carbone enfoui depuis des millions d'années est libéré en quelques décennies.

Un réchauffement sans précédent

• En 2016, les températures moyennes étaient supérieures de + 1 °C par rapport à la période préindustrielle.
• Ce réchauffement est sans précédent par sa rapidité : + 1 °C en un siècle, contre des variations naturelles sur des millénaires.
• Les activités humaines sont la cause principale de ce réchauffement depuis plus de 50 ans (consensus scientifique du GIEC).

Les conséquences du réchauffement climatique

Fonte des glaces et élévation du niveau des mers

• Les calottes polaires (Groenland, Antarctique) et les glaciers de montagne perdent de la masse $\rightarrow$ élévation du niveau des océans.
• L'expansion thermique de l'eau (l'eau se dilate en se réchauffant) contribue également à cette hausse.
• Conséquences : inondations des zones côtières, perturbation des circulations océaniques, réduction des ressources en eau douce.

Perturbations du cycle de l'eau

• Augmentation des précipitations dans certaines régions, sécheresses accrues dans d'autres.
• Modification des courants océaniques liée à l'apport d'eau douce et à la baisse de salinité.
• Intensification des événements extrêmes (canicules, tempêtes, inondations).

Acidification des océans

• Le $\text{CO}_2$ dissous dans l'eau de mer forme de l'acide carbonique $\rightarrow$ baisse du pH des océans.
• Menace directe pour les organismes à coquille calcaire et les récifs coralliens.
• Prolifération d'algues (ex. : sargasses aux Antilles) liée aux excès de matière organique $\rightarrow$ zones appauvries en oxygène.

Agir face au changement climatique

Le rôle du GIEC et les scénarios climatiques

• Le GIEC (Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat) évalue objectivement les évolutions climatiques dues aux activités humaines.
• Il publie des scénarios RCP (Representative Concentration Pathways) qui modélisent différentes trajectoires climatiques selon les émissions futures :

• Plus le forçage radiatif est élevé, plus la hausse des températures et du niveau des mers sera importante.

Les accords internationaux

• Convention-cadre des Nations Unies (1992) : premier accord visant à limiter les impacts anthropiques sur le climat.
• Protocole de Kyoto : réduction des émissions de GES de 5 % entre 2008 et 2012 par rapport à 1990, prolongé jusqu'en 2020.
• Accord de Paris / COP21 (2015) = premier engagement universel et contraignant, articulé autour de trois piliers :
• atténuation = contenir la hausse des températures à + 1,5 °C / + 2 °C ;
• adaptation = ajuster les sociétés et les écosystèmes aux changements inévitables ;
• finance = mobiliser les ressources nécessaires, notamment pour les pays les plus vulnérables.
• Plan climat européen (2008) :
• trois objectifs à l'horizon 2020 $\rightarrow$ réduction de 20 % des GES, avoir 20 % d'énergies renouvelables, 20 % d'efficience énergétique ;
• objectif 2030 : réduction de 40 % des émissions par rapport à 1990.

Les leviers d'action

• Développement des énergies renouvelables (solaire, éolien, hydraulique).
• Sobriété énergétique et modification des comportements.
• Réduction des émissions agricoles (alimentation, gestion des élevages).
• Reforestation et protection des forêts (40 % du carbone terrestre stocké dans la végétation et les sols forestiers).
• Investissement dans les technologies bas-carbone.

Pour le bac

☝️ Compétences

Tu dois savoir :

• expliquer les forçages naturels du climat (paramètres astronomiques, volcanisme, albédo, tectonique) et la notion de forçage radiatif ;
• décrire et exploiter les méthodes de reconstitution des paléoclimats (carottes glaciaires, isotopes, palynologie) ;
• expliquer le mécanisme de l'effet de serre, les rétroactions climatiques et les causes du réchauffement actuel ;
• analyser les conséquences du réchauffement et discuter des solutions envisagées ;
• lire et interpréter des scénarios climatiques (RCP).

☝️ À retenir

• Les cycles de Milankovitch expliquent les variations climatiques naturelles à long terme, mais pas le réchauffement actuel.
• Les carottes glaciaires établissent un lien direct entre taux de $\text{CO}_2$ et température sur 800 000 ans.
• Le réchauffement actuel est sans précédent par sa rapidité : + 1 °C en un siècle contre des variations naturelles sur des millénaires.
• L'effet de serre est naturel et indispensable, mais son amplification par les GES anthropiques déstabilise le système climatique.
• Les rétroactions (vapeur d'eau, albédo) sont des amplificateurs des variations climatiques.
• Le forçage radiatif est la notion-clé qui relie les causes aux effets climatiques.
• Les solutions existent mais nécessitent une action collective et urgente à toutes les échelles.

☝️ Mots-clés

paléoclimat – ère quaternaire – période glaciaire – période interglaciaire – carotte glaciaire – $\delta^{18}\text{O}$ – isotopes – palynologie – cycles de Milankovitch – excentricité – obliquité – précession des équinoxes – forçage radiatif – albédo – rétroaction positive – tectonique des plaques – volcanisme – système climatique – effet de serre – GES – $\text{CO}_2$ – $\text{CH}_4$ – $\text{N}_2\text{O}$ – déforestation – fonte des glaces – acidification des océans – expansion thermique – GIEC – scénarios RCP – Accord de Paris – COP21 – atténuation – adaptation – énergies renouvelables

Astuce

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Consulte les cours :

• Comprendre les variations climatiques
• Les méthodes d'observation du climat passé
• Comprendre les conséquences du réchauffement climatique et les possibilités d’actions

Tu peux aussi consulter les ressources suivantes :

• Schéma bilan : La répartition des climats
• Schéma bilan : Le cycle du carbone