Les mécanismes du système climatique

Le système climatique évolue au cours du temps sous l’effet de processus internes et de contraintes externes, d’origine naturelle ou humaine. Ce mécanisme définisse la variabilité du climat. Les modèles de climat s’efforcent de simuler au mieux son fonctionnement. 

Les interactions aux seins du système climatique

C’est l’ensemble des processus physiques, chimiques, biologiques cités précédemment qui sont inclus dans chacune des composantes du système climatique, agissant à des échelles de temps et d’espace très diverses. Ces derniers sont « ouverts » et « couplés » : ils échangent de la masse, de l’énergie, de la quantité de mouvement et des constituants minoritaires [62]. Donc, c’est la résultante de l’ensemble du mécanisme interne de la variabilité du climat. Le Couplage Terre-Atmosphère : Le sol et les océans se refroidissent par évaporation et par transpiration de la végétation, une perte d’énergie regagnée par l’atmosphère lorsque la vapeur d’eau se condense. L’eau retourne à la Terre et à l’océan par les précipitations, les rivières et les fleuves (cycle de l’eau). Le Couplage Océan-Atmosphère : L’océan couvre environ 70 % de la surface du globe. La surface de la mer est le lieu de transmission de l’énergie et la matière de l’océan vers l’atmosphère sous forme de chaleur sensible et de chaleur latente, et du milieu extérieur (atmosphère, espace) vers l’océan sous forme de rayonnement. En retour l’énergie venant de l’océan est régie par un phénomène de rétroaction vers l’atmosphère affectant la circulation atmosphérique, le temps et le climat. Les différences d’échelle des variations spatiales et temporelles entre les deux milieux rendent très complexes les processus d’échange, qui dépendent des régions océaniques. En effet, le cycle d’évolution d’une particule dans l’atmosphère est de l’ordre du jour et de la semaine, pour l’océan, elle est de l’ordre du millier d’année. La résultante de ces faits est la dynamique de l’atmosphère et de l’océan.

Les perturbations

Le climat peut être perturbé par de nombreux facteurs. Ces perturbations peuvent avoir une origine naturelle ou être dues aux activités humaines (perturbations anthropiques). Forçage climatique : En climatologie, on parle de forçage (climatique ou radiatif) pour désigner les perturbations dans l’équilibre énergétique de la Terre, qui engendrent des changements de températures. Il s’agit donc de la différence entre l’énergie radiative reçue et l’énergie radiative émise par un système climatique donné. Positif (plus d’énergie reçue qu’émise), il tend à réchauffer le système. Négatif (plus d’énergie émise que reçue), il tend vers un refroidissement. On distingue classiquement les forçages naturels (solaire et volcanique) et les forçages anthropiques : Partie I : Cadre de l’étude 18 ❖ Les forçages naturels : La perturbation d’origine solaire (ou forçage externe, astronomique) provient principalement de la variation dans le temps de l’activité solaire ainsi que des variations astronomiques de l’orbite terrestre. Le forçage volcanique résulte de l’émission dans l’atmosphère, durant les éruptions volcaniques, d’importantes quantités de poussières et de gaz qui contribuent à rendre l’atmosphère moins transparente au rayonnement solaire (effet parasol conduisant à un refroidissement). ❖ Les forçages anthropiques : les émissions de GES et d’aérosols, la déforestation et plus généralement la modification des surfaces végétales par les activités humaines. Figure 7 : Forçage climatique mondial Source : GIEC

Ondes équatoriales

Principaux facteurs du mécanisme des variabilités climatiques ENSO et IOD. Notamment les ondes de Kelvin et Rossby. Ce sont des ondes océaniques baroclines non dispersives dont la vitesse de phase décroît avec la profondeur de l’interface, en considérant la force de Coriolis : la vitesse maximale correspond au premier mode barocline, c’est à dire à l’oscillation de la thermocline. Sous les tropiques, la circulation océanique est différente de celle des moyennes et hautes latitudes car l’ensoleillement y est plus intense et l’influence de la rotation de la Terre y est plus subtile. Cette influence s’exprime comme une force s’exerçant sur les fluides océanique et atmosphérique, appelée force de Coriolis. Loin de l’équateur celle-ci est importante et, combinée au forçage exercé par les vents, donne lieu à des circulations fermées sous forme de grands tourbillons (gyres). À mesure que l’on se rapproche de l’équateur, la force de Coriolis diminue, pour finalement s’annuler à l’équateur. Alors que ses variations méridiennes sont négligeables loin de l’équateur, elles sont primordiales pour la dynamique équatoriale. En prenant en compte la variation de la force de Coriolis avec la latitude dans les équations du mouvement océanique a, linéarisées autour d’un état d’équilibre, des solutions  ondulatoires sont obtenues (Matsuno, 1966) ; cela signifie que le mouvement océanique autour de l’équateur, approximativement entre 10°N et 10° S, peut être décomposé comme une superposition d’ondes. Une onde consiste en une anomalie du niveau de l’eau et de la profondeur de la thermocline, associée à une anomalie de courant, qui se propage le plus souvent le long du « guide d’ondes » équatorial. Dans le cas d’une élévation du niveau de l’eau accompagnée d’un approfondissement de la thermocline, on parlera d’onde de downwelling ; dans le cas contraire, d’une onde d’upwelling. Il existe différents types d’ondes. Celles qui jouent le plus grand rôle dans le fonctionnement d’ENSO et de l’IOD sont les ondes de grande échelle et basse fréquence dites « de Kelvin » et « de Rossby » (Lighthill, 1969 ; Gill et Clarke, 1974). Une onde de Kelvin (trait plein) est une anomalie à l’équateur qui se propage vers l’est à une vitesse proche de 3,0 m/s, tandis qu’une onde de Rossby (trait pointillé) se caractérise par deux anomalies symétriques de part et d’autre de l’équateur qui se propagent vers l’ouest à une vitesse proche de 1,0 m/s. L’amplitude de chaque onde est exprimée en cm de niveau de la mer (ceci correspondant à un coefficient unité de l’onde), Figure 8. Figure 8 : -Structure méridienne des ondes en fonction de la latitude Source : CNRS Une anomalie de vent, par exemple, engendre la formation d’ondes de Kelvin et de Rossby, comme décrite par la figure 9 ci-dessous. Anomalies de la profondeur de la thermocline (traits pleins : approfondissement, pointillés : élévation) et de courant (flèches foncées) associées aux ondes de Kelvin et de Rossby formées par un coup de vent d’ouest (flèche épaisse). Figure 9 : Propagation des ondes de Kelvin et de Rossby. Schéma adapté de Philander et al. (1984) et Boulanger (2003). + Figure 10 : Coefficients des ondes de Kelvin (à droite) et Rossby (à gauche) en fonction de la longitude et du temps, calculés à partir des données du réseau de mouillage TOGA-TAO, 1993 Source : CNRS [62] Pour connaître l’amplitude de l’onde à une latitude donnée, il faut multiplier le coefficient indiqué par l’amplitude de la structure méridienne représentée en figure 10. Les ondes d' »upwelling » (abaissement du niveau de la mer) sont donc représentés en bleu-vert et celles de « downwelling » (élévation du niveau de la mer) en jaune-rouge. On peut, par exemple, constater (figure de gauche) la génération d’une onde de Kelvin de « downwelling » à 140E en novembre 1993, d’amplitude à l’équateur de (12×0,5) soit 6 cm, qui se propage vers l’est et arrive en s’atténuant en février 93 à 90W. On peut également remarquer (figure de droite) la naissance d’une onde de Rossby d' »upwelling » à 110W, d’amplitude à 4°N et 4°S de (21×0,38) soit 8 cm, se propageant vers l’ouest et arrivant en août à 160E . 

Les rétroactions climatiques

Une rétroaction désigne l’action en retour d’un système à la modification d’un paramètre. Les mécanismes de rétroaction peuvent amplifier le changement (rétroaction positive) ou le freiner (rétroaction négative). ❖ La vapeur d’eau : Principal gaz à effet de serre, la vapeur d’eau réagit très vite aux changements climatiques : plus il fait chaud, plus l’eau s’évapore et plus l’atmosphère contient de vapeur d’eau, ce qui augmente encore l’effet de serre et renforce de ce fait le réchauffement. En Europe, 70 % du réchauffement actuel proviendrait de la vapeur d’eau. ❖ Le cycle du Carbone : La possibilité d’une rétroaction positive entre changement climatique d’origine anthropique et cycle du carbone a été mise en évidence depuis peu. L’évolution de la température et des teneurs en vapeur d’eau de l’atmosphère pourrait en effet diminuer significativement l’efficacité des puits naturels (océan et végétation) à absorber le CO2 anthropique. Ceci aurait pour conséquence une accélération de l’augmentation de la concentration du CO2 atmosphérique et donc une  amplification du changement climatique. Et notons que, d’après le rapport du GIEC en 2007, le taux de dioxyde de carbone a passé de 280 à 293 parties par million [43]. 5. L’effet de serre C’est un sous-système propre à l’atmosphère. Suite à l’énergie solaire absorbée, la surface terrestre émet en retour un rayonnement infrarouge que les nuages et les gaz à effet de serre (vapeur d’eau, dioxyde de carbone, ozone et méthane pour les plus importants) absorbent et retournent en grande partie vers le sol par l’intermédiaire des molécules de l’atmosphère qui diffuse l’IR dans toutes les directions. Une partie de cette dernière est perdue dans l’espace. La différence entre l’IR perdues dans l’espace et émises dans l’atmosphère et le sol par les molécules de GES, sous forme de chaleur piégée, un peu comme sous les vitres d’une serre constitue l’effet de serre [53] [30]. Pour une estimation grossière, la valeur de l’effet de serre normale est de 155 W.m-2 qui correspond à une température de 33°C. Le forçage radiatif est de 2,4 W.m-2 , soit +1,5°C (GIEC, Mars 2017). C’est l’effet de serre additionnel anthropique.