Climat et cycle du carbone

1. Climat et cycle du carbone Gilles BourbonnaisCégep de Sainte-Foy

2. Certains géologues avancent que la glaciation Varanger aurait été globale. Voir Terre boule de neige Fluctuations de la température moyenne de la planète au cours de son existence froid chaud 5e 4e 3e 2e La température de la planète a toujours fluctué alternant entre des périodes chaudes et des glaciations. Nous sommes actuellement dans la cinquième glaciation, celle du Pléistocène. 1ere Échelle logarithmique

3. Attention, échelle logarithmique Disparition des dinosaures Depuis ~50 Ma, on subit un refroidissement global qui a culminé par une glaciation ayant débuté il y a environ 2 Ma (glaciation du pléistocène).

4. Température actuelle Depuis l’extinction des dinosaures : Disparition des dinosaures Estimation des variations de température obtenue à partir de la mesure de l’isotope 18 de l’oxygène dans les dépôts calcaires de l’océan (dépôts formés de l’accumulation de coquilles de foraminifères, de petits organismes planctoniques) et dans les carottes de glaces de l’Antarctique. La concentration en 18O de l’océan et des précipitations varie selon la température.

5. La glaciation du quaternaire Appelé Würm en Europe Appelé Riss en Europe Une glaciation se caractérise par des oscillations entre des périodes glaciaires plus froides entrecoupées d’interglaciaires plus chaudes. Nous sommes actuellement dans une interglaciaire.

6. Attention, l’échelle est logarithmique Les changements de températures peuvent être très rapides

7. Au maximun d’une période glaciaire, d’immenses glaciers peuvent s’étendre loin au Sud. Le niveau des océans peut diminuer de 100 à 150 m. Lors du maximum de la dernière période glaciaire, la température moyenne de la planète était d’environ 5 degrés ºC plus basse que celle d’aujourd’hui.

8. On patinait sur les canaux à Amsterdam. Les colonies Viking du Groenland disparaissent. Depuis 18 000 ans Aurait permis la colonisation du Groenland par les Vikings Fin de la dernière glaciaire; les glaciers reculent jusqu’à leur position actuelle Réchauffement du XXe siècle glaciation wisconsinienne

9. Paysage d’hiver avec patineursHendrick Avercamp (1608)Rijksmuseum, Amsterdam Petit âge glaciaire (XIVe au XIXe siècle)Au XVIIe siècle, en Hollande, les rivières gelaient en hiver

10. Fluctuations de la température selon les données du GIEC, Groupe d’experts Intergouvernemental sur l’évolution du Climat en 2001. Notez que, curieusement, le réchauffement médiéval et le petit âge glaciaire sont disparus de ce graphique (fait à partir des anneaux de croissance des arbres). Beaucoup ont critiqué ce graphique (graphique dit du « hockey stick »). Il a été retiré des derniers rapports du GIEC.

11. Fluctuations au cours du dernier siècle : ~ + 0,5 ºC Tout indique un réchauffement qui va en s’accentuant.

12. Facteurs responsables des fluctuations du climat : • Facteurs astronomiques • Dérive des continents et courants marins • Effet de serre

13. Facteurs astronomiques • Variations de l’orbite terrestre et de l’inclinaison de l’axe de la Terre • Activité solaire

14. L’énergie solaire reçue par unité de surface varie selon : • la latitude • Moins de réflexion qu'aux hautes latitudes. • Plus d'énergie par unité de surface. • l’inclinaison de l’axe de rotation

16. L'axe de rotation de la Terre est incliné (23,5 º) ==>saisons Plus la latitude est élevée, plus les saisons sont marquées.

18. Au cours du temps, les saisons peuvent être plus ou moins marquées en fonction des variations de l'inclinaison de l'axe et des variations de l'orbite terrestre. Variation de l'inclinaison :  2º selon un cycle de 42,000 ans Plus l'axe est incliné, plus les saisons sont marquées. Sans la lune, la variation serait beaucoup plus marquée (probablement chaotique)

19. Variation de l'excentricité de l'orbite, cycle d'environ 100,000 ans. Fait varier la distance Terre-Soleil. Il y a 128 000 ans, l’excentricité était proche de 4%, (l’ellipse s’éloignait plus d’un cercle qu’à l’époque actuelle) et l’énergie reçue par la Terre entre le périhélie et l’aphélie variait d’environ 16%.

20. Précession des équinoxes, cycle de 26 000 ans L’axe de rotation de la Terre décrit un cercle par rapport aux étoiles fixes.

21. De plus, le plan de l’orbite terrestre tourne autour du soleil La combinaison des deux phénomènes (précession et modification du plan de l’orbite) provoque une modification de la date des saisons. Selon un cycle principal de 23000 ans et un cycle secondaire de 19000 ans.

22. Conséquences: Actuellement, dans l'hémisphère Nord, on est en hiver quand la Terre est du côté de l'orbite le plus rapproché du soleil. On est en été quand la Terre est plus éloignée du soleil. Actuellement, l’hiver dans l’hémisphère Nord se produit lorsque la Terre est près du soleil (à son périhélie). La Terre reçoit donc plus d’énergie solaire en hiver. La Terre a aussi une vitesse tangentielle plus grande lorsqu’elle est près du soleil. L’hiver est donc plus court que s’il se produisait ailleurs sur l’orbite. À cause de la précession, dans 12,000 ans, l'hiver (dans l’hémisphère Nord) se produira quand la Terre sera à son point le plus éloigné du soleil (en juillet).

23. Dans l’hémisphère Nord On a donc un déplacement de la position des équinoxes le long de l’orbite terrestre: la "date" des saisons change.

24. La théorie astronomique des paléoclimats Milutin Milankovitch 100 000 ans Précession des équinoxes Variation de l’inclinaison 42 000 ans Cycles de 23000 et 19000 ans

27. Selon Milutin Milankovitch • Compte tenu de la disposition actuelle des continents et des océans, des étés froids dans l’hémisphère Nord seraient favorables aux périodes glaciaires. Les étés sont froids lorsqu’ils se produisent au moment où la Terre est le plus éloigné du soleil, que l’excentricité est faible et que l’axe de rotation est peu incliné. • Inversement, les interglaciaires seraient favorisées par des étés longs et chauds; donc forte excentricité, forte inclinaison de l’axe et Terre près du soleil en été. http://www.ens-lyon.fr/Planet-Terre/Infosciences/Histoire/Paleoclimats/Animations/milankovitch.html

28. Pour plus de détails Estimation de la température planétaire effectuée par l’analyse de la teneur de l’eau en deutérium dans des carottes de glace provenant de l’Antarctique (courbe bleue et courbe verte). La courbe rouge représente la variation de la quantité d’eau immobilisée sous forme de glace. Elle a été obtenue par la mesure de la teneur en oxygène 18 dans les sédiments formés de dépôts de foraminifères (coquilles d’organismes planctoniques). Le volume des glaces en Antarctique a varié au cours du quaternaire en suivant sensiblement les cycles prévus par Milankovitch avec une oscillation prédominante de 100 000 ans.

29. Variations de l’énergie solaire L’activité du soleil varie selon un cycle de 11 ans. Les périodes de plus grandes activités sont marquées par une abondance de taches solaires. Le soleil semble aussi présenter des variations d’activité à plus long terme comme les minimums de Maunder et de Dalton, deux périodes où le nombre de taches a été particulièrement bas.

30. Variations du nombre de taches (courbe en rouge) (Hoyt and Schatten 1998a, 1998b) et de la teneur en Beryllium 10 dans les carottes de glaces du Groenland (courbe en bleu)(Beer et al. 1994 ) Le Beryllium 10 est un isotope formé dans l’atmosphère sous l’effet des rayons cosmiques. Le champ magnétique solaire est plus puissant lorsque le soleil est actif ce qui conduit à une plus faible formation de Beryllium 10 dans l’atmosphère terrestre (notez que l’échelle de la courbe du 10Be est inversée).

31. Mesure des variations de l’activité solaire à partir d’échantillons provenant de carottes de glace (mesure du 10Be). Ilya Usoskin et al. (2003)

32. Dérive des continents et courants marins Le déplacement des continents : • Modifie l'emplacement des continents • Modifie la taille des continents • Modifie les courants marins • Modifie la topographie Déplacements prévus dans les prochains 30 millions d’années

33. Le climat d’une région donnée est fortement influencé par l’océan. Gulf Stream La modification de la position des continents (dérive continentale) peut faire varier ces courants.

34. Influence du Gulf Stream sur le climat européen

36. Certains courants marins ayant une influence sur le climat varient de façon cyclique. Situation normale Les vents dominants venant d’Amérique du Sud repoussent les eaux chaudes vers l’ouest. El Nino Les eaux chaudes du Pacifique atteignent les côtes américaines. On note alors une augmentation des précipitations dans le nord-ouest et des hivers plus doux dans l’est.

37. La présence d’un continent à l’un des pôles favorise la formation d’une calotte polaire. Lorsqu’il y a des calottes polaires, la Terre absorbe moins d’énergie solaire (réflexion plus forte) ce qui contribue à abaisser la température de la planète. Actuellement, à cause de la disposition des continents, il y a peu d’échanges entre l’océan Arctique et les autres océans ce qui favorise la formation d’une calotte polaire au Nord.

38. La température globale augmente rapidement depuis le début du XXe siècle. Le principal facteur responsable de l'augmentation de la température semble être une augmentation de l'effet de serre de l'atmosphère Tout indique que cette augmentation n’est pas due à des facteurs naturels. Température des océans. En gris : selon le modèle informatique sans tenir compte de l’augmentation du taux de CO2. En rouge : température enregistrée.

39. Flux d’énergie de la planète Radiation dans l’espace Énergie solaire Albedo Albédo = lumière réfléchie dans l'espace Effet de serre UV et visible Infrarouge (chaleur)

40. Effet de serre La surface et l’atmosphère absorbent l’énergie solaire. Une partie importante de cette énergie est convertie en chaleur (rayonnement infrarouge). Certains gaz de l’atmosphère laissent bien passer la lumière visible, mais beaucoup moins les infrarouges (gaz à trois atomes ou plus surtout). L’atmosphère absorbe et retourne au sol la majeure partie (plus de 90%) de cette chaleur (les infrarouges) = effet de serre. La température moyenne de la planète est de 15ºC. Sans effet de serre, elle serait de -18 ºC et la vie serait impossible.

41. Terre : eau surtout liquide (océans) et carbone surtout sous forme de carbonates (roches) dans le sol ou de bicarbonates dans l’eau; donc peu de CO2 dans l’atmosphère. Mars : eau gelée dans le sol et carbone sous forme de CO2 solide (glace carbonique) dans les calottes polaires. Carbonates dans le sous-sol ??? Atmosphère sèche et très ténue constituée de CO2 Vénus : presque plus d’eau (la vapeur d’eau dans l’atmosphère a été dissociée en O2 et H2 sous l’effet des UV du Soleil) et presque tout le carbone est sous forme de CO2 web

42. Gaz à effets de serre (GES) Importance de chacun des GES dans l'effet de serre CFC = chlorofluorocarbones = gaz utilisés dans les appareils de réfrigération et dans les climatiseurs N.B. L’eau est le plus important des gaz à effet de serre; elle contribue à plus de 90% à l’effet de serre.

43. Corrélation entre la teneur atmosphérique en gaz à effet de serre et la température. Mesures effectuées à partir des échantillons de glace de l’Antarctique.

44. Le méthane (CH4) • Méthane retient la chaleur 21 fois plus que le CO2, • mais disparaît en une dizaine d’années de l’atmosphère en se combinant avec l’oxygène (se transforme en CO2 et H2O) Production naturelle : • Décomposition anaérobique de la matière organique (zones humides, sol, sédiments marins, termites). Moins il y a d’oxygène, plus il y a de CH4 produit. • Les zones humides produisent plus de méthane que les autres (moins d’oxygène présent).

45. À une certaine pression et à une certaine température, le CH4 peut former avec l’eau des hydrates de méthane qui s’accumulent dans les sédiments. Le sol arctique contient de grandes quantités d’hydrates de méthane. La fonte du pergélisol pourrait libérer ce méthane dans l’atmosphère. Par contre, la fonte du pergélisol pourrait faire diminuer le taux de CO2. Voyez-vous pourquoi ? CH4 glace (eau)

46. Production d’origine humaine : Près de 50% du CH4 actuellement émis dans l’atmosphère est d’origine humaine. • Agriculture : • Rizières • Fermentation dans le tube digestif du bétail • Décomposition des fumures organiques • Enfouissement des déchets • Exploitation du carbone fossile : les gisements de pétrole et de charbon contiennent du CH4 qui s’échappe sans pouvoir être récupéré • Combustion de matière organique

47. Sources de méthane atmosphérique

48. Le N2O Le N2O retient la chaleur 200 fois plus que le CO2 Durée de résidence dans l’atmosphère ~ 120 ans Sources principales : • Transformation des nitrites et nitrates du sol par les bactéries (surtout dans les zones chaudes et humides) • Utilisation d’engrais azotés (environ 2,5% des engrais chimiques déversés se retrouvent sous forme de N2O dans l’atmosphère) • Combustion du carbone fossile : à haute température, le N2 de l’air réagit avec l’O2 pour former du N2O

49. CFC (chlorofluorocarbone), HFC (hydrofluorocarbone), PFC (perfluocarbone) Gaz d’origine humaine seulement. Utilisés dans la réfrigération / climatisation et dans certains processus industriels (fabrication de styromousse, par exemple). Molécules très stables; certaines (les PFC) peuvent demeurer dans l’atmosphère des dizaines de milliers d’années. Retiennent la chaleur 10 à 15 000 fois fois plus que le CO2 Les CFC ne sont plus produits (ils étaient nocifs pour la couche d’ozone), mais de nombreux appareils en contiennent encore.

50. Le gaz carbonique (CO2) Mesures directes Estimation à partir d’échantillons d’air des carottes de glace