La complexité du système climatique
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Science, climat et société
Un système couplé et ses rétroactions
Le climat n'est pas une simple moyenne de températures : c'est le comportement d'un système, c'est-à-dire d'un ensemble de composantes qui échangent en permanence énergie, eau et carbone. Toucher à l'une d'elles, c'est en modifier plusieurs autres — et c'est de là que vient toute la difficulté de la prévision.
Le moteur : un déséquilibre énergétique entre l'équateur et les pôles
Aux basses latitudes, les rayons du Soleil arrivent presque à la verticale : l'énergie reçue par mètre carré y est excédentaire. Aux hautes latitudes, les rayons sont rasants, l'albédo des glaces est fort : le bilan y est déficitaire. La Terre n'est pourtant pas coupée en deux : l'atmosphère et l'océan transportent l'énergie de l'équateur vers les pôles.
Dans l'atmosphère, ce transport passe par de grandes boucles de convection, dont les cellules de Hadley de part et d'autre de l'équateur. Dans l'océan, il passe par les grands courants de surface — le Gulf Stream par exemple — et par la circulation thermohaline, une boucle profonde à l'échelle du globe.
Les rétroactions : le cœur de la complexité
Quand une perturbation modifie le climat, elle déclenche des effets en chaîne qui reviennent agir sur la perturbation initiale. C'est une rétroaction (ou feedback).
Une rétroaction est positive si elle amplifie la perturbation de départ, négative si elle l'atténue.
| Rétroaction | Enchaînement | Signe |
|---|---|---|
| Albédo des glaces | Réchauffement → fonte de la banquise → albédo plus faible → plus d'énergie absorbée → réchauffement accru | Positive |
| Vapeur d'eau | Réchauffement → plus d'évaporation → plus de vapeur d'eau (gaz à effet de serre) → réchauffement accru | Positive |
| Pergélisol | Réchauffement → dégel des sols gelés → libération de CO2 et de méthane → réchauffement accru | Positive |
| Rayonnement thermique | Réchauffement → la surface émet davantage (P = sigma × T⁴) → plus de pertes vers l'espace → réchauffement freiné | Négative |
| Puits de carbone | Plus de CO2 → photosynthèse et dissolution océanique renforcées → une partie du CO2 est retirée de l'air | Négative |
Science, climat et société
Cycle du carbone, variabilité et modèles
Le carbone circule sans cesse entre quatre grands réservoirs : l'atmosphère, l'océan, la biosphère continentale (végétation et sols) et la lithosphère (roches et combustibles fossiles). Le carbone terrestre s'exprime en gigatonnes de carbone (GtC) : 1 GtC = 1 milliard de tonnes.
Des réservoirs très inégaux
- Atmosphère : environ 870 GtC aujourd'hui (contre environ 590 GtC avant l'ère industrielle).
- Océan : environ 38 000 GtC — de loin le plus gros réservoir mobile, plus de 40 fois l'atmosphère.
- Biosphère continentale et sols : environ 2 000 à 3 000 GtC.
- Lithosphère (carbonates et fossiles) : des dizaines de millions de GtC, mais avec des échanges très lents.
Avant l'ère industrielle, les flux naturels s'équilibraient : ce que l'atmosphère perdait par photosynthèse et dissolution océanique, elle le regagnait par respiration, décomposition et dégazage. Les activités humaines ajoutent aujourd'hui un flux d'environ 10 GtC par an (combustibles fossiles, ciment, déforestation). Environ 55 % de ce surplus est absorbé par l'océan et la biosphère, qui jouent le rôle de puits de carbone ; le reste, environ 4,5 GtC par an, s'accumule dans l'atmosphère.
La variabilité naturelle : le bruit autour de la tendance
Le climat varie aussi sans intervention humaine, sur des échelles de temps très différentes :
Quelques années — le phénomène El Niño réchauffe le Pacifique équatorial et fait monter la température moyenne du globe d'environ 0,1 à 0,2 °C ; La Niña fait l'inverse.
Quelques années également — une éruption volcanique majeure injecte des aérosols soufrés dans la stratosphère, qui réfléchissent le rayonnement solaire : le Pinatubo, en 1991, a refroidi la planète d'environ 0,5 °C pendant deux ans.
Dizaines de milliers d'années — les paramètres orbitaux de la Terre (excentricité, obliquité, précession) modifient lentement la répartition de l'énergie solaire reçue et rythment l'alternance des périodes glaciaires et interglaciaires.
Modéliser : à quoi servent les modèles climatiques
Un modèle climatique découpe l'atmosphère et l'océan en une grille de mailles et applique, dans chaque maille, les lois de la physique : conservation de l'énergie, mécanique des fluides, transferts radiatifs. Il est validé en vérifiant qu'il reproduit correctement les climats passés — dernier maximum glaciaire, refroidissement du Pinatubo, réchauffement du XXᵉ siècle — avant d'être utilisé en projection.
Les modèles ne prétendent pas donner la météo d'un jour donné en 2080 : ils décrivent des tendances statistiques. On les fait tourner plusieurs fois, avec des paramètres légèrement différents, pour obtenir non pas une valeur unique mais une fourchette d'incertitude.
Exercices corrigés
Qu'est-ce qu'une rétroaction positive dans le système climatique ?
- A.Un enchaînement d'effets qui amplifie la perturbation initialeBonne réponse
- B.Un enchaînement d'effets bénéfique pour les êtres vivants
- C.Un enchaînement d'effets qui ramène le système à son état de départ
- D.Une augmentation de la température toujours suivie d'une baisse
Réponse : A — Un enchaînement d'effets qui amplifie la perturbation initiale
Le mot « positive » qualifie le sens de l'effet, pas sa valeur morale : une rétroaction positive renforce la perturbation qui l'a déclenchée. C'est le cas de la fonte des glaces, qui abaisse l'albédo et accroît donc le réchauffement. Une rétroaction qui ramènerait le système vers son état initial serait une rétroaction négative, donc stabilisatrice.
Quel est le rôle du GIEC ?
- A.Réaliser lui-même les mesures de température sur tout le globe
- B.Fixer les objectifs contraignants de réduction des émissions des États
- C.Évaluer et synthétiser l'ensemble des travaux scientifiques publiés sur le climatBonne réponse
- D.Financer la recherche climatique dans les universités
Réponse : C — Évaluer et synthétiser l'ensemble des travaux scientifiques publiés sur le climat
Le GIEC (Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat) ne fait pas de recherche originale et ne mesure rien lui-même : il rassemble des scientifiques qui évaluent les milliers d'articles publiés, en dégagent ce qui fait consensus et associent à chaque conclusion un degré de confiance. Les objectifs de réduction, eux, relèvent des négociations politiques entre États, comme lors de l'Accord de Paris.
Une année, 4,2 GtC s'accumulent dans l'atmosphère. Sachant que 2,1 GtC correspondent à environ 1 ppm de CO2, de combien la teneur augmente-t-elle ?
- A.D'environ 0,5 ppm
- B.D'environ 8,8 ppm
- C.D'environ 2 ppmBonne réponse
- D.D'environ 4,2 ppm
Réponse : C — D'environ 2 ppm
Il suffit de diviser la masse de carbone accumulée par la masse correspondant à 1 ppm : 4,2 / 2,1 = 2 ppm. Répondre 0,5 ppm, c'est faire la division à l'envers (2,1 / 4,2). Répondre 8,8 ppm, c'est multiplier au lieu de diviser. Cet ordre de grandeur de 2 ppm par an correspond bien à ce qu'observe la station de Mauna Loa depuis plusieurs décennies.
Comment valide-t-on un modèle climatique avant de l'utiliser en projection ?
- A.En vérifiant qu'il donne le même résultat que tous les autres modèles
- B.En vérifiant qu'il reproduit correctement des climats passés déjà connus par les mesuresBonne réponse
- C.En attendant plusieurs décennies pour comparer sa prévision à la réalité
- D.En demandant à des experts s'ils le trouvent convaincant
Réponse : B — En vérifiant qu'il reproduit correctement des climats passés déjà connus par les mesures
Un modèle est mis à l'épreuve sur des situations dont on connaît déjà le résultat : le dernier maximum glaciaire, le refroidissement qui a suivi l'éruption du Pinatubo, l'évolution des températures du XXᵉ siècle. S'il les restitue correctement à partir des seules lois physiques, sa capacité de projection devient crédible. Un accord entre modèles est intéressant, mais ce serait un raisonnement circulaire d'en faire le critère de validation : tous pourraient partager la même erreur.
Une année, les émissions humaines atteignent 12 GtC. L'océan en absorbe 25 % et la biosphère continentale 30 %. Combien de GtC s'accumulent dans l'atmosphère ?
- A.6,6 GtC
- B.3,0 GtC
- C.5,4 GtCBonne réponse
- D.12 GtC
Réponse : C — 5,4 GtC
La part absorbée vaut 25 % + 30 % = 55 %, soit 0,55 × 12 = 6,6 GtC. Il reste donc 12 − 6,6 = 5,4 GtC dans l'atmosphère. On peut aussi calculer directement la part restante : 100 − 55 = 45 %, et 0,45 × 12 = 5,4 GtC. Les deux méthodes donnent le même résultat, ce qui te sert de vérification. Répondre 6,6 GtC, c'est donner la part absorbée au lieu de la part restante — relis toujours ce que demande l'énoncé.
Quelles sont les cinq composantes du système climatique ?
- A.Atmosphère, stratosphère, troposphère, ionosphère, exosphère
- B.Océans, continents, montagnes, déserts, forêts
- C.Atmosphère, hydrosphère, cryosphère, biosphère, lithosphère et surfaces continentalesBonne réponse
- D.Soleil, atmosphère, océan, volcans, êtres humains
Réponse : C — Atmosphère, hydrosphère, cryosphère, biosphère, lithosphère et surfaces continentales
Le système climatique regroupe cinq enveloppes qui échangent en permanence énergie, eau et carbone : l'atmosphère, l'hydrosphère (océans et eaux continentales), la cryosphère (glaces), la biosphère (le vivant) et la lithosphère avec les surfaces continentales. La première option ne cite que des couches de l'atmosphère : elle décrit une seule composante découpée en tranches.
La fonte de la banquise diminue l'albédo des régions polaires. Quel type de rétroaction cela déclenche-t-il ?
- A.Une rétroaction négative, car la glace disparaît
- B.Aucune rétroaction : l'albédo n'a pas d'effet sur la température
- C.Une rétroaction négative, car l'océan est plus froid que la glace
- D.Une rétroaction positive, car l'océan sombre absorbe plus d'énergie et amplifie le réchauffementBonne réponse
Réponse : D — Une rétroaction positive, car l'océan sombre absorbe plus d'énergie et amplifie le réchauffement
La glace a un albédo très élevé (0,8 à 0,9) : elle renvoie la majeure partie du rayonnement solaire. L'océan, sombre, a un albédo inférieur à 0,1 : il absorbe presque tout. Quand la banquise fond, l'énergie absorbée augmente, la température monte, et la fonte s'accélère. La perturbation est amplifiée : c'est bien une rétroaction positive, l'une des raisons pour lesquelles l'Arctique se réchauffe deux à trois fois plus vite que la moyenne du globe.
Quel est, à la surface du globe, le plus grand réservoir mobile de carbone ?
- A.L'atmosphère
- B.L'océanBonne réponse
- C.La végétation terrestre
- D.Les sols cultivés
Réponse : B — L'océan
L'océan contient environ 38 000 GtC, soit plus de quarante fois le contenu de l'atmosphère (environ 870 GtC aujourd'hui). La biosphère continentale et les sols réunis représentent 2 000 à 3 000 GtC. La lithosphère est encore plus riche, mais ses échanges se comptent en millions d'années : on ne la classe pas parmi les réservoirs mobiles à l'échelle humaine.
Quel est l'effet, sur le climat mondial, d'une éruption volcanique majeure comme celle du Pinatubo en 1991 ?
- A.Un réchauffement durable, car le volcan émet du CO2
- B.Un refroidissement de quelques dixièmes de degré pendant un à trois ansBonne réponse
- C.Aucun effet mesurable à l'échelle du globe
- D.Un refroidissement qui se poursuit pendant plusieurs siècles
Réponse : B — Un refroidissement de quelques dixièmes de degré pendant un à trois ans
Une éruption explosive injecte des aérosols soufrés dans la stratosphère. Ces fines particules réfléchissent une partie du rayonnement solaire et refroidissent la surface : environ 0,5 °C après le Pinatubo. Mais elles retombent en un à trois ans, et l'effet disparaît. Le CO2 volcanique existe bien, mais il représente moins de 1 % des émissions humaines annuelles : son effet réchauffant est négligeable face au forcage des aérosols à court terme.
Qu'est-ce qui met en mouvement la circulation thermohaline ?
- A.La rotation de la Terre sur elle-même
- B.L'attraction gravitationnelle de la Lune
- C.Les vents dominants d'ouest des latitudes moyennes
- D.Les différences de densité de l'eau de mer, liées à sa température et à sa salinitéBonne réponse
Réponse : D — Les différences de densité de l'eau de mer, liées à sa température et à sa salinité
Son nom le dit : thermo pour la température, halin pour la salinité. Aux hautes latitudes de l'Atlantique Nord, l'eau se refroidit et se charge en sel lorsque la banquise se forme : elle devient plus dense et plonge, entraînant toute la boucle profonde. La Lune commande les marées, et les vents entraînent les courants de surface — mais ni l'un ni l'autre ne pilotent la circulation profonde.
Pourquoi existe-t-il un transport d'énergie de l'équateur vers les pôles ?
- A.Parce que les basses latitudes reçoivent un excédent d'énergie solaire et les hautes latitudes un déficitBonne réponse
- B.Parce que l'air chaud est plus dense que l'air froid
- C.Parce que la Terre tourne d'ouest en est
- D.Parce que l'effet de serre est plus intense au-dessus des pôles
Réponse : A — Parce que les basses latitudes reçoivent un excédent d'énergie solaire et les hautes latitudes un déficit
Près de l'équateur, les rayons solaires arrivent presque à la verticale : l'énergie reçue par mètre carré est maximale et le bilan est excédentaire. Aux pôles, les rayons sont rasants et l'albédo des glaces est élevé : le bilan est déficitaire. Ce déséquilibre est le moteur des circulations atmosphérique (cellules de Hadley) et océanique, qui redistribuent l'énergie. Attention à la deuxième option : l'air chaud est moins dense que l'air froid, c'est pour cela qu'il s'élève.
Un réchauffement augmente l'évaporation, donc la teneur de l'air en vapeur d'eau. Quelle est la conséquence climatique ?
- A.Un refroidissement, car les nuages réfléchissent le rayonnement solaire et compensent toujours
- B.Un réchauffement supplémentaire, car la vapeur d'eau est un gaz à effet de serre : c'est une rétroaction positiveBonne réponse
- C.Aucun effet, car la vapeur d'eau finit toujours par retomber en pluie
- D.Un réchauffement, mais qui constitue une rétroaction négative
Réponse : B — Un réchauffement supplémentaire, car la vapeur d'eau est un gaz à effet de serre : c'est une rétroaction positive
La vapeur d'eau est le gaz à effet de serre le plus abondant. Un air plus chaud peut contenir davantage de vapeur : le réchauffement initial engendre donc un supplément d'effet de serre, qui renforce ce réchauffement. La perturbation est amplifiée, c'est bien une rétroaction positive — et l'une des plus importantes du système. L'effet des nuages est réel mais plus ambigu : ils réfléchissent le Soleil tout en piégeant l'infrarouge.
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