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Introduction
                    aux fondements scientifiques du
                  changement climatique anthropique




Farid Ait Chaalal
Atmospheric and Oceanic Sciences
McGill University
Plan
 Climat et changement naturel du climat
 L’effet de serre
 Changements climatiques au cours du
  dernier siècle
 Scénarios pour le climat au XXIe siècle




                                            .
Qu’est ce que le climat
Climat en un lieu donné:
Valeurs statistiques des conditions
météorologiques
(températures, précipitations, ensoleillement,
etc...) sur une période de temps suffisamment
longue.
Climat:
Ensemble de ces conditions sur l’ensemble de
l’atmosphère.
Changement climatique:
Modification au cours du temps de ces valeurs
statistiques.
Qu’est ce que le climat

Le climat n’est pas le temps qu’il fait
Nos sens (et nos instruments) ne permettent
pas de “ressentir le climat”.
On peut être incapable de prévoir le temps
qu’il fait, mais être capable de prévoir le climat
Le climat n'est pas la “météo”, comme le
résultat d'un pile ou face n'est pas la
probabilité ½ d'avoir pile et ½ d'avoir face.
Le climat: une machine complexe
 Soleil


            Energie            Atmosphère
                               (CLIMAT)



               Océans




                   Biosphère                Lithosphère
                                            - Tectonique des plaques
                                            -Volcanisme



+ Processus internes a chaque élément
Les boucles de rétroactions
Forçage                        Réponse
initial                        initiale du
                               système
                               climatique



                         Réponse du système
                         climatique amplifiée par
                         sa dynamique interne




Rétroaction positive
Forçage                      Réponse
initial                      initiale du
                             système
                             climatique




                       Réponse du système
                       climatique affaiblie par
                       sa dynamique interne.




Rétroaction négative
Exemple 1: rétroaction de la vapeur d'eau
    Forçage
    initial              Réchauffement


                         Réchauffement
                         amplifié




                                         Plus de vapeur
                                         d'eau dans
                                         l'atmosphère


              Augmentation
              de l'effet de
              serre
Exemple 2: rétroaction de l'albedo de la glace
      Forçage
      initial                       Réchauffement

                                  Réchauffement
                                   warming
                                  amplifié




                                                  Moins de neige et de
                                                  glace: baisse de
                                                  l'albedo.




                Plus d‘énergie
                solaire absorbée par
                la surface de la Terre
Le Changement du climat: un phénomène
                       naturel




Cause des changements aux échelles géologiques:
- Activité solaire
- Changements orbitaux
- Tectonique des plaques (position des continents, activité
volcanique, météorisation chimique des roches, etc...)
Alternance de périodes glaciaires
     (derniers 400 000 ans)

                          Cause




                        IPCC, 2001.
Le dernier maximum glaciaire
                (18 000 ans avant aujourd'hui)

                                    Température moyenne de la
                                    Terre inférieure d'environ 5 C
                                    Niveau des mers 150 m plus bas

                                     Cause: Changements orbitaux
                                       Cause:
                                     induisant une baisse de la
                                     radiation solaire lors de l'été
                                     dans l'hémisphère nord.
En noir: extension actuelle des
                                     L'intensité des glaciations ne
calottes glaciaires et des
                                     peut être expliquée sans les
glaciers de montagne.
                                     rétroactions
                                         E
En gris: extension il y a 21 ka
                                     (GES, glaces, etc...)
   J. Ehlers & P.L. Gibbard, 2007
Un élément essentiel du
système climatique: l'effet
         de serre
Le soleil:
La source d’énergie du système climatique

                              Été dans     Si la surface de la
                              l'hemisphe   Terre émettait
                              re Nord      exactement la quantité
                                           d’énergie reçue du
                                           soleil, sa température
                                           serait de -18 º C


Radiations                           Or la température moyenne
solaires
(~lumiere                            est de +15 º C ?!?
visible)

La présence de l'atmosphère et l'effet de serre qu'elle induit
                  explique cette différence
L’effet de serre
                     1. Absorption de l'énergie                              Terre
                     solaire par la Terre                               Atmosphère
Idée                         Soleil

fondamentale:                                        Radiation
                                                     solaire
L'atmosphère est
                                                         Le soleil chauffe
transparente aux                                                  la Terre
                      2. Comme tout objet chaud,
rayons lumineux       la terre émet des radiations     La radiation infrarouge est
                      (infrarouge a ces                absorbée par l'atmosphère
mais opaques          températures).

aux infrarouges
(GES et nuages)
                      3. La chaleur (infrarouge) irradiée par la Terre
                       est absorbée par les GES et les nuages. L'atmosphère,
                      plus chaude, émet donc également des infrarouges
                      dont une partie est envoyée vers
                      la surface et s'ajoute à
                      la chaleur directe (lumière visible)
                      du soleil.
Composition de l’atmosphère
Azote (N2): 78%
Oxygène (O2): 21%
Argon (Ar): 0.9%
Et des traces de quelques autres, dont les gaz à effet de serre
(GES):

   Ozone (O3): 0.000004%
   Méthane (CH4): 0.0002%
   Dioxyde de carbone (CO2): 0.03%
   Vapeur d'eau: 0 a 4%

    La vapeur d'eau est responsable pour environ 50% de l'effet
    de serre, tandis que le CO2 est responsable pour environ
    20%. Les nuages sont responsables pour environ 25%.
Augmentation de la concentration en CO2 dans
                  l’atmosphère




                                                Evolution de la concentration en CO2
                                                depuis 10000 ans
             (IPCC, 2007)



Courbe de Keeling: évolution de la concentration en CO2
Entre 1959 et 2002 au sommet du Mauna Loa (Hawaï)
Origine anthropique de l’augmenation du CO2
                   atmosphérique
                                       La respiration (plantes et animaux) est
                                       relativement riche en (13C), l'isotope stable de
                                       carbone le plus lourd.

                                       Les hydrocarbures fossiles sont pauvres en
                                       (13C).




Le ratio entre (13C) et (12C) permet
de determiner l'origine du CO2
atmospherique.
Ou va le CO2 émis par les activites
           humaines?
                       Les emissions cumulées
                       de CO2 ont augmentées 2
                       fois plus vite que la
                       concentration
                       atmosphérique en CO2

                            Why?
Autres effets des activités
                humaines sur le climat
     Aérosols
     Utilisation
                des sols
     Traînées d'avion




 Extinction des mammouths
 Etc...




                                            .
Changements climatiques
au cours du dernier siècle




                             .
1941                          2004



       Muir Glacier, Alaska




                                     .
Observations:
temperatures moyennes du globe

                       Anomalies des températures
                       de surface sur les continents




                       Anomalies des températures
                       de surface sur les océans



                       Anomalies des températures
                       de surface combinées
Comparaison avec d'autres varaiables

                                    Température




                                    Niveau des oceans




                                    Couverture neigeuse
                                    dans l’hemisphère nord


                       IPCC, 2007
Que nous disent les
modèles climatiques: ces
changements sont-ils dus
       aux GES ?

                           .
Les modèles de
circulation générale
 (MCG) prennent en
  compte la structure
 tridimensionnelle de
  l'atmosphère et de
        l'océan




                        + modèles de glace
Limitation des modèles
   Ordinateurs pas assez puissants (résolution
    spatiale et temporelle insuffisantes, nombreuses
    paramétrisations, etc...)
   On ne comprend pas tout (Nuages, dynamique
    des calottes polaires, etc...).

            Analyses d’ensemble: dizaines de simulations avec des
            dizaines de modèles…


Les MGCs sont validés en simulant le climat des siècles passés. Les
résultats sont très satisfaisants.
Comparaison des
modèles avec les
  observations
En haut: Anomalies de
températures observées (noir)
et simulées (rouge, moyenne
des courbes jaunes) en
prenant en compte les
forçages anthropiques et
naturels.

En bas: Anomalies de
températures observées (noir)
et simulées (bleu, moyenne
des courbes cyan) en prenant
en compte les forçages
naturels uniquement.
                                .
Comparaison des modèles avec les
                      observations
                                         Noir: Températures
                                         observées


                                         Rose: Anomalies de
                                         températures simulées en
                                         prenant en compte les
                                         forçages anthropiques et
                                         naturels.

                                         Bleu: Anomalies de
                                         températures simulées
                                         en prenant en compte les
                                         forçages naturels
                                         uniquement.




IPCC, summary for policy makers, 2007.                              .
Modification des forcages radiatifs au
       cours du dernier siecle




                              IPCC, 2007.
Modification des forcages radiatifs au
       cours du dernier siecle
La sensibilité du climat: que se passe-t-il lorsque l'on
    Double la quantite de CO2 dans l'atmosphere?
La sensibilité du climat: que se passe-t-il lorsque l'on
    double la quantité de CO2 dans l'atmosphère?
Le cas de l’Arctique


                 Les modèles
                 sous-estiment la fonte




                 Région du monde où
                 le réchauffement est
                 le plus rapide
                 (boucle de rétroaction
                 positive à cause de la
                 fonte)

                   Film
Scénarios du GIEC pour le
  climat au XXIe siècle
Les scénarios du GIEC
Différents scénarios dépendants d’hypothèses sur notre avenir
économique, politique, scientifique….
Les scénarios du GIEC




      IPCC, summary for policy makers, 2007.   .
Réchauffement climatique non uniforme




                   IPCC, summary for policy makers, 2007.
http://www.metoffice.gov.uk/climatechange/science/projections/   .
Changement du régime des précipitations




   IPCC, 2001
Sources d'incertitudes


                     Changes in the extent of the region of Greenland over
  Glace de           which summer melting has been observed(Russel Huff and
                     and Konrad Steffen, CIRES/Univ. Colorado)
  mer
                     Effondrement des                                         Circulation thermohaline
                     inlandsis

                                                                    D'autres:
                                                                    - El Nino/ La Nina
                                                                    - Extension des tropiques
                                                                    - Cycle du carbone
                                                                    - Fonte du permafrost
                                                                    terrestre et sous-marin
    Points de basculement:                                          - Etc...
Ex: assèchement de l'amazonie
Changements climatiques (et
non « réchauffement »)
 Non  uniforme sur l’ensemble de la
  planète (ex: tropiques vs. arctique).
  Refroidissement dans certaines parties
  du monde possible…
 Changement dans le régime des vents,
  des précipitations, etc…
 Augmentations des phénomènes
  extrêmes (vagues de chaleur, tempètes
  de neige, inondations, etc...)
Quelques conclusions
 La  surface de la Terre se réchauffe et le
  climat change
 La concentration dans l’atmosphère des
  gaz à effet de serre augmente à cause
  des activitées humaines
 Le changement climatique est dû à
  cette augmentation des gaz a effet de
  serre
 Les changements vont très
  probablement s’amplifier
 Le changement observé a tendance à
  être plus rapide que prévu...                .
Pour en savoir plus

- Le site du GIEC: http://www.ipcc.ch
- Le blog REALCLIMATE: http://www.realclimate.org
- Skeptical science: http://skepticalscience.com/
-Le portail sur le climat du journal Nature:
http://www.nature.com/climate/index.html
- The copenhaguen diagnosis: http://www.copenhagendiagnosis.org/


Quelques ouvrages de vulgarisation
-The Climate Crisis: An Introductary Guide to Climate Change,
D. Archer, S. Rahmstorf, Cambridge University Press, 2010
- Why We Disagree About Climate Change
Mike Hulme, Cambridge University Press, 2009
-Global Warming: Understanding the Forecast,
D. Archer, Blackwell Publishing, 2006



                                  Merci!
The break up of Larsen B ice shelf
Past climate
                    Past climate




GIEC, fig. 2.22, chap. , scientific basis, 2001.
Rayonnement solaire (lumière visible)

                                 Solar radiation



                    Reflected
                    by the atm
          Reflected by
          clouds
                                                    19% absorbed
                                                    by the atm



    Reflected by          51% absorbed by the surface
    the surface




                                                                   .
Global warming




                 .
Incoming   and outgoing radiation with latitude
L’effet de serre
       100%                           58%                       12%

 30%


                 19%                                     135%
                                    Atmosphère,
                                  Gaz a effet de serre




Surface 51%                            96%                 147%
         Rayonnement visible         Tous les systèmes sont à
                                     l’équilibre (atmosphère, surface, Terre)
         Rayonnement infrarouge      mais la surface émet beaucoup plus
                                     que ce qui est reçu du soleil au sommet
                                     de l’atmosphère.
The albedo is not uniform on Earth




The mean albedo is today around 30%
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Le changement climatique (Nov. 2010)

  • 1. Introduction aux fondements scientifiques du changement climatique anthropique Farid Ait Chaalal Atmospheric and Oceanic Sciences McGill University
  • 2. Plan  Climat et changement naturel du climat  L’effet de serre  Changements climatiques au cours du dernier siècle  Scénarios pour le climat au XXIe siècle .
  • 3. Qu’est ce que le climat Climat en un lieu donné: Valeurs statistiques des conditions météorologiques (températures, précipitations, ensoleillement, etc...) sur une période de temps suffisamment longue. Climat: Ensemble de ces conditions sur l’ensemble de l’atmosphère. Changement climatique: Modification au cours du temps de ces valeurs statistiques.
  • 4. Qu’est ce que le climat Le climat n’est pas le temps qu’il fait Nos sens (et nos instruments) ne permettent pas de “ressentir le climat”. On peut être incapable de prévoir le temps qu’il fait, mais être capable de prévoir le climat Le climat n'est pas la “météo”, comme le résultat d'un pile ou face n'est pas la probabilité ½ d'avoir pile et ½ d'avoir face.
  • 5. Le climat: une machine complexe Soleil Energie Atmosphère (CLIMAT) Océans Biosphère Lithosphère - Tectonique des plaques -Volcanisme + Processus internes a chaque élément
  • 6. Les boucles de rétroactions Forçage Réponse initial initiale du système climatique Réponse du système climatique amplifiée par sa dynamique interne Rétroaction positive
  • 7. Forçage Réponse initial initiale du système climatique Réponse du système climatique affaiblie par sa dynamique interne. Rétroaction négative
  • 8. Exemple 1: rétroaction de la vapeur d'eau Forçage initial Réchauffement Réchauffement amplifié Plus de vapeur d'eau dans l'atmosphère Augmentation de l'effet de serre
  • 9. Exemple 2: rétroaction de l'albedo de la glace Forçage initial Réchauffement Réchauffement warming amplifié Moins de neige et de glace: baisse de l'albedo. Plus d‘énergie solaire absorbée par la surface de la Terre
  • 10. Le Changement du climat: un phénomène naturel Cause des changements aux échelles géologiques: - Activité solaire - Changements orbitaux - Tectonique des plaques (position des continents, activité volcanique, météorisation chimique des roches, etc...)
  • 11. Alternance de périodes glaciaires (derniers 400 000 ans) Cause IPCC, 2001.
  • 12. Le dernier maximum glaciaire (18 000 ans avant aujourd'hui) Température moyenne de la Terre inférieure d'environ 5 C Niveau des mers 150 m plus bas Cause: Changements orbitaux Cause: induisant une baisse de la radiation solaire lors de l'été dans l'hémisphère nord. En noir: extension actuelle des L'intensité des glaciations ne calottes glaciaires et des peut être expliquée sans les glaciers de montagne. rétroactions E En gris: extension il y a 21 ka (GES, glaces, etc...) J. Ehlers & P.L. Gibbard, 2007
  • 13. Un élément essentiel du système climatique: l'effet de serre
  • 14. Le soleil: La source d’énergie du système climatique Été dans Si la surface de la l'hemisphe Terre émettait re Nord exactement la quantité d’énergie reçue du soleil, sa température serait de -18 º C Radiations Or la température moyenne solaires (~lumiere est de +15 º C ?!? visible) La présence de l'atmosphère et l'effet de serre qu'elle induit explique cette différence
  • 15. L’effet de serre 1. Absorption de l'énergie Terre solaire par la Terre Atmosphère Idée Soleil fondamentale: Radiation solaire L'atmosphère est Le soleil chauffe transparente aux la Terre 2. Comme tout objet chaud, rayons lumineux la terre émet des radiations La radiation infrarouge est (infrarouge a ces absorbée par l'atmosphère mais opaques températures). aux infrarouges (GES et nuages) 3. La chaleur (infrarouge) irradiée par la Terre est absorbée par les GES et les nuages. L'atmosphère, plus chaude, émet donc également des infrarouges dont une partie est envoyée vers la surface et s'ajoute à la chaleur directe (lumière visible) du soleil.
  • 16. Composition de l’atmosphère Azote (N2): 78% Oxygène (O2): 21% Argon (Ar): 0.9% Et des traces de quelques autres, dont les gaz à effet de serre (GES):  Ozone (O3): 0.000004%  Méthane (CH4): 0.0002%  Dioxyde de carbone (CO2): 0.03%  Vapeur d'eau: 0 a 4% La vapeur d'eau est responsable pour environ 50% de l'effet de serre, tandis que le CO2 est responsable pour environ 20%. Les nuages sont responsables pour environ 25%.
  • 17. Augmentation de la concentration en CO2 dans l’atmosphère Evolution de la concentration en CO2 depuis 10000 ans (IPCC, 2007) Courbe de Keeling: évolution de la concentration en CO2 Entre 1959 et 2002 au sommet du Mauna Loa (Hawaï)
  • 18. Origine anthropique de l’augmenation du CO2 atmosphérique La respiration (plantes et animaux) est relativement riche en (13C), l'isotope stable de carbone le plus lourd. Les hydrocarbures fossiles sont pauvres en (13C). Le ratio entre (13C) et (12C) permet de determiner l'origine du CO2 atmospherique.
  • 19. Ou va le CO2 émis par les activites humaines? Les emissions cumulées de CO2 ont augmentées 2 fois plus vite que la concentration atmosphérique en CO2 Why?
  • 20. Autres effets des activités humaines sur le climat  Aérosols  Utilisation des sols  Traînées d'avion  Extinction des mammouths  Etc... .
  • 21. Changements climatiques au cours du dernier siècle .
  • 22. 1941 2004 Muir Glacier, Alaska .
  • 23. Observations: temperatures moyennes du globe Anomalies des températures de surface sur les continents Anomalies des températures de surface sur les océans Anomalies des températures de surface combinées
  • 24. Comparaison avec d'autres varaiables Température Niveau des oceans Couverture neigeuse dans l’hemisphère nord IPCC, 2007
  • 25. Que nous disent les modèles climatiques: ces changements sont-ils dus aux GES ? .
  • 26. Les modèles de circulation générale (MCG) prennent en compte la structure tridimensionnelle de l'atmosphère et de l'océan + modèles de glace
  • 27. Limitation des modèles  Ordinateurs pas assez puissants (résolution spatiale et temporelle insuffisantes, nombreuses paramétrisations, etc...)  On ne comprend pas tout (Nuages, dynamique des calottes polaires, etc...). Analyses d’ensemble: dizaines de simulations avec des dizaines de modèles… Les MGCs sont validés en simulant le climat des siècles passés. Les résultats sont très satisfaisants.
  • 28. Comparaison des modèles avec les observations En haut: Anomalies de températures observées (noir) et simulées (rouge, moyenne des courbes jaunes) en prenant en compte les forçages anthropiques et naturels. En bas: Anomalies de températures observées (noir) et simulées (bleu, moyenne des courbes cyan) en prenant en compte les forçages naturels uniquement. .
  • 29. Comparaison des modèles avec les observations Noir: Températures observées Rose: Anomalies de températures simulées en prenant en compte les forçages anthropiques et naturels. Bleu: Anomalies de températures simulées en prenant en compte les forçages naturels uniquement. IPCC, summary for policy makers, 2007. .
  • 30. Modification des forcages radiatifs au cours du dernier siecle IPCC, 2007.
  • 31. Modification des forcages radiatifs au cours du dernier siecle
  • 32. La sensibilité du climat: que se passe-t-il lorsque l'on Double la quantite de CO2 dans l'atmosphere?
  • 33. La sensibilité du climat: que se passe-t-il lorsque l'on double la quantité de CO2 dans l'atmosphère?
  • 34. Le cas de l’Arctique Les modèles sous-estiment la fonte Région du monde où le réchauffement est le plus rapide (boucle de rétroaction positive à cause de la fonte) Film
  • 35. Scénarios du GIEC pour le climat au XXIe siècle
  • 36. Les scénarios du GIEC Différents scénarios dépendants d’hypothèses sur notre avenir économique, politique, scientifique….
  • 37. Les scénarios du GIEC IPCC, summary for policy makers, 2007. .
  • 38. Réchauffement climatique non uniforme IPCC, summary for policy makers, 2007. http://www.metoffice.gov.uk/climatechange/science/projections/ .
  • 39. Changement du régime des précipitations IPCC, 2001
  • 40. Sources d'incertitudes Changes in the extent of the region of Greenland over Glace de which summer melting has been observed(Russel Huff and and Konrad Steffen, CIRES/Univ. Colorado) mer Effondrement des Circulation thermohaline inlandsis D'autres: - El Nino/ La Nina - Extension des tropiques - Cycle du carbone - Fonte du permafrost terrestre et sous-marin Points de basculement: - Etc... Ex: assèchement de l'amazonie
  • 41. Changements climatiques (et non « réchauffement »)  Non uniforme sur l’ensemble de la planète (ex: tropiques vs. arctique). Refroidissement dans certaines parties du monde possible…  Changement dans le régime des vents, des précipitations, etc…  Augmentations des phénomènes extrêmes (vagues de chaleur, tempètes de neige, inondations, etc...)
  • 42. Quelques conclusions  La surface de la Terre se réchauffe et le climat change  La concentration dans l’atmosphère des gaz à effet de serre augmente à cause des activitées humaines  Le changement climatique est dû à cette augmentation des gaz a effet de serre  Les changements vont très probablement s’amplifier  Le changement observé a tendance à être plus rapide que prévu... .
  • 43. Pour en savoir plus - Le site du GIEC: http://www.ipcc.ch - Le blog REALCLIMATE: http://www.realclimate.org - Skeptical science: http://skepticalscience.com/ -Le portail sur le climat du journal Nature: http://www.nature.com/climate/index.html - The copenhaguen diagnosis: http://www.copenhagendiagnosis.org/ Quelques ouvrages de vulgarisation -The Climate Crisis: An Introductary Guide to Climate Change, D. Archer, S. Rahmstorf, Cambridge University Press, 2010 - Why We Disagree About Climate Change Mike Hulme, Cambridge University Press, 2009 -Global Warming: Understanding the Forecast, D. Archer, Blackwell Publishing, 2006 Merci!
  • 44. The break up of Larsen B ice shelf
  • 45.
  • 46.
  • 47.
  • 48. Past climate Past climate GIEC, fig. 2.22, chap. , scientific basis, 2001.
  • 49. Rayonnement solaire (lumière visible) Solar radiation Reflected by the atm Reflected by clouds 19% absorbed by the atm Reflected by 51% absorbed by the surface the surface .
  • 51.
  • 52. Incoming and outgoing radiation with latitude
  • 53. L’effet de serre 100% 58% 12% 30% 19% 135% Atmosphère, Gaz a effet de serre Surface 51% 96% 147% Rayonnement visible Tous les systèmes sont à l’équilibre (atmosphère, surface, Terre) Rayonnement infrarouge mais la surface émet beaucoup plus que ce qui est reçu du soleil au sommet de l’atmosphère.
  • 54. The albedo is not uniform on Earth The mean albedo is today around 30%