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Le climat à découvert

 | 
Catherine Jeandel
, 
Rémy Mosseri

Deuxième partie. Les mécanismes physico-chimiques en jeu

15. Fonctionnement du climat à différentes échelles de temps

Sylvie Joussaume

Texte intégral

1Le climat varie à différentes échelles de temps, des années aux milliards d’années de l’histoire de la Terre (cf. I-8). Ces variations peuvent résulter des interactions entre les composantes du système climatique* – atmosphère, océans, cryosphère*, biosphère* et lithosphère* (cf. I-3) – et de facteurs externes au système climatique qui modifient le bilan radiatif de la Terre. On qualifie généralement ces facteurs externes de « forçages » dans la mesure où ils induisent des variations du climat sans que celles-ci rétroagissent sur ces facteurs externes. Ces forçages viennent principalement du cosmos ou de l’intérieur de la Terre (cf. VI-1). Ils perturbent le bilan radiatif du système climatique et agissent sur l’équilibre énergétique de la planète. Il s’ensuit des modifications des circulations atmosphériques et océaniques visant à rééquilibrer le système en transportant l’énergie des régions excédentaires vers les régions déficitaires. Les mécanismes internes au système impliquent un jeu de « rétroactions » au sein du système, une action entraînant une réaction du système qui modifie en retour l’action initiale pouvant conduire à des réajustements ou des modifications plus importantes que celles initiées par les forçages externes*.

Le Soleil et la Terre

2Le Soleil, qui est le moteur du fonctionnement du système climatique, est le principal facteur externe des variations du climat (cf. VI-2). Aux courtes échelles de temps, l’énergie émise par le Soleil varie en fonction de son activité suivant des cycles de 11 et 22 ans. Les mesures par satellites montrent cependant que ces variations sont faibles, de l’ordre de 0,1 %, soit une perturbation de 0,24 W/m2 du bilan radiatif au sommet de l’atmosphère. Des cycles plus longs, de 80 et 300 ans, apparaissent également, mis en évidence par les observations passées des taches solaires à la surface du Soleil ainsi que par les variations de la teneur en carbone 14 et en beryllium 10 (cf. II-3).

3L’évaluation de l’intensité des variations de l’activité solaire est cependant délicate. La comparaison au fonctionnement d’autres étoiles a conduit à des estimations de l’ordre de 0,25 % de diminution au moment du Minimum de Maunder au début du XVIIe siècle mais a été revue à la baisse récemment par des modèles du magnétisme solaire. Bien que relativement faibles, ces modulations de l’activité solaire doivent être considérées pour comprendre les fluctuations récentes du climat. Elles contribuent en particulier à la première phase du réchauffement observé entre 1910 et 1940.

4Aux échelles de temps des cycles glaciaires-interglaciaires, la quantité d’énergie reçue sur Terre est modulée par les variations lentes du mouvement de la Terre autour du Soleil. La forme de l’orbite terrestre (excentricité) passe d’un cercle parfait à une ellipse très légèrement aplatie avec des cycles de 100 000 et 400 000 ans et l’inclinaison de l’axe de rotation de la Terre par rapport au plan de son orbite oscille entre 22 et 25° avec une période de l’ordre de 41 000 ans (figure 1). L’axe de la Terre est également animé d’un mouvement de rotation autour de la verticale au plan de l’orbite terrestre ce qui conduit à déplacer la position des saisons (précession). Les variations d’excentricité modulent le bilan d’énergie reçue sur une année à l’échelle du globe alors que l’obliquité et la précession n’en modifient respectivement que la répartition en latitude et la saisonnalité. L’effet de saisonnalité est d’autant plus important que l’excentricité est grande. L’inclinaison de l’axe de rotation joue un rôle particulièrement important aux hautes latitudes alors que la précession agit à travers les variations de la distance Terre-Soleil.

5Ces variations lentes du mouvement de la Terre autour du Soleil provoquent les cycles glaciaires-interglaciaires, en accord avec la théorie publiée par Milutin Milanković en 1941, et régissent les variations climatiques des différentes régions. Leur effet est cependant fortement modulé par les autres interactions au sein du système climatique.

Fig. 1 – Les variations lentes du mouvement de la Terre autour du Soleil sont à l’origine des cycles glaciaires-interglaciaires. L’excentricité caractérise la forme de l’orbite terrestre. L’inclinaison de l’axe de rotation (obliquité) de la Terre oscille entre 22 et 25° et la Terre tourne sur elle-même autour d’un axe perpendiculaire à son orbite provoquant le phénomène de précession des équinoxes

6Sur l’échelle de temps de l’histoire de la Terre, les astrophysiciens étudiant les étoiles estiment que l’énergie émise par le Soleil a augmenté de l’ordre de 30 % (cf. I-2). Cette variation est très importante mais son effet a été tempéré par les changements de composition de l’atmosphère, permettant de conserver des conditions propices au développement de la vie. Lorsque l’énergie émise était réduite, l’atmosphère comprenait davantage de gaz carbonique dans l’atmosphère, comme en témoignent toutes les roches calcaires présentes à la surface de la Terre. Les autres facteurs externes sont liés à la tectonique des plaques. Les éruptions volcaniques refroidissent le climat sur des périodes courtes de l’ordre de 6 mois à un an. Suite à l’éruption du volcan El Chichon au Mexique en 1983, des études ont mis en évidence le rôle réfléchissant des gouttelettes d’acide sulfurique formées dans la stratosphère* par transformation du dioxyde de soufre.

7Aux échelles de temps géologiques, sur des millions d’années, la tectonique des plaques modifie la forme des continents, en particulier des reliefs, et celle des bassins océaniques. Ces facteurs modifient les circulations de l’atmosphère et des océans et donc le climat (cf. I-8). La tectonique agit également sur la composition de l’atmosphère à travers les émissions de gaz carbonique par les volcans.

Mécanismes internes au système climatique

8Les facteurs externes ne sont pas les seules causes de variations du climat. Les interactions internes au système sont également capables de modifier le climat. Observations, approches théoriques et modèles numériques permettent de les mettre en évidence et de mieux en comprendre les mécanismes. Le meilleur exemple est donné par le phénomène El Niño*-Oscillation Australe. Au cours des années 1980, les campagnes de mesures du projet Tropical Ocean Global Atmosphere du Programme Mondial de Recherches sur le Climat ont permis de mieux comprendre le fonctionnement du système. En situation « normale », les eaux du Pacifique tropical sont chaudes à l’ouest du Pacifique et froide à l’est. Ceci induit une ascendance de l’air au-dessus des eaux chaudes et une subsidence au-dessus des eaux froides, ainsi que des vents d’est en surface pour relier ces deux régions. En retour, ces vents favorisent l’accumulation d’eaux chaudes dans l’ouest du Pacifique et une remontée d’eau profonde froide dans l’est. Cette situation est cependant régulièrement interrompue par le phénomène El Niño, ceci environ tous les 2 à 10 ans. Une anomalie de vents dans le Pacifique Ouest provoque un transport d’eaux chaudes vers le centre du Pacifique, le réchauffement des eaux de surface atténue les alizés en surface et diminue les remontées d’eaux froides (cf. II-16). Les eaux de l’est du Pacifique se réchauffent et on parle d’un événement El Niño. Néanmoins, ce phénomène contient en lui-même sa propre fin car s’enclenche un système d’ondes qui relaxe le système vers l’état « normal », ceci en 12 à 18 mois. Lorsque se produisent ces événements El Niño, les régimes des précipitations dans toutes les régions tropicales sont perturbés : sécheresses en Indonésie et en Australie, pluies au Pérou.

Fig. 2 – Schéma en unité logarithmique présentant les principales causes de changements du climat ainsi que quelques exemples caractéristiques de fluctuations climatiques. En rouge et en vert sont distingués les forçages externes* au système climatique, en bleu les réarrangements internes au système et finalement en noir les effets anthropiques. Source : Bard, Leçon inaugurale du Collège de France, 2002

9L’atmosphère seule est également capable de provoquer des variations du climat. Dans l’Atlantique Nord, le climat varie sur des échelles de temps de la décennie. Cette Oscillation Nord-Atlantique se manifeste par des modulations de l’intensité du système basse pression d’Islande/haute pression des Açores. Lorsque le contraste s’accroît (cf. II-16), les vents d’ouest s’intensifient sur l’Atlantique et apportent davantage de pluies (sécheresses) au nord (sud) de l’Europe. Lorsqu’il s’affaiblit, les vents décroissent et la tendance s’inverse : davantage de pluies sur le sud de l’Europe et moins de pluies au nord. Des simulations ont apporté la preuve que des modèles d’atmosphère seuls étaient capables de générer de telles oscillations même si les observations montrent que l’océan Atlantique est affecté par ces variations.

10L’étude des cycles glaciaires-interglaciaires fait ressortir d’autres modes d’interactions internes. Si les mouvements lents de la Terre autour du Soleil sont le moteur des cycles glaciaires, leur intensité est dépendante des modifications de la composition atmosphérique en gaz à effet de serre* (gaz carbonique et méthane). L’analyse des bulles d’air dans les glaces a en effet mis en évidence des variations de leur concentration au cours des cycles glaciaires qui amplifient ces changements (cf. III-16). La biosphère jouerait donc un rôle dans le fonctionnement du système climatique, même si l’ensemble des réactions en jeu reste encore à clarifier (cf. VI-13, VI-6, VI-7).

11Les variations rapides du climat au cours des cycles glaciaires (découvertes par l’analyse des carottes de glace du Groenland et des sédiments* marins de l’Atlantique Nord - cf. III-15) semblent résulter d’interactions entre atmosphère, océans et glaces. Les variations de composition des sédiments marins indiquent la présence massive d’icebergs dans l’Atlantique Nord qui modifient la circulation profonde des océans et provoquent donc ces changements de climat. Les cycles glaciaires-interglaciaires illustrent également le rôle de la lithosphère (cf. II-13). Les calottes de glace provoquent en effet un phénomène lent d’enfoncement du socle rocheux – phénomène d’isostasie – qui diminue l’altitude de ces calottes et facilite la fonte des glaces lors des déglaciations. Différentes approches de modélisation des cycles glaciaires ont en effet montré que ce mécanisme permet de reproduire les phases de déglaciation induites par les variations lentes du mouvement de la Terre autour du Soleil, à la base de la théorie de Milanković*.

L’homme, un nouvel acteur

12Par ses activités et l’augmentation de la population mondiale, l’homme modifie la composition de l’atmosphère. Nous rentrons dans l’ère* de l’Anthropocène qui traduit l’importance de ce nouveau facteur. Les nombreuses études destinées à caractériser l’empreinte des activités humaines s’attachent à déterminer la part des différents termes de forçage et des rétroactions associées dans les changements du climat observés au cours des dernières décennies. La connaissance des forçages et des mécanismes mis en jeu au cours des variations passées du climat, ainsi que la confrontation systématique entre modèles et observations, permettent de renforcer la confiance dans les projections de l’évolution future du climat (cf. VII-5).

Bibliographie

Références bibliographiques

• S. JOUSSAUME - Climat, d’hier à demain, CNRS Éditions, 2000.

• T. J. CROWLEY and G. R. NORTH - Paleoclimatology, Oxford University Press, 1991.

• E. JANSEN and al. - Paleoclimates, in “Physical Basis of Climate Change”, IPCC Fourth Assessment Report, WGI, 2007.

Table des illustrations

Légende Fig. 1 – Les variations lentes du mouvement de la Terre autour du Soleil sont à l’origine des cycles glaciaires-interglaciaires. L’excentricité caractérise la forme de l’orbite terrestre. L’inclinaison de l’axe de rotation (obliquité) de la Terre oscille entre 22 et 25° et la Terre tourne sur elle-même autour d’un axe perpendiculaire à son orbite provoquant le phénomène de précession des équinoxes
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Légende Fig. 2 – Schéma en unité logarithmique présentant les principales causes de changements du climat ainsi que quelques exemples caractéristiques de fluctuations climatiques. En rouge et en vert sont distingués les forçages externes* au système climatique, en bleu les réarrangements internes au système et finalement en noir les effets anthropiques. Source : Bard, Leçon inaugurale du Collège de France, 2002
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Auteur

Climatologue, Directrice de Recherche au CNRS, ancienne Directrice de l’INSU, LSCE, Gif-sur-Yvette.
sylvie.joussaume@lsce.ipsl.fr

© CNRS Éditions, 2011

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