Enjeux planétaires contemporains

Les climats de la Terre

Climats passés, indices, changement climatique actuel et modèles

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Ce que tu dois savoir faire

Décrire le réchauffement actuel et le relier à l'augmentation des gaz à effet de serre d'origine humaine
Expliquer l'effet de serre, le bilan radiatif et le rôle des rétroactions positives et négatives
Exploiter des indices (δ¹⁸O des glaces et des foraminifères, pollens, bulles d'air, sédiments, fossiles) pour reconstituer un climat passé
Relier les cycles glaciaires du Quaternaire aux paramètres orbitaux de la Terre, amplifiés par des rétroactions
Expliquer les grandes variations climatiques plus anciennes par les variations du $CO X_{2}$ (volcanisme, altération, enfouissement de matière organique)
Utiliser les résultats des modèles et des scénarios pour discuter l'atténuation et l'adaptation

1. Le réchauffement actuel : les constats

Définition — Météo et climat

La météo est l'état de l'atmosphère à un instant et en un lieu. Le climat est la moyenne des conditions météorologiques (température, précipitations, vents…) sur une longue période, au moins $30$ ans. Une journée froide ne contredit pas un réchauffement climatique.

Ce qu’on mesure depuis le XIXᵉ siècle

Grandeur	Avant l’ère industrielle	Aujourd’hui
température moyenne de surface	référence 1850-1900	+1,1 °C en 2011-2020 ; 2024 est la première année au-delà de +1,5 °C
$CO X_{2}$ atmosphérique	environ 280 ppm	plus de 420 ppm (2023)
méthane $CH X_{4}$	environ 0,7 ppm	plus de 1,9 ppm (multiplié par plus de 2,5)
niveau moyen des océans	référence 1901	+20 cm environ (1901-2018), et la montée s'accélère
pH de surface des océans	environ 8,2	environ 8,1 (acidification)

La « courbe de Keeling » (ajustement des moyennes annuelles mesurées à Mauna Loa, Hawaï, avec l'oscillation saisonnière) : $317$ ppm en 1960, $421$ ppm en 2023. Chaque année, le $CO X_{2}$ baisse au printemps et en été de l'hémisphère Nord (photosynthèse des forêts boréales) puis remonte en hiver. La tendance de fond, elle, accélère.

Propriété — Une origine humaine établie

La hausse du $CO X_{2}$ provient de la combustion des combustibles fossiles (charbon, pétrole, gaz), de la déforestation et de la production de ciment. Plusieurs indices le confirment :

les quantités émises sont connues et suffisent largement à expliquer la hausse (environ la moitié reste dans l'atmosphère) ;
le carbone fossile, très ancien, ne contient plus de $X_{14} X_{2}^{214} C$ et est pauvre en $X_{13} X_{2}^{213} C$ : la proportion de ces isotopes dans le $CO X_{2}$ atmosphérique diminue, signature d'un carbone d'origine végétale fossile ;
le dioxygène atmosphérique diminue légèrement, comme l'exige une combustion.

Le GIEC (2021) conclut qu'il est sans équivoque que l'influence humaine a réchauffé l'atmosphère, l'océan et les terres.

Propriété — Pourquoi la mer monte

La dilatation thermique : l'eau de mer qui se réchauffe occupe plus de volume.
La fonte des glaces continentales (glaciers de montagne, calottes du Groenland et de l'Antarctique), dont l'eau rejoint l'océan.

La fonte de la banquise, glace de mer qui flotte déjà, ne fait presque pas monter le niveau (comme un glaçon qui fond dans un verre) — mais elle diminue l'albédo et amplifie le réchauffement.

2. Effet de serre, cycle du carbone et rétroactions

Le bilan radiatif de la Terre

La Terre reçoit du rayonnement solaire (surtout visible) et émet de l'infrarouge. Les gaz à effet de serre absorbent une partie de cet infrarouge et en renvoient vers la surface, qui est ainsi plus chaude.

Définition — Effet de serre

Les gaz à effet de serre (vapeur d'eau, $CO X_{2}$ , $CH X_{4}$ , $N X_{2} O$ , ozone) laissent passer l'essentiel du rayonnement solaire mais absorbent le rayonnement infrarouge émis par la surface, puis le réémettent dans toutes les directions, en partie vers le sol. Sans cet effet de serre naturel, la température moyenne serait d'environ $- 18$ °C au lieu de $+ 15$ °C. Le problème actuel est son renforcement par les émissions humaines.

Définition — Albédo

Fraction du rayonnement solaire réfléchie par une surface, entre $0$ et $1$ . La neige fraîche a un albédo élevé (jusqu'à $0, 9$ ), l'océan un albédo faible (moins de $0, 1$ ). L'albédo moyen de la Terre est d'environ $0, 3$ .

Le cycle du carbone et la perturbation humaine

Les flux naturels (photosynthèse, respiration, échanges océan-air) sont énormes mais presque équilibrés. Les émissions humaines, environ $11$ GtC par an, rompent cet équilibre.

Propriété — Les rétroactions

Une rétroaction est un mécanisme déclenché par un changement de température et qui, en retour, modifie cette température.
Rétroactions positives (elles amplifient la perturbation) :

vapeur d'eau : un air plus chaud contient plus de vapeur d'eau, gaz à effet de serre ;
albédo : la fonte de la neige et des glaces découvre des sols ou des océans sombres, qui absorbent plus ;
dégel du pergélisol : la matière organique gelée se décompose et libère $CO X_{2}$ et $CH X_{4}$ ;
solubilité : un océan plus chaud dissout moins de $CO X_{2}$ .

Rétroactions négatives (elles atténuent) : une surface plus chaude émet davantage d'infrarouge vers l'espace ; une hausse du $CO X_{2}$ stimule la photosynthèse.

Piège fréquent

Ne confonds pas effet de serre et trou dans la couche d'ozone : ce sont deux problèmes différents. Le trou d'ozone (lié aux CFC) laisse passer plus d'ultraviolets ; il n'est pas la cause du réchauffement.

3. Les climats du Quaternaire : glaciations et interglaciaires

Depuis environ $2, 6$ millions d'années (le Quaternaire), le climat alterne entre périodes glaciaires et interglaciaires. Depuis $800000$ ans, ces cycles ont une période d'environ $100000$ ans. Nous vivons dans un interglaciaire, l'Holocène, commencé il y a environ $11700$ ans.

Définition — Le δ¹⁸O

L'oxygène existe sous deux isotopes stables principaux, $X_{16} X_{2}^{216} O$ (léger, très majoritaire) et $X_{18} X_{2}^{218} O$ (lourd). On compare le rapport $\frac{^{18} O}{^{16} O}$ d'un échantillon à celui d'une référence (l'eau de mer standard) :

δ^{18} O = (\frac{( ^{18} O / ^{16} O ) _{\overset{e}{ˊ} chantillon}}{( ^{18} O / ^{16} O ) _{r \overset{e}{ˊ} f \overset{e}{ˊ} rence}} - 1) \times 1000

exprimé en ‰ (pour mille). Un $δ^{18} O$ négatif signifie que l'échantillon est plus pauvre en $X_{18} X_{2}^{218} O$ que la référence.

Le δ¹⁸O, un thermomètre

Les molécules d'eau contenant $X_{18} X_{2}^{218} O$ s'évaporent moins facilement et condensent plus facilement. En voyageant vers les pôles, la vapeur s'appauvrit en $X_{18} X_{2}^{218} O$ , d'autant plus qu'il fait froid.

Lire le δ¹⁸O : deux archives, deux sens contraires

Archive	Période glaciaire	Pourquoi ?
glace des calottes (forages en Antarctique, au Groenland)	δ¹⁸O plus bas (plus négatif)	plus il fait froid, plus la neige qui tombe est pauvre en oxygène 18
carbonate des foraminifères (sédiments marins)	δ¹⁸O plus élevé	l’oxygène 16 est stocké dans les immenses calottes : l’océan restant s’enrichit en oxygène 18, et l’eau froide accentue cet enrichissement dans le calcaire des coquilles

Piège fréquent

C'est le piège n°1 de ce chapitre : un δ¹⁸O élevé signifie « froid » pour un foraminifère, mais « chaud » pour la glace. Précise toujours de quelle archive tu parles avant d'interpréter.

Les autres indices

Indice	Ce qu’il indique
bulles d'air piégées dans la glace	la composition de l'atmosphère passée : $CO X_{2}$ et $CH X_{4}$ (jusqu'à $800000$ ans en Antarctique)
pollens des sédiments de lacs et tourbières	la végétation passée, donc le climat (toundra = froid, chênaie = tempéré) — on applique le principe d’actualisme
moraines, blocs erratiques, roches striées	l’extension passée des glaciers
fossiles (coraux, faune, flore)	les conditions de vie, par comparaison avec les espèces actuelles

Exemple — Le dernier maximum glaciaire, il y a environ 21 000 ans

Des calottes de $2$ à $3$ km d'épaisseur recouvrent le nord de l'Amérique et de l'Europe.
Le niveau des mers est environ $120$ m plus bas : on pouvait aller à pied de France en Angleterre.
La température moyenne mondiale est inférieure d'environ $5$ à $7$ °C à la température préindustrielle.
Le $CO X_{2}$ atmosphérique est d'environ $180$ à $190$ ppm, contre $280$ ppm dans les interglaciaires récents.

Propriété — La cause : les paramètres orbitaux… amplifiés

L'orbite et l'inclinaison de la Terre varient lentement (théorie de Milankovitch) :

l'excentricité de l'orbite (périodes d'environ $100000$ et $400000$ ans) ;
l'obliquité, inclinaison de l'axe, entre $22, 1°$ et $24, 5°$ (période d'environ $41000$ ans) ;
la précession, orientation de l'axe (période d'environ $20000$ ans).

Ces variations modifient la répartition de l'insolation selon les saisons et les latitudes, surtout en été aux hautes latitudes de l'hémisphère Nord : un été trop faible ne fait plus fondre la neige de l'hiver, et une calotte se forme. L'effet direct est faible, mais il est amplifié par des rétroactions positives : albédo des calottes et variations du $CO X_{2}$ (un océan froid dissout davantage de $CO X_{2}$ ). D'où la corrélation remarquable entre température et $CO X_{2}$ dans les carottes de glace.

4. Les climats plus anciens

Sur des millions d'années, ce ne sont plus les paramètres orbitaux qui dominent, mais la teneur en $CO X_{2}$ de l'atmosphère, elle-même contrôlée par la géologie : le volcanisme en libère, l'altération des silicates et l'enfouissement de matière organique en retirent.

Propriété — Retirer du CO₂ sur le long terme : l’altération des silicates

Sur les continents, l'eau chargée de $CO X_{2}$ dissout lentement les minéraux silicatés des roches. Les ions produits rejoignent l'océan, où ils précipitent sous forme de calcaire. Avec un silicate simplifié :

CaSiO X_{3} + 2 CO X_{2} + H X_{2} O Ca X^{2 +} + 2 HCO X_{3} X^{-} + SiO X_{2}

Ca X^{2 +} + 2 HCO X_{3} X^{-} CaCO X_{3} + CO X_{2} + H X_{2} O

Bilan : $CaSiO X_{3} + CO X_{2} CaCO X_{3} + SiO X_{2}$ — une molécule de $CO X_{2}$ est piégée dans la roche pour chaque molécule de silicate altérée. Ce piégeage est d'autant plus fort que les reliefs sont jeunes, élevés et arrosés (érosion intense).

Trois grands épisodes

Période	Climat	Indices	Explication
fin du Carbonifère - début du Permien (≈ 300 Ma)	glaciation : une calotte sur le Gondwana, alors au pôle Sud	tillites (anciennes moraines) en Afrique, Inde, Amérique du Sud, Australie, Antarctique	baisse du $CO X_{2}$ : immenses forêts dont la matière organique est enfouie (charbon), altération de la chaîne hercynienne
Crétacé (≈ 145-66 Ma)	très chaud, sans calotte polaire, mers hautes	fossiles de récifs et de reptiles à hautes latitudes, sédiments marins sur les continents	$CO X_{2}$ élevé : forte activité des dorsales et grands épanchements volcaniques
Cénozoïque (depuis ≈ 50 Ma)	refroidissement ; calotte antarctique vers 34 Ma	δ¹⁸O des foraminifères qui augmente	baisse du $CO X_{2}$ par l'altération des silicates des chaînes de montagnes récentes (Himalaya) ; isolement thermique de l'Antarctique par un courant circumpolaire

Exemple — Mesurer un CO₂ ancien avec des feuilles fossiles

L'indice stomatique d'une feuille (proportion de stomates parmi les cellules de l'épiderme) diminue quand le $CO X_{2}$ augmente : la plante a besoin de moins de pores pour capter son carbone. En comptant les stomates de feuilles fossiles d'une espèce encore actuelle (le ginkgo, par exemple), on estime la teneur en $CO X_{2}$ passée.

Conseil bac

Au bac, retiens l'échelle de temps associée à chaque cause : paramètres orbitaux → dizaines de milliers d'années (Quaternaire) ; géologie ( $CO X_{2}$ , position des continents) → millions d'années ; activités humaines → décennies. Le réchauffement actuel est beaucoup plus rapide que les variations naturelles passées.

5. Modéliser l’avenir et agir

Définition — Modèle climatique

Programme informatique qui découpe l'atmosphère, l'océan et les terres en millions de cellules et y résout les lois de la physique (mouvement des fluides, rayonnement, cycle de l'eau, cycle du carbone…). On teste un modèle en vérifiant qu'il reproduit les climats passés (le XXᵉ siècle, le dernier maximum glaciaire) ; on l'utilise ensuite pour des projections.

Réchauffement projeté en 2081-2100 (par rapport à 1850-1900)

Scénario d’émissions	Description	Meilleure estimation
SSP1-1.9	émissions nettes nulles vers 2050	+1,4 °C
SSP1-2.6	forte baisse des émissions	+1,8 °C
SSP2-4.5	émissions stables puis en baisse lente	+2,7 °C
SSP3-7.0	émissions qui doublent d’ici 2100	+3,6 °C
SSP5-8.5	émissions très élevées	+4,4 °C

Ces chiffres (GIEC, 2021) montrent que l'avenir dépend surtout de nos émissions, bien plus que des incertitudes des modèles. Le réchauffement est à peu près proportionnel à la quantité totale de $CO X_{2}$ émise depuis le début de l'ère industrielle : chaque tonne compte, et le $CO X_{2}$ émis reste des siècles dans l'atmosphère.

Propriété — Des conséquences pour la santé

Vagues de chaleur plus fréquentes et plus intenses : la canicule d'août 2003 a causé environ $15000$ décès en excès en France, surtout chez les personnes âgées.
Maladies à vecteurs : le moustique tigre (Aedes albopictus), vecteur de la dengue et du chikungunya, est désormais installé dans la plupart des départements métropolitains.
Pollution et allergies : saisons polliniques plus longues, ozone de basse altitude favorisé par la chaleur.
Sécurité alimentaire et eau : sécheresses, baisse de rendements dans les régions déjà chaudes.

La santé publique fait partie des enjeux climatiques : le GIEC et l'OMS considèrent le changement climatique comme une menace sanitaire majeure.

Définition — Atténuation et adaptation

Atténuer, c'est limiter le réchauffement en réduisant les émissions (sobriété, efficacité énergétique, énergies décarbonées) et en renforçant les puits de carbone (forêts, sols).
S'adapter, c'est réduire la vulnérabilité aux changements devenus inévitables (végétaliser les villes, adapter les cultures, protéger les côtes, plans canicule).

L'accord de Paris (2015) vise à contenir le réchauffement bien en dessous de $2$ °C et à poursuivre les efforts pour le limiter à $1, 5$ °C, ce qui suppose d'atteindre la neutralité carbone (émissions nettes nulles) vers le milieu du siècle.

Conseil bac

Les sujets du bac demandent souvent de critiquer une solution (planter des arbres, capter le $CO X_{2}$ …). Raisonne en flux et en durée : la solution retire-t-elle autant de carbone que ce qu'on émet ? Pour combien de temps ce carbone est-il stocké ? Une forêt qui brûle relâche son carbone.

L’essentiel à retenir

Le climat est une moyenne sur au moins 30 ans ; depuis 1850-1900 la surface s'est réchauffée d'environ $1, 1$ °C (2011-2020).
Le $CO X_{2}$ est passé d'environ 280 ppm à plus de 420 ppm, à cause des combustibles fossiles et de la déforestation ; environ la moitié du $CO X_{2}$ émis reste dans l'air.
Effet de serre : les gaz à effet de serre absorbent l'infrarouge émis par la surface et en renvoient vers elle ; sans lui, la Terre serait à environ $- 18$ °C.
Rétroactions positives (vapeur d'eau, albédo, pergélisol, solubilité du $CO X_{2}$ ) : elles amplifient toute perturbation.
δ¹⁸O : dans la glace, plus bas = plus froid ; dans les foraminifères, plus élevé = plus froid (glace stockée sur les continents).
Quaternaire : cycles glaciaires d'environ $100000$ ans, déclenchés par les paramètres orbitaux (Milankovitch) et amplifiés par l'albédo et le $CO X_{2}$ .
Sur des millions d'années, le $CO X_{2}$ est contrôlé par le volcanisme (source), l'altération des silicates et l'enfouissement de matière organique (puits).
Carbonifère-Permien : glaciation ; Crétacé : très chaud ; Cénozoïque : refroidissement (Himalaya, Antarctique englacé vers 34 Ma).
Les modèles projettent de $+ 1, 4$ à $+ 4, 4$ °C selon les scénarios : l'avenir dépend surtout des émissions. Atténuer et s'adapter sont complémentaires.

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