La Physique du climat : Détails des expériences.

Le gaz principalement incriminé dans le réchauffement climatique est le CO2, produit lors de la combustion de la matière organique notamment. C'est un gaz à effet de serre.

poster effet de serre

Qu'est-ce que l'effet de serre ?

Le rayonnement solaire incident arrivant à la surface de la Terre échauffe celle-ci (1). La Terre réemet l'énergie reçue sous forme de rayonnement infrarouge (2). Cependant, une partie de ce rayonnement est absorbé par les gaz à effet de serre (3) qui le réémettent dans toutes les directions de l'espace. La partie renvoyée vers la surface terrestre va réchauffer la planète (4). On parle alors d'un effet de serre. Plus les gaz à effet de serre sont importants, plus l'effet de serre et le réchauffement associé sont importants. C'est ainsi que le CO2 agit sur le réchauffement climatique. Mais attention: le CO2 est loin d'être le seul gaz à effet de serre! Le principal gaz à effet de serre est la vapeur d'eau. Le méthane CH4, produit notamment par les ruminants, les incendies... est aussi un gaz à effet de serre.

L'eau a un rôle complexe sur le climat. Avec le réchauffement climatique, l'atmosphère plus chaude peut contenir une quantité beaucoup plus importante de vapeur d'eau, gaz à effet de serre. Le réchauffement est alors renforcé. On parle d'un rétrocontrôle positif de la vapeur d'eau sur le réchauffement climatique.
D'autre part, la vapeur d'eau conduit à la formation des nuages. Ceux-ci absorbent une partie de l'énergie solaire incidente, diminuant alors l'énergie solaire reçue à la surface de la Terre. Mais les nuages contribuent aussi à l'effet de serre, ce qui rend leur impact sur le climat difficilement prévisible.

L'ozone est un gaz dont l'effet varie suivant la couche atmosphérique dans laquelle il se situe. Lorsqu'il est situé dans la couche atmosphérique la plus basse, il joue le rôle de gaz à effet de serre. De plus à ce niveau, il est nocif pour l'organisme. C'est de cet ozone-là qu'il est question lorsque l'on parle des pics de pollution à l'ozone. D'un autre côté, lorsque l'ozone est situé dans une couche atmosphérique supérieure, c'est un constituant essentiel qui filtre les rayons ultraviolets du soleil. C'est la fameuse couche d'ozone, qui est menacée au niveau des pôles en cas d'usage excessif d'aérosols. Le lien entre la destruction de la couche d'ozone et le réchauffement climatique n'est pas évident.

Plus la surface reçoit de l'energie solaire, plus elle s'échauffe. Cependant, la surface de la planète n'est pas uniforme: déserts, forêts, glaces. Un autre paramètre important dans le contrôle de la température en surface est l'ALBEDO.

Qu'est-ce que l'albedo?

Expérience: Eclairer un carton blanc et un carton noir de même surface avec la même lampe: le carton noir est très vite plus chaud que le carton blanc.

Les surfaces claires réfléchissent fortement la lumière incidente tandis que les surfaces sombres l'absorbent. L'échauffement de la surface est alors plus important pour des forêts que pour des glaciers.

Ainsi, lors des glaciations, l'augmentation de la quantité de glace accélère le refroidissement. En effet, en réfléchissant le rayonnement solaire incident, l'énergie absorbée à la surface de la planète est très diminuée. On parle d'un rétrocontrôle positif de la glace sur le refroidissement.

Une augmentation significative du niveau des mers a été observée au cours du dernier siècle.

Quel est le processus à l'origine de l'augmentation du niveau des mers?

exp. fonte des glaces

Expérience 1: La fonte des glaces de mer:
On dispose un glaçon (1) dans de l'eau chaude (2) et on marque le niveau de l'eau (3) immédiatement. Quand le glaçon est fondu, où se situe le niveau de l'eau? Le niveau de l'eau n'a pas changé.

En effet, la glace prend plus de place que l'eau, en fondant elle n'augmente donc pas le niveau de l'eau.
Ainsi les glaces de mer comme les banquises ou les icebergs n'augmentent pas le niveau des mers en fondant. Par contre, les glaciers terrestres (glaciers des montagnes, glaces continentales de l'Antarctique) augmenteraient le niveau des mers en fondant. Mais ceci n'est pour le moment pas la principale origine de l'augmentation du niveau des mers.

thermomètre

Expérience 2: La dilatation thermique: On prend un récipient bouché par un bouchon percé, dans lequel on place une pipette graduée. Le tout est rempli d'eau froide colorée en bleu. On repère le niveau de l'eau dans la pipette au début de l'expérience. Puis on place le récipient dans de l'eau chaude et on regarde l'évolution du niveau d'eau dans la pipette. On observe une augmentation du niveau de l'eau dans la pipette.

En plaçant le récipient dans un bocal d'eau chaude, la température de l'eau du récipient augmente. Or, le volume de l'eau chaude est plus important que le volume de l'eau froide. Ceci explique alors l'augmentation du niveau de l'eau dans la pipette graduée. On parle de la dilatation thermique. C'est le même phénomène qui se produit au niveau des océans. La température de l'eau des mers augmente à cause de l'augmentation des températures de l'air. L'eau plus chaude se dilate alors. C'est ce qui explique aujourd'hui l'augmentation du niveau des mers.

L'énergie solaire n'est pas distribuée de façon homogène sur la planète. Elle est plus importante à l'équateur qu'aux pôles. Les courants océaniques, de même que les courants atmosphériques redistribuent l'énergie solaire. Quel est le rôle de la circulation océanique dans le réchauffement climatique?

La circulation thermohaline et le réchauffement climatique :

exp. Circulation Thermoaline.

Expérience: On prend deux bouteilles en plastique reliées par deux pailles à des hauteurs différentes. Une bouteille est remplie avec de l'eau chaude colorée en rouge (1) et l'autre avec de l'eau froide colorée en bleue (2). Au moment du remplissage les pailles sont bloquées par des pinces à linge. Une fois les bouteilles remplies, les épingles sont sorties et on observe les flux d'eau. L'eau chaude circule dans la paille du haut (3') et se déverse en haut de la bouteille remplie d'eau froide (4'), tandis que l'eau froide circule dans la paille du bas (3) et se déverse en bas de la bouteille remplie d'eau chaude (4).

L'eau froide a tendance à plonger car elle est plus dense; au contraire, l'eau chaude, moins dense, a tendance à remonter. C'est ce que l'on observe à plus grande échelle dans l'océan Atlantique entre l'Equateur et le Pôle Nord par exemple. L'eau de surface chaude et salée provenant de l'Equateur circule vers le Nord. Près des pôles, elle se refroidit. De plus, lors de la formation de glace de mer, le sel s'accumule dans l'eau. Cette eau froide et salée devient alors très dense, et donc plonge. Elle retourne alors vers l'Equateur, en profondeur. On parle de la circulation thermohaline (contrôle de la circulation lié aux températures "thermo" et à la salinité "halin").

Les courants océaniques chauds tels le Gulf Stream et la Dérive Nord Atlantique, qui viennent réchauffer les côtes européennes, se branchent sur cette circulation thermohaline. Que se passerait-il si on perturbait cette circulation? En effet, avec le réchauffement climatique, les glaces de mer du pôle Nord ont tendance à fondre. Cela constitue un apport d'eau douce qui abaisse la salinité de l'eau de mer, et donc sa densité. L'eau froide moins dense plongerait alors moins. La circulation thermohaline s'affaiblirait et les côtes européennes seraient alors moins réchauffées par les courants chauds. C'est ainsi que certains climatologues prévoient un refroidissement en Europe dans un contexte général de réchauffement de la planète. Le réchauffement climatique n'est donc pas un phénomène homogène sur la Terre.