Fiche de révision : Projections et échelles climatiques

📋 Plan du Cours

1. Cycle du carbone et émissions
2. Effet de serre et modèle à une couche
3. Observations et modèles climatiques
4. Forçage radiatif et rétroactions
5. Sensibilité climatique et rétroactions
6. IPCC et projections climatiques
7. Incertitudes et impacts climatiques
8. Échelles temporelles et budget carbone
9. Atmosphère et hausse du CO₂

📖 1. Cycle du carbone et émissions

★ À maîtriser

• Le cycle du carbone comprend l’atmosphère, la biosphère continentale, l’océan supérieur, l’océan profond et la croûte continentale, et l’océan profond est le plus grand réservoir parmi les cinq composantes décrites.

• La combustion des combustibles fossiles émet du CO₂, principalement à partir du charbon, puis du pétrole et du gaz, et ramène en surface du carbone stocké dans la croûte continentale depuis des millions d’années.

• Environ la moitié du CO₂ anthropique reste dans l’atmosphère, tandis que l’augmentation des flux vers les autres réservoirs, notamment vers l’océan, absorbe l’autre moitié; la dissolution du CO₂ dans l’océan provoque son acidification.

Compléments

• L’océan supérieur, mélangé par les turbulences entraînées par le vent, échange avec l’atmosphère, tandis que l’océan profond, froid et lent, se trouve à environ 4 km de profondeur et échange avec la couche supérieure sur des siècles.

• En 2024, les émissions anthropiques de CO₂ ont atteint 38,6 GtCO₂, dont 15,8 GtCO₂ provenant du charbon, 12,5 GtCO₂ du pétrole et 10,8 GtCO₂ du gaz. - Our World in Data, Global Carbon Budget

• En 2025, la concentration moyenne de CO₂ atmosphérique était de 427 ppm, contre 382 ppm en 2006.

• Les principales sources d’émissions humaines de méthane sont :

  • l’agriculture et les déchets (60 %)
  • l’industrie pétrochimique (30 %)
  • la combustion de biomasse (10 %)

💡 Astuce mémo

Combustibles fossiles → hausse du CO₂ atmosphérique → acidification de l’océan

📖 2. Effet de serre et modèle à une couche

🔑 Notions clés & Définitions

• Corps noir : Objet physique idéalisé qui absorbe tout rayonnement électromagnétique incident, quelle que soit sa fréquence ou son angle d’incidence, et qui émet à l’équilibre thermique un rayonnement dont le spectre dépend de sa température.

★ À maîtriser

📐 Formule - Dans le modèle sans atmosphère, l’équilibre radiatif s’écrit $\sigma T_s^4 = \frac{1}{4}(1-\alpha)I_0$; avec $\alpha \approx 0{,}3$ et $I_0 = 1361\ \mathrm{W\,m^{-2}}$, il donne une température de surface d’environ 255 K.

📐 Formule - Dans le modèle à une couche atmosphérique absorbant l’infrarouge, le flux reçu à la surface est doublé et l’équilibre devient $\sigma T_s^4 = \frac{2}{4}(1-\alpha)I_0$, ce qui donne environ 303 K.

Compléments

📐 Formule - La loi de Wien relie la longueur d’onde du maximum d’émission à la température par $\lambda_{\mathrm{peak}} = \frac{b}{T}$, avec $b = 2{,}898 \times 10^{-3}\ \mathrm{m\,K}$.

📐 Formule - La puissance rayonnée par unité de surface d’un corps noir suit la loi de Stefan-Boltzmann : $P = \sigma T^4$, avec $\sigma = 5{,}67 \times 10^{-8}\ \mathrm{W\,m^{-2}\,K^{-4}}$.

• Le rayonnement solaire correspond approximativement à celui d’un corps noir à 5 500 K, tandis que le rayonnement terrestre sortant a un maximum proche de 10 μm, dans l’infrarouge.

• Le modèle à une couche suppose notamment une atmosphère transparente au solaire et opaque à l’infrarouge, un albédo et une température de surface uniformes, et des transferts d’énergie uniquement radiatifs.

💡 Astuce mémo

Une couche atmosphérique, comme une vitre, laisse passer le solaire et absorbe l’infrarouge

📖 3. Observations et modèles climatiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Modèle climatique : Outil qui représente les lois physiques, les contraintes et les interactions complexes du système climatique afin d’étudier une évolution ou de répondre à un objectif donné.

★ À maîtriser

• La science du climat s’appuie sur les observations du climat actuel et passé, la théorie et la modélisation.

Compléments

• Les archives de glace de l’Antarctique et du Groenland permettent d’estimer l’évolution passée de la température terrestre grâce à la sensibilité de la composition isotopique de l’eau aux changements de phase et à la température.

• La modélisation de l’atmosphère pour les prévisions météorologiques a commencé au début des années 1950, tandis que la modélisation climatique a commencé dans les années 1960 avec des objectifs et des défis différents.

• Les disciplines mobilisées comprennent :

  • la physique
  • les mathématiques appliquées
  • l’informatique
  • la chimie
  • l’hydrologie
  • la glaciologie
  • la biologie

• Les observations océaniques sont difficiles à obtenir par satellite, car les océans couvrent 70,8 % de la surface terrestre, sont inhabités et absorbent efficacement le rayonnement électromagnétique, ce qui limite les observations spatiales aux couches de surface.

📖 4. Forçage radiatif et rétroactions

🔑 Notions clés & Définitions

• Forçage radiatif : Déséquilibre entre l’énergie entrante et sortante au sommet de l’atmosphère, avant que la température de la planète ne se soit ajustée à une perturbation du système climatique.
• Sensibilité climatique : Variation de la température moyenne de surface globale après un doublement de la concentration de CO₂ par rapport à l’époque préindustrielle, soit environ 560 ppm.
• Rétroaction climatique : Mécanisme déclenché pendant l’ajustement du système climatique qui induit une variation supplémentaire de température, positive ou négative.

📝 Points essentiels

📌 Un forçage radiatif positif tend à augmenter la température de la planète, tandis qu’un forçage négatif tend à la diminuer.

• Depuis le rapport Charney de 1979, les estimations de la sensibilité climatique se situent autour de 3 °C, avec une plage d’environ 1,5 °C à 4,5 °C.

• Les principales rétroactions climatiques sont : la rétroaction de Planck, la rétroaction de la vapeur d’eau, la rétroaction du gradient vertical de température, la rétroaction de l’albédo de surface, la rétroaction des nuages

• La rétroaction de Planck atténue le réchauffement, car une atmosphère plus chaude émet davantage de rayonnement.

• Une atmosphère plus chaude contient davantage de vapeur d’eau si l’humidité relative conserve la même distribution, ce qui renforce le réchauffement puisque la vapeur d’eau est un important gaz à effet de serre.

• La fonte de la neige et de la glace réduit l’albédo de surface, augmente l’absorption du rayonnement solaire et renforce le réchauffement par rétroaction de l’albédo.

📌 Les nuages bas et peu épais tendent à refroidir en réfléchissant efficacement le rayonnement solaire, tandis que les nuages élevés et minces tendent à réchauffer en absorbant le rayonnement infrarouge de grande longueur d’onde.

• L’effet global des rétroactions nuageuses est très probablement positif, mais leur diversité et leur complexité constituent une source majeure d’incertitude dans les projections climatiques.

💡 Astuce mémo

Forçage : déséquilibre imposé ; rétroaction : réponse qui amplifie ou atténue le changement

📖 5. Sensibilité climatique et rétroactions

🔑 Notions clés & Définitions

• Sensibilité climatique : Réchauffement à l’équilibre après un doublement du CO₂ par rapport à sa concentration préindustrielle.

★ À maîtriser

• Pour un doublement du CO₂, le réchauffement total estimé par des modèles du début des années 2000 est compris entre 2,2 et 4,5 °C, avec une moyenne d’environ 3 °C.

Compléments

• Dans cette estimation, l’effet radiatif du CO₂ supplémentaire, rétroaction de Planck comprise, contribue à environ 1,2 °C de réchauffement.

📌 La rétroaction de l’albédo et celle de la vapeur d’eau peuvent être estimées assez précisément, tandis que la rétroaction nette des nuages est positive et constitue la principale source d’incertitude.

📖 6. IPCC et projections climatiques

★ À maîtriser

• Le Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC/IPCC) est un organisme des Nations unies créé en 1988 par l’Organisation météorologique mondiale et le Programme des Nations unies pour l’environnement afin d’informer les gouvernements sur l’état des connaissances concernant le climat et son évolution.

• Le GIEC publie un rapport d’évaluation tous les cinq à sept ans et s’organise en trois groupes : bases physiques du climat et du changement climatique (Groupe I), impacts et adaptation (Groupe II), et atténuation, notamment par la réduction des émissions (Groupe III).

📌 Les prévisions météorologiques cherchent à prédire l’évolution d’un système physique à partir de son état initial, tandis que les projections climatiques estiment des statistiques climatiques pour un système soumis à des perturbations humaines.

📌 Les scénarios climatiques explorent des évolutions possibles et ne sont pas des prévisions auxquelles des probabilités seraient attribuées.

Compléments

• Les projets d’intercomparaison des modèles, notamment le CMIP, utilisent un protocole commun afin de rendre les simulations comparables et de permettre des conclusions plus solides.

• Les projections climatiques nécessitent des scénarios d’évolution des émissions de gaz à effet de serre et des changements d’usage des terres, qui dépendent des actions humaines et non de lois physiques déterminant leur évolution.

💡 Astuce mémo

La prévision suit l’état initial ; la projection explore des scénarios humains.

📖 7. Incertitudes et impacts climatiques

★ À maîtriser

• L’incertitude des projections climatiques comprend :

  • la variabilité interne
  • l’incertitude des modèles
  • l’incertitude des scénarios

• La température moyenne mondiale a augmenté d’environ 1,1 °C par rapport à la période préindustrielle, et le réchauffement de 1,5 °C pourrait être atteint d’ici 2030.

• Le réchauffement devrait renforcer le cycle hydrologique à l’échelle mondiale, avec davantage de vapeur d’eau atmosphérique et de précipitations globales, tout en augmentant à la fois les sécheresses intenses et les précipitations extrêmes.

Compléments

• La variabilité interne comprend notamment les transferts d’énergie entre l’océan et l’atmosphère ; elle contribue fortement à l’incertitude des prochaines années à la prochaine décennie. Les éruptions volcaniques constituent, quant à elles, un forçage externe.

📌 L’incertitude des modèles comprend les différences entre modèles pour un même scénario et les différences entre simulations d’un même modèle lancées avec des conditions initiales différentes.

• À l’échelle de quelques décennies, l’incertitude sur le changement climatique provient principalement de l’incertitude des scénarios.

• Même dans le scénario SSP1-1.9, qui réduit rapidement et fortement les émissions, la température continue d’augmenter pendant une à quelques décennies avant de se stabiliser.

• La disparition de la glace de mer arctique réduit fortement l’albédo, augmente la part d’énergie absorbée par le système et renforce le réchauffement.

• L’acidification affecte notamment :

  • les récifs coralliens
  • les coquillages
  • le zooplancton qui produit des coquilles

📌 L’évaluation des risques doit inclure les évolutions peu probables mais à fort impact, car des changements majeurs comme une déstabilisation de la calotte du Groenland ne peuvent pas être exclus.

📖 8. Échelles temporelles et budget carbone

🔑 Notions clés & Définitions

• Budget carbone : Quantité maximale d’émissions cumulées compatible avec une cible donnée de réchauffement.
• Actif échoué : Infrastructure, comme une centrale ou un pipeline, qui devient sous-utilisée parce que l’innovation ou la réglementation la rend obsolète.

★ À maîtriser

• La capacité thermique de l’atmosphère équivaut approximativement à celle des 2,5 premiers mètres de l’océan.

• Les simulations CMIP6 confirment une relation quasi linéaire entre les émissions cumulées de CO₂ et l’augmentation de la température moyenne mondiale dans la gamme et sur l’échelle temporelle pertinentes.

• Selon le tableau SPM 2 du GIEC, pour avoir 67 % de chances de rester sous 1,7 °C de réchauffement, les émissions cumulées à partir du début de 2020 ne doivent pas dépasser 700 GtCO₂.

Compléments

• La troposphère a une prévisibilité météorologique de l’ordre de deux semaines, tandis que le mélange prend environ une semaine dans la troposphère et quelques années dans la stratosphère.

• Les océans couvrent 70,8 % de la surface terrestre, contiennent environ 97 % de l’eau de la Terre et ont une profondeur moyenne de 3,7 km.

• Le renouvellement des eaux abyssales par la circulation de retournement prend au moins plusieurs siècles.

• Les échelles temporelles de la cryosphère vont du cycle annuel de la glace de mer à des milliers d’années pour les calottes glaciaires.

• Ces dernières années, les émissions mondiales annuelles ont généralement atteint 36 à 38 GtCO₂, et plus de 210 GtCO₂ ont été émises entre 2020 et 2025.

💡 Astuce mémo

Émissions cumulées croissantes → réchauffement qui reste approximativement linéaire.

📖 9. Atmosphère et hausse du CO₂

★ À maîtriser

• L’atmosphère sèche est composée principalement de : 78 % d’azote, 21 % d’oxygène, 1 % d’argon, CO₂, ozone, autres gaz, notamment le méthane, le protoxyde d’azote et les chlorofluorocarbures

• En 2025, la concentration atmosphérique de CO₂ est d’environ 427 ppm, soit plus de 50 % au-dessus de sa valeur préindustrielle de 280 ppm.

• Lorsque les émissions humaines perturbent le cycle du carbone, une partie du CO₂ atmosphérique supplémentaire est transférée vers l’océan et la biosphère, ce qui ralentit l’augmentation du CO₂ atmosphérique et accroît l’acidité de l’océan.

Compléments

• La concentration atmosphérique de méthane est passée d’environ 0,7 ppm avant l’ère industrielle à environ 1,93 ppm en 2025.

• La concentration de vapeur d’eau varie fortement, jusqu’à 4 % dans l’air tropical humide près de la surface et jusqu’à 3 ou 4 ppm dans la basse stratosphère tropicale.

📐 Formule - La masse molaire du CO₂ est $M_{\mathrm{CO_2}}=44\ \mathrm{g\,mol^{-1}}$, à partir des masses molaires du carbone (12 g mol⁻¹) et de l’oxygène (16 g mol⁻¹).

📐 Formule - Pour des émissions de CO₂ de 35 Gt par an, le flux correspondant est $I_{\mathrm{CO_2}}=\frac{35\times10^{15}}{44}\approx8\times10^{14}\ \mathrm{mol\,an^{-1}}$.

📐 Formule - La masse atmosphérique est estimée par $M_{\mathrm{atm}}=\frac{4\pi R^2p_{\mathrm{msl}}}{g}$, où $p_{\mathrm{msl}}$ est la pression moyenne au niveau de la mer, $R$ le rayon terrestre et $g$ l’accélération de la pesanteur.

• Avec une pression moyenne au niveau de la mer d’environ 1 013,25 hPa et un rayon terrestre d’environ 6 370 km, la masse de l’atmosphère est estimée à environ 5,3 × 10¹⁸ kg.

📐 Formule - En supposant que tout le CO₂ émis reste dans l’atmosphère, l’augmentation annuelle calculée de sa concentration est $\frac{I_{\mathrm{CO_2}}}{N_{\mathrm{atm}}}\approx4{,}7\ \mathrm{ppm\,an^{-1}}$.

• La concentration calculée pour 2026 serait de 476 ppm à partir de 382 ppm en 2006, mais la concentration observée en 2025 est de 427 ppm, car une partie du CO₂ est transférée de l’atmosphère vers l’océan et la biosphère.

💡 Astuce mémo

L’atmosphère est un réservoir percé : une partie du CO₂ injecté s’écoule vers l’océan et la biosphère.

📊 Tableaux de synthèse

Effets des principales rétroactions climatiques