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Introduction au Système Terre, Climat, Énergies - CM1

Ce cours introductif pose les bases de la compréhension du système climatique terrestre, en distinguant la météorologie de la climatologie et en explorant les facteurs naturels et anthropiques des variations climatiques.

Météorologie vs. Climatologie

• Météorologie : Étude des phénomènes atmosphériques (température, précipitations) sur des échelles de temps courtes (quelques heures ou jours).

• Climatologie : Étude des successions de phénomènes météorologiques sur une longue période (minimum 30 ans), incluant les précipitations, la couverture de glace, les vents et la température.

Cyclicité des climats

Le climat terrestre a toujours connu des variations naturelles sur différentes échelles de temps, comme en témoignent les changements quaternaires.

Exemple : L'Europe occidentale il y a 18 000 ans était couverte de glace, illustrant des changements climatiques naturels sur des périodes de 330 000 ans.

Causes naturelles des variations du climat

Les variations climatiques naturelles sont influencées par plusieurs facteurs :

• Les facteurs astronomiques (cycles de Milankovitch).

• L'activité solaire.

• Les éruptions volcaniques.

• Les variations de la composition atmosphérique naturelle.

L'Homme, moteur du climat actuel

Aujourd'hui, l'activité humaine est devenue un facteur prépondérant des changements climatiques. La concentration des gaz à effet de serre a considérablement augmenté entre l'an 1000 et l'an 2000, avec une part anthropique significative.

Exemple : Le glacier du Rhône a diminué de 1415 m entre 1879 et 2017, et sa disparition à 90 % est prévue d'ici 2100, malgré des mesures comme l'installation de bâches blanches.

Le rôle des climatologues

Les climatologues analysent l'ensemble des enveloppes fluides et solides de la Terre pour comprendre les variations du climat. Ils s'appuient sur les archives paléoclimatiques pour modéliser les changements climatiques actuels et futurs.

Structure du cours "Climat, Énergies"

1. Le système climatique actuel (CM1 à 4 + TP1)

2. Les climats du passé (CM5 à 7 + TP2)

3. Le GIEC (Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat) (CM8 + TP3)

4. Les énergies nouvelles (CM9 et 10 + TP4)

Ouvrages de référence

• « Atmosphère, océan et climat » par R. Delmas et al.

• « Climatologie et Paléoclimatologie » par A. Foucault.

• « Earth's Climate Past and Future » par W.F. Ruddiman.

CM1 - Énergie solaire et Bilan radiatif

Introduction

Le terme climat vient du grec « klima » signifiant inclinaison, en référence à l'inclinaison des rayons du Soleil sur la Terre, qui est un facteur clé de la répartition de l'énergie solaire.

I/ L'énergie solaire

L'énergie solaire est la principale source d'énergie pour la Terre (99,7 % de l'énergie entrante). Elle est responsable de la création de zones climatiques dues à sa répartition non uniforme.

Rayonnement solaire non uniforme

La rotondité de la Terre fait que l'énergie solaire reçue par mètre carré dépend de l'angle entre la surface et le rayonnement. Les régions polaires reçoivent moins d'énergie par unité de surface que les régions équatoriales.

Les cycles de Milankovitch

Ces cycles décrivent les variations de l'orbite terrestre et de l'inclinaison de son axe, influençant la quantité et la répartition de l'énergie solaire reçue sur Terre. L'obliquité (inclinaison de l'axe de rotation de la Terre par rapport au plan de l'écliptique) est un paramètre crucial.

La température globale

La température globale d'une planète est fonction de l'énergie qu'elle reçoit et de l'énergie qu'elle émet. Les facteurs à prendre en compte sont :

1. Les facteurs astronomiques.

2. L'atmosphère.

3. L'hydrosphère/cryosphère.

4. La biosphère.

5. La lithosphère.

Le Bilan radiatif

Le bilan radiatif quantifie l'énergie reçue et perdue par le système climatique terrestre. Lorsque ce bilan est nul, la température moyenne de la planète reste stable.

• Tout corps ayant une température supérieure au zéro absolu (environ ) émet un rayonnement électromagnétique.

• Le Soleil, avec une température moyenne de 6000°K, émet un rayonnement solaire terrestre.

• La Terre, avec une température moyenne de 15°C (288°K), émet un rayonnement infrarouge.

Quantifier l'énergie solaire reçue sur Terre

• La puissance solaire émise par le Soleil est constante : .

• La constante solaire est le flux solaire reçu sur une surface d'1m² située à 1 Unité Astronomique (UA) du Soleil et exposée perpendiculairement aux rayons, soit environ .

• La puissance solaire totale reçue par la Terre est calculée en multipliant la constante solaire par la surface d'un disque plat immobile de rayon terrestre (), soit .

• En répartissant cette puissance sur la surface totale de la sphère terrestre (grâce à la rotation de la Terre, l'atmosphère et l'océan), on obtient une puissance solaire moyenne reçue par mètre carré de .

II/ La composition atmosphérique

L'atmosphère est une enveloppe gazeuse qui rend la vie possible sur Terre. Elle est plus dense à la base, mais la proportion des gaz reste globalement équivalente au sein des couches.

Structure de l'atmosphère

Les couches atmosphériques sont définies par leurs propriétés thermiques :

• Troposphère : Couche la plus basse, où se produisent la plupart des phénomènes météorologiques.

• Stratosphère : Contient la couche d'ozone.

• Mésosphère.

• Thermosphère.

• Exosphère.

Propriétés de l'atmosphère

L'atmosphère interagit avec les rayonnements solaires :

• Réflexion : Une partie est renvoyée vers l'espace.

• Diffusion : Le rayonnement est dispersé dans différentes directions.

• Absorption : Certains gaz absorbent des longueurs d'onde spécifiques.

L'ozone

L'ozone () est crucial car il absorbe les rayons UV nocifs. Les composés organiques halogénés, comme les chlorofluorocarbures (CFC), interagissent avec l'ozone et peuvent le détruire.

III/ Le Bilan radiatif

Le bilan radiatif quantifie l'énergie reçue et perdue par le système climatique terrestre. Pour une température constante sur Terre, il doit y avoir un équilibre énergétique dynamique entre la puissance du rayonnement solaire absorbé et la puissance du rayonnement infrarouge thermique renvoyé vers l'espace.

1. L'Albédo

L'albédo est la fraction de l'énergie solaire réfléchie ou diffusée par une surface. Il est calculé par la formule :

• L'albédo moyen de la Terre est de 0,3, ce qui signifie que 70 % du rayonnement solaire est absorbé et transformé en chaleur.

• Les surfaces claires (neige, glace) ont un albédo élevé (jusqu'à 0,9), tandis que les surfaces sombres (océans, forêts) ont un albédo faible.

• Une Terre entièrement couverte de glace ("boule de neige") renverrait plus de 90 % de l'énergie solaire, comme cela s'est produit lors des glaciations du Protérozoïque (720 et 635 Ma).

2. Absorption par la surface

Une partie du rayonnement solaire non réfléchie est absorbée par les continents et les océans, entraînant une augmentation des températures.

3. Le filtre atmosphérique

L'atmosphère est relativement opaque au rayonnement infrarouge (IR) émis par la Terre. Une partie de ce rayonnement est absorbée par les gaz à effet de serre (GES), tels que :

• (vapeur d'eau)

• (dioxyde de carbone)

• (ozone)

• (méthane)

• (protoxyde d'azote)

Ces gaz piègent la chaleur, maintenant la température moyenne du globe à . Sans eux, elle serait de . Environ 23 % du rayonnement IR est absorbé par les GES (environ ).

4. Équilibre énergétique

L'équilibre énergétique du système Terre-atmosphère est complexe :

• Bilan au sommet de l'atmosphère : Nul (énergie entrante = énergie sortante).

• Bilan atmosphérique : Déficitaire (l'atmosphère perd plus d'énergie qu'elle n'en absorbe directement du Soleil).

• Bilan à la surface : Excédentaire (la surface absorbe plus d'énergie qu'elle n'en émet directement).

Cet équilibre est maintenu par des transferts d'énergie entre la surface et l'atmosphère, notamment par l'évaporation de l'eau (chaleur latente).

Conclusion - Acquisition des connaissances

1) Rôle de l'énergie solaire sur les climats de la Terre

• Comprendre la nature du rayonnement solaire.

• Expliquer les raisons de la répartition hétérogène de ces rayonnements sur Terre.

2) Propriétés de l'atmosphère

• Connaître sa composition.

• Maîtriser les propriétés et épaisseurs des couches atmosphériques (notamment la Troposphère et la Stratosphère).

3) Explication du Bilan radiatif et mécanismes associés

• Définir le bilan radiatif et son rôle dans le maintien d'une température moyenne terrestre.

• Connaître les paramètres impactant le bilan radiatif : Albédo, Absorption de Surface, Filtre atmosphérique.

• Identifier les zones à forte absorption et émission de rayonnements, ainsi que celles à fort albédo.