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Le climat

La machine climatique - 1ère partie


Pour appréhender le climat sur Terre, il faut analyser la "machine climatique" et d'abord distinguer les paramètres en jeu et leurs interactions.

Publié le 16 décembre 2015

​Météorologie et climat : deux notions distinctes

Météorologie et climat sont deux notions distinctes. La météorologie est l’étude et la prévision des phénomènes atmosphériques sur des périodes courtes et pour des espaces géographiques limités. Les informations traitées sont donc ponctuelles.

La climatologie étudie les familles de conditions météorologiques susceptibles d’affecter les différentes régions sur des périodes de temps longues. Elle fait appel aux diverses sciences de la nature : géographie, géologie, physique, chimie…

Sous le nom de climat, on distingue deux notions différentes. La plus classique, celle apprise dans les cours de géographie, résulte d’une approche spatiale : la Terre est découpée en zones climatiques en fonction des conditions météorologiques qui y règnent aux différentes saisons. L’autre acception du mot climat correspond à une approche temporelle globale : on s’intéresse aux modifications des conditions météorologiques intégrées sur l’ensemble du globe et sur le long terme (30 ans). C’est dans ce deuxième sens qu’il faut le prendre dans ce dossier, qui a pour objet la compréhension du fonctionnement du climat global.

La Terre et le Soleil

La Terre est une boule solide en rotation, entourée de gaz, recouverte d’eau sur 70 % de sa surface, les 30 % émergeant étant très inégalement répartis sur la surface du globe, avec un relief varié.
Cet ensemble reçoit son énergie du Soleil, avec une puissance surfacique quasi constante de 1 368 W/m2 au sommet de l’atmosphère et perpendiculairement aux rayons lumineux. En moyenne, compte tenu du fait que la Terre est une sphère, la puissance reçue à la surface terrestre est de 342 W/m2. Il y a une forte disparité entre les régions équatoriales, où les rayons du Soleil frappent quasi perpendiculairement la surface à midi, et les régions polaires, où l’éclairage rasant n’apporte qu’une faible énergie par unité de surface (le mot climat vient d’ailleurs du grec klima qui veut dire inclinaison).
Le spectre de longueurs d’onde provenant du Soleil est principalement compris entre 0,2 μm dans l’ultraviolet et 4 μm dans le proche infrarouge. La Terre émet vers l’espace de l’énergie (le rayonnement tellurique) sous forme de rayons infrarouges « thermiques » (4 à 100 μm).

On parle d’équilibre radiatif pour le climat lorsque la puissance (solaire) reçue est égale à la puissance réémise par la Terre sous forme de rayonnement infrarouge (voir le chapitre « L’effet de serre »). Cet équilibre radiatif est atteint au niveau global. En revanche, il y a une forte disparité selon les latitudes : aux basses latitudes, l’énergie reçue excède l’énergie rayonnée. Au-delà de 35° de latitude, c’est l’inverse qui se produit. La surface de la Terre est donc en tout lieu en déséquilibre radiatif. En l’absence de transports thermiques, la température devrait être très sensiblement plus élevée que celle que nous connaissons dans la zone intertropicale, et plus froide dès 40° de latitude ; c’est-à-dire qu’il ferait plus chaud dans la majeure partie de l’Afrique et plus froid en France, par exemple.

VidéoLe Soleil, moteur du système climatique ?


Bilan radiatif, moyenne annuelle
bilan radiatif
© Yuvanoe


Le bilan radiatif est la différence entre l’énergie reçue du Soleil et celle réémise vers l’espace, en fonction de la latitude. Cette courbe résulte des campagnes ERBE (Earth Radiation Budget Experiment) de mesures par satellite, depuis 1984, du rayonnement envoyé par la Terre vers l’espace (rayonnement solaire réfléchi et rayonnement tellurique).

Les conditions météorologiques moyennes actuelles existent grâce à la machine climatique, qui transporte vers les hautes latitudes l’excès d’énergie thermique provenant des basses latitudes.
L’atmosphère et l’océan transportent approximativement la même quantité d’énergie. Selon les estimations actuelles (voir schéma ci-dessous), le transport océanique domine aux basses latitudes via le cycle de l’eau ; le transport atmosphérique prend le relais jusqu’aux pôles.


Des facettes multiples

Le fonctionnement de la machine climatique est régi par les lois de la physique (thermodynamique, mécanique des fluides, transfert radiatif…), mais aussi par la chimie et la biologie. Il repose sur des phénomènes variés au sein des enveloppes superficielles de la Terre :

  • la dynamique des deux fluides que sont l’atmosphère et l’hydrosphère (l’eau des océans) ;
  • les processus physico-chimiques des composés qu’ils renferment, et leurs interactions avec la biosphère (végétation continentale, micro-organismes des eaux de surface océanique) en particulier, mais pas uniquement, par le rôle de la photosynthèse ;
  • la formation, la fonte et le comportement de la glace (cryosphère), qu’elle soit marine (banquise) ou continentale (en particulier les grandes calottes du Groenland et de l’Antarctique). Les phénomènes qui régissent le fonctionnement des diverses composantes du système climatique ont des temps d’ajustement très variables. Ainsi, il faut une journée pour le mélange dans la basse troposphère ; un mois pour le mélange des eaux de surface océaniques ; une année pour la disparition des aérosols stratosphériques ; des décennies pour l’élimination de certains gaz à effet de serre ; un millénaire pour boucler la circulation océanique profonde ; des dizaines de milliers d’années pour l’équilibrage isostatique des continents.

À cette hétérogénéité temporelle s’ajoute une grande hétérogénéité spatiale :

  • les particules des aérosols ont des dimensions submicroniques;
  • les gouttes d’eau ou les cristaux de glace des nuages ont des dimensions micrométriques, qui conditionnent leur action dans le transfert radiatif ;
  • la couche de mélange à la surface des océans a une centaine de mètres d’épaisseur ;
  • les calottes de glace couvrent des millions de kilomètres carrés sur des kilomètres de hauteur ;
  • les courants océaniques parcourent des milliers de kilomètres.
Différentes technologies permettent, aujourd’hui, de comprendre le fonctionnement du climat.
© C.Morel/Our Polar Heritage
© C.Morel/Our Polar Heritage
© S.Renard/CEA
© S.Renard/CEA

Le climat concerne les modifications des conditions météorologiques intégrées sur l'ensemble du globe.


La Terre
© StockTrek
Les changements du climat ont un impact sur l’ensemble de la planète.
Transporteur d'énergie
© Yuvanoe/CEA
Transporteur d'énergie
Puissance transportée par la machine climatique (1 pétawatt = 1015 W).
Le transport total est mesuré par satellite. Le transport par l’océan est déduit de données météorologiques. Par différence, on obtient le transport par l’atmosphère.
La puissance transportée est considérable : par comparaison, la puissance moyenne consommée sous toutes ses formes par l’homme n’a été que de
15x1012 W en 2004 (10 000 fois moins).
ReportageLes sciences du climat et de l'environnement - en mission
  • Campagne océanique Indien Sud
    Lors de campagnes océanographiques sur le "Marion Dufresne", des carottes de sédiments marins sont prélevées dans les différents océans. Elles permettent de reconstruire les variations passées du climat et de l'environnement.
    Crédits photo : A.Mazaud/CEA / Date : 20 juin 2011 / Lieu : Ile de la Possession
    Campagne océanique Indien SudAfficher en plein écran
  • Campagne océanique Indien Sud
    Lors des campagnes océanographiques sur le "Marion Dufresne", des carottes de sédiments marins sont prélevées dans les différents océans. Elles permettent de reconstruire les variations passées du climat et de l'environnement.
    Crédits photo : A.Mazaud/CEA / Date : 20 juin 2011
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  • Barge de carottage
    Le scénario de prélèvement des sédiments lacustres est souvent le même. Après une première mission d'acquisition acoustique du fond sédimentaire, il faut monter la barge sur la rive, puis la positionner sur le lac. Vient ensuite la phase de carottage.
    Crédits photo : E. Regnier /CEA / Date : 1 juillet 2016 / Lieu : Slovénie
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  • Observatoire du cycle du carbone
    Observatoire de mesure du CO2 et de l'oxygène, installé au Groenland, dans le cadre du programme RAMCES. Installation d'une ligne de prélèvement d'air.
    Crédits photo : C.Morel/Our polar heritage-CEA / Date : 15 novembre 2007 / Lieu : Ivittuut Groenland
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  • Observatoire du cycle du carbone
    Observatoire de mesure du CO2 et de l'oxygène, installé au Groenland, dans le cadre du programme RAMCES. Au premier plan on distingue le mât, les têtes et les lignes de prélèvement d'air des instruments.
    Crédits photo : M.Delmotte/LSCE/CNRS-CEA-UVSQ / Date : 15 novembre 2007 / Lieu : Ivittut Groenland
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  • Station de mesure des gaz à effet de serre
    Station de mesure des gaz à effet de serre installée sur le campus de Saclay, dans le cadre du réseau Icos.
    Crédits photo : F. Rhodes /CEA / Date : 24 mai 2016 / Lieu : CEA Paris-Saclay
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  • Campagne de forage glaciaire
    Le programme international NEEM de forage profond, au nord ouest du Groenland, a pour but d'obtenir les enregistrements climatiques les plus anciens au Groenland, jusqu'à la période chaude (Eémien) qui a précédé la dernière glaciation, il y a environ 125 000 ans.
    Crédits photo : C.Morel/Our polar heritage-CEA / Date : 16 septembre 2008 / Lieu : Ivittuut Groenland
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  • Installation de capteurs atmosphériques
    Des mesures au sol et aéroportées permettent d'étudier le cycle de vie de la pollution et la caractérisation des polluants, notamment grâce à la campagne ChArMEX (Expérience Méditerranéenne sur la Chimie et les Aérosols atmosphériques).
    Crédits photo : CEA / Date : 6 juillet 2012 / Lieu : Cap Corse
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  • Campagne de forage glaciaire
    Le programme international NEEM de forage profond, au nord ouest du Groenland, a pour but d'obtenir les enregistrements climatiques les plus anciens au Groenland, jusqu'à la période chaude (Eémien) qui a précédé la dernière glaciation, il y a environ 125 000 ans.
    Crédits photo : C.Morel/Our polar heritage-CEA / Date : 16 septembre 2008 / Lieu : Ivittuut Groenland
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  • Prélèvement de neige superficielle
    Les chercheurs analysent la composition isotopique des glaces polaires et les bulles d'air qui y sont piégées pour déterminer la température et la composition atmosphérique à l'époque où la neige s'est déposée, puis transformée en glace. La mission EPICA en Antarctique a montré que les fluctuations des concentrations en gaz à effet de serre sont parallèles à celles des températures depuis 800 000 ans.
    Crédits photo : CEA / Date : 6 décembre 2013 / Lieu : Antarctique - mission EPICA
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  • Mesure du taux de CO2 dans une grotte
    Avant tout prélèvement d'archive dans une grotte, il faut établir un « modèle » de changement de l'eau, mesurer régulièrement la température et le taux de CO2.
    Crédits photo : E. Regnier /CEA / Date : 12 septembre 2013
    Mesure du taux de CO2 dans une grotteAfficher en plein écran
  • Prélèvement d'une carotte d'arbre
    Afin de déterminer le climat passé, des carottes sont prévelées dans les arbres pour l'analyse de leurs cernes et de la cellulose qui les compose.
    Crédits photo : CEA / Date : 29 août 2008 / Lieu : Maroc
    Prélèvement d'une carotte d'arbreAfficher en plein écran