Dix choses qui affectent notre climat Understand article

Traduit par: Mehdi Khadraoui. Les activités humaines continuent d’influencer notre climat à l’échelle globale, mais d’autres mécanismes interconnectés ont aussi leur part de responsabilité.

Il est indéniable que le climat terrestre a changé au cours des périodes géologiques – même avant l’émergence d’Homo sapiens. Au cours de ses 4.6 milliards d’années d’histoire, la Terre a enduré divers extrêmes, des périodes où la planète était quasiment recouverte de glace, à une ère où l’Océan Arctique atteignait une température douce de 23°C.

Ces changements climatiques sont le résultat de l’interaction de nombreux mécanismes, dont les effets varient en magnitude. Au cours du siècle passé, cependant, un facteur en particulier a significativement influencé notre climat : le consensus écrasant des climatologues est que la température globale augmente à cause des émissions de gaz à effet de serre issus des activités humaines.

Afin de révéler l’étendue véritable de notre impact, des scientifiques examinent les processus passés et présents qui, par leur interaction, causent les changements climatiques naturels et ceux induits par l’homme. Nous explorons ici dix de ces mécanismes. Leurs impacts sur le climat terrestre varient, et l’ordre dans lequel ils sont abordés ne reflète pas leur importance.

Antarctica’s Brunt Ice Shelf
Des fissures qui se propagent à travers la Barrière de Brunt en Antarctique sont à deux doigts de relâcher un iceberg de la taille du Grand Londres.
ESA, CC BY-SA 3.0 IGO

1. Sans gaz à effet de serre, la Terre serait une planète gelée

L’effet de serre résulte de gaz dans l’atmosphère terrestre (tels que le dioxyde de carbone, le méthane et l’oxyde nitreux) qui piègent les radiations infra-rouges de la Terre, qui seraient normalement émises dans l’espace. Grâce à ce processus naturel, la surface de la Terre a une température moyenne de 15°Cw1. Sans ces gaz, notre planète aurait une température glaciale de -18°C, et la vie telle que nous la connaissons serait impossible.

Des changements de niveau de gaz à effet de serre peuvent avoir des impacts importants sur le climat global. Par exemple, dans le passé géologique de la Terre, des éruptions volcaniques ou les impacts d’astéroïdes (voir plus bas) ont augmenté le niveau de dioxyde de carbone dans l’atmosphère, menant à des hausses considérables des températures. Dans l’histoire plus récente de la Terre, l’être humain a amplifié ce phénomène naturel.

2. L’être humain intensifie l’effet de serre naturel

Depuis la Révolution Industrielle, les activités humaines ont augmenté la concentration des gaz à effet de serre dans l’atmosphère. Le niveau de dioxyde de carbone a augmenté à cause de la déforestation et de la combustion issue d’énergies fossiles. Les niveaux de méthane ont explosé suite à l’élevage de bétail et à la culture du riz.

À ce jour, l’effet de serre anthropogène a conduit à une augmentation de la température globale d’environ 1.0°C au-dessus des valeurs préindustrielles. Si le réchauffement climatique se poursuit à son rythme actuel, cette augmentation pourrait atteindre 3-4°C d’ici à la fin du siècle. Les scientifiques insistent sur le fait qu’il faut limiter le réchauffement à 1.5°C – une augmentation supplémentaire de 0.5°C au plus par rapport aux valeurs actuellesw2. Pour réussir, nous devons drastiquement réduire nos émissions de gaz à effet de serre. Le point positif est que l’effet de serre lié à l’activité humaine est un mécanisme que nous avons le pouvoir de changer.

Observed and projected global temperature change
Changement des températures observé et prédit. Limiter le réchauffement global à 1.5°C nécessite de réduire drastiquement les émissions de gaz à effet de serre.
Adapté de Special Report on Global Warming of 1.5ºC
IPCC
Global temperature change relative to pre-industrial levels (°C): Changement global des températures relativement aux valeurs préindustrielles (°C);
Human-induced warming to date: Réchauffement induit par l’Homme à ce jour;
Likely increase based on the present rate of warming: Augmentation probable selon le taux de réchauffement actuel;

Modelled range of warming if CO2 emissions decline to net zero in 2055 and other greenhouse gases are reduced after 2030: Modélisation du réchauffement si les émissions nettes de CO2 chutent à zéro en 2055 et si les autres gaz à effet de serre sont réduits après 2030

3. La formation des calottes glaciaires est liée à l’orbite de la Terre

Nous vivons actuellement dans la période glaciaire du Cénozoïque supérieur, qui a commencé il y a 34 millions d’années. La plus récente phase de cette glaciation est le Quaternaire, où la Terre a alterné entre périodes glaciaires et interglaciaires. Les glaces terrestres se sont alors étendues, ou ont rétréci.

Ces périodes glaciaires et interglaciaires sont vraisemblablement dues à des variations de l’orbite de la Terre, appelées cycles de Milankovitchw3. Ces cycles découlent de trois paramètres liés au mouvement de la Terre : son excentricité, son obliquité et sa précession. Respectivement, ces termes décrivent la forme de l’orbite terrestre (plutôt circulaire ou elliptique) ; l’inclinaison de l’axe terrestre par rapport à son orbite ; et l’oscillation de la direction de l’axe de rotation de la Terre.

Par exemple, l’axe de la Terre est actuellement incliné à un angle de 23.5° relativement à la perpendiculaire à son plan orbital, mais cette obliquité varie entre 22° et 25° sur une période d’environ 41’000 ans. Ce changement affecte la quantité de radiation solaire atteignant différentes régions du globe et influence ainsi la formation des calottes glaciaires.

Excentricité orbitale : la forme de l’orbite terrestre change de légèrement elliptique à quasi circulaire sur un cycle d’environ 100’000 ans.
Nicola Graf
Obliquité : l’inclinaison de l’axe de la Terre varie de 22° à 25° (relativement à la perpendiculaire au plan orbital, 0°) sur une période d’environ 41’000 ans.
Nicola Graf
Précession : l’axe de la Terre oscille en décrivant un cercle complet sur une période d’environ 26’000 ans.
Nicola Graf
Earth: Terre;
Sun: Soleil

4. Une faible activité solaire concorde avec des périodes glaciaires

La force du Soleil varie au cours de son cycle d’activité de 11 ans. Lors d’un maximum solaire – lorsque l’activité du Soleil est à son plus haut niveau – un grand nombre de taches solaires (taches plus sombres) et de facules (taches plus claires) apparaissent sur la surface du soleil. L’effet net est une augmentation de la radiation solaire, ce qui peut contribuer à un climat plus chaud. Lors d’un minimum solaire – la période où l’activité solaire est minimale – l’opposé se produitw4.

Un exemple notable est le minimum de Maunder, qui décrit la période de rareté de taches solaires entre 1645 et 1715. Ce minimum solaire a coïncidé avec le milieu du « Petit Âge glaciaire ». Ce n’était pas une vraie glaciation, mais une période où l’Europe et l’Amérique du Nord ont souffert de grands froids. Des foires hivernales ont même été organisées sur la Tamise gelée à Londres, au Royaume-Uni.

Sunspot observations per year since the early 1600s
Observations annuelles de taches solaires depuis le début des années 1600, soulignant les minimums et maximums solaires
Global Warming Art/Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0
Number of sunspots: Nombre de taches solaires;
Maunder Minimum: Minimum de Maunder;
Dalton Minimum: Minimum de Dalton;
Modern Maximum: Maximum moderne;
Sporadic observations prior to c. 1750: Observations sporadiques avant ~1750;
Average monthly measurements since c. 1750: Mesures mensuelles moyennes depuis ~1750

5. L’augmentation d’oxygène a causé un refroidissement

Il y a environ 2.5 milliards d’années, il n’y avait pas d’oxygène dans l’atmosphère terrestre. Même si le Soleil brillait alors moins fort, notre planète était habitable en partie parce que la concentration atmosphérique en méthane était 1000 fois plus élevée qu’elle ne l’est aujourd’hui. Tout ceci a changé avec la Grande Oxygénation, un événement déclenché par la présence de cyanobactéries, ou algues bleuesw5. Ces organismes microscopiques effectuent la photosynthèse et produisent de l’oxygène comme déchet.

Cet oxygène indésirable aurait réagi avec le méthane atmosphérique pour produire du gaz carbonique et de l’eau. Le méthane est 62 fois plus efficace que le gaz carbonique pour réchauffer la planète. Le remplacer par du CO2 a ainsi conduit à une diminution considérable de température, plongeant la Terre dans sa première ère glaciaire – la glaciation huronienne.

6. Le réchauffement peut perturber les courants océaniques

Les courants océaniques et les systèmes éoliens sont importants pour le climat. En conséquence d’un réchauffement différentiel de la Terre où l’équateur est plus chaud que les pôles terrestres, des courants de convexion dans les océans et l’atmosphère déplacent de l’énergie thermique vers les pôles. Ceci constitue la force motrice de la circulation atmosphérique et de la circulation thermohaline dans les océans.

La circulation thermohaline résulte de différences de température et de salinité de l’eauw6. Cela apporte des eaux de surface chaudes depuis les tropiques vers l’Atlantique nord, qui réchauffent ensuite certaines régions d’Europe. Il est à craindre que le réchauffement global cause la fonte des glaces du Groenland, diluant ainsi la salinité de l’Atlantique nord et réduisant la densité de ses eaux. Si l’eau n’est plus assez dense pour s’enfoncer dans les profondeurs, la circulation thermohaline pourrait être perturbée.

Thermohaline circulation of the world’s oceans
La circulation thermohaline des océans du monde, provoquée par les différences de salinité et de température de l’eau. Les tracés bleus représentent des courants océaniques profonds et les tracés rouges représentent les courants de surface.
Nicola Graf
Atlantic Ocean: Océan Atlantique;
Indian Ocean: Océan Indien;
Pacific Ocean: Océan Pacifique;
Warm shallow current: Courant superficiel chaud;
Cold and salty deep current: Courant de profondeur froid et salé

7. Les impacts d’astéroïdes ont causé des catastrophes climatiques

Il y a environ 66 millions d’années, l’astéroïde de Chicxulub d’un diamètre de 10km est entré en collision avec la Terre, provoquant la disparition des dinosauresw7. L’impact a projeté tellement de poussière dans la stratosphère que cela aurait bloqué 50% de la lumière du Soleil qui atteignait la Terre. Cet événement aurait ainsi nuit à la photosynthèse et conduit à l’effondrement de la chaîne alimentaire. Il aurait aussi produit une chute dramatique des températures globales, plongeant la Terre dans un « hiver d’impact » qui aurait duré une décennie.

Cependant, une fois que la poussière est retombée, la Terre aurait encouru un réchauffement global rapide, causé par le gaz carbonique relâché par l’impact lui-même (l’astéroïde aurait brisé des roches carbonatées) et par des feux de forêt ultérieurs qui se sont propagés autour de la Terre.

D’autres extinctions de masse majeures (telles que les extinctions Permien-Trias et Trias-Jurassique) auraient aussi été causées par des impacts d’astéroïdes, bien qu’aucun cratère n’ait été trouvé. 

8. La tectonique des plaques peut réchauffer ou refroidir la planète

L’Himalaya – formé après la collision entre les plaques tectoniques indienne et eurasiatique – est un bon exemple de l’impact potentiel de la tectonique des plaques sur le climat. Au cours des derniers 50 millions d’années, la montée de l’Himalaya a exposé de nouvelles roches à l’altération chimique. Lors de ce processus, le gaz carbonique de l’atmosphère se lie à certains minéraux dans la roche, réduisant ainsi la concentration atmosphérique de CO2 et refroidissant la planète.

La tectonique des plaques peut aussi avoir une forte influence sur les courants océaniques. Par exemple, la création des passages de Tasmanie et de Drake – lorsque les continents austro-asiatique et sud-américain ont été séparés de l’Antarctique – a mené à la formation du courant circumpolaire antarctique il y a plus de 30 millions d’années. Le courant a amené de l’eau froide des profondeurs de l’Antarctique vers la surface. Cette activité tectonique – combinée à l’enfouissement de dioxyde de carbone atmosphérique dans l’Himalaya – aurait provoqué la glaciation du Cénozoïque supérieur. Les scientifiques peuvent prédire où les plaques se déplaceront au cours des prochains 250 millions d’annéesw8.

9. Les éruptions volcaniques ont des effets mixtes

Les éruptions volcaniques sont une autre conséquence de la tectonique des plaques qui affecte le climat de la Terre. Leurs effets peuvent durer de quelques jours à plusieurs décennies. La grande quantité de gaz carbonique émise par les volcans peut réchauffer la planète sur le long terme, alors que la poussière et le dioxyde de soufre dégagés dans l’atmosphère peuvent bloquer les radiations solaires, menant à un refroidissement global dans le court termew9.

L’éruption du Pinatubo aux Philippines en 1991 a dégagé 17 millions de tonnes de dioxyde de soufre dans la stratosphère. Cela a provoqué un nuage de gouttelettes d’acide sulfurique qui a bloqué la lumière du Soleil et réduit les températures mondiales d’environ 0.4°C pendant deux ans.

Hot volcanic ash erupting from Mount Pinatubo
Des cendres chaudes éjectées par le Pinatubo le 12 juin 1991, trois jours avant l’éruption principale
Dave Harlow/USGS/Wikimedia Commons, domaine public

10. La couverture nuageuse complique le réchauffement climatique

Les nuages ont d’importantes conséquences pour le climat de la planète. Des nuages bas et épais refroidissent la surface de la Terre, alors que de hauts nuages fins la réchauffent. La formation des nuages nécessite des aérosols – de minuscules particules en suspension dans l’atmosphère. Ils agissent comme de petites « graines » sur lesquelles de la vapeur d’eau se condensew10. Les aérosols sont bien plus que ce que l’on trouve dans une bombe de laque. Ils peuvent être naturels (tels que la poussière ou le sel marin) ou d’origine humaine (tels que les polluants ou la fumée). Une augmentation en aérosols anthropogènes pourrait contrebalancer le réchauffement climatique.

L’expérience CLOUD au CERN améliore notre compréhension des aérosols et des nuages. Son but est d’examiner l’influence possible des rayons cosmiques sur la formation des nuagesw11. Ces rayons sont formés de particules subatomiques qui proviennent de supernovas hors du système solaire, et pourraient influencer la couverture nuageuse à travers la formation de nouveaux aérosols.

Remerciements

L’auteur et les éditeurs souhaitent remercier Dr. Anwar Khan du groupe de recherche en chimie atmosphérique à l’Université de Bristol, Royaume-Uni, pour son aide précieuse avec cet article.

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Web References

  • w1 – Dans une vidéo de « MinuteEarth », apprenez comment les gaz à effet de serre fonctionnent et régulent la température de notre planète (en anglais).
  • w2 – L’Office for Climate Education (OCE) a produit un résumé pour les enseignants (en anglais) du Special Report on Global Warming of 1.5°C (SR15) par le Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat.
  • w3 – Regardez une video donnant des explications complètes sur les cycles de Milankovitch et comment ils modifient notre climat (en anglais).
  • w4 – Un compte-rendu dynamique de « SciShow Space » explique comment le Soleil affecte notre climat (en anglais).
  • w5 – Regardez une explication engageante de la Grande Oxygénation (en anglais).
  • w6 – Apprenez-en plus sur la circulation thermohaline dans une vidéo YouTube (en anglais).
  • w7 – Dans une vidéo de 3 minutes, BBC Earth explique comment l’impact de Chicxulub a mené les dinosaures à l’extinction (en anglais).
  • w8 – Regardez une animation de la prédiction des mouvements des continents sur la surface de la Terre à cause de la tectonique des plaques.
  • w9 – Une vidéo de 2 minutes décrit comment les volcans peuvent changer notre climat (en anglais).
  • w10 – Regardez un clip TED-Ed expliquant l’effet potentiel des aérosols sur notre climat (en anglais).
  • w11 – L’expérience CLOUD au CERN est décrite en de plus amples détails sur le site internet du CERN.

Resources

  • Téléchargez gratuitement le manuel d’introduction suivant sur les sciences climatiques sur le site de « Bookboon » (en anglais) :
    • Sloan T (2016) Introductory Climate Science: Global Warming Explained 1st edition. Aberystwyth, UK: Aberystwyth University. ISBN: 9788740314083

Author(s)

Mike Follows est un enseignant en physique à la King Edward’s School à Birmingham, Royaume Uni. Avant d’obtenir son doctorat en physique des températures ultrabasses, il a passé une décennie à travailler pour le British Met Office. Il est donc peu surprenant qu’il soit intéressé par les problèmes globaux et comment la physique aide à les expliquer – et pourraient aider à les résoudre.


Review

Le changement climatique est un problème important pour de nombreux écoliers autour du monde, comme en témoignent les récentes campagnes étudiantes visant à attirer l’attention des gouvernements et à demander une action immédiate pour arrêter le réchauffement climatique. Cet article dissèque les mécanismes qui influencent les changements climatiques et peut être utilisé comme point de départ pour une discussion des impacts de l’activité humaine sur le climat et ses conséquences pour la Terre.

Les élèves pourraient aussi penser à des mesures qu’ils pourraient prendre pour aider à préserver la planète. De plus, l’étude des mécanismes qui influencent le climat permet d’utiliser la biologie, les sciences de la terre et la physique simultanément, soulignant la nature interdisciplinaire des sciences naturelles.

De potentiels sujets de discussion :

  • Que sont les gaz à effet de serre ? Donnez deux exemples.
  • Sans gaz à effet de serre, quelle serait la température moyenne de la surface de la Terre ?
  • Que se passe-t-il sur la surface du Soleil lors d’un maximum solaire ?
  • Quel était l’effet de l’augmentation des niveaux d’oxygène dans l’atmosphère sur les températures de la Terre ?
  • Qu’est-ce qui régule la circulation thermohaline ?
  • Quel serait l’effet de l’impact d’un astéroïde sur les températures de la Terre ?
  • Comment les éruptions volcaniques peuvent-elles affecter le climat de la Terre ?

Mireia Güell Serra, enseignante de chimie et mathématiques, INS Cassà de la Selva, Espagne




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