La complexité du système climatique

a) Une information météorologique décrit l'état de l'atmosphère en un lieu à un moment donné (mesure ou prévision à quelques jours). Une information climatique est une moyenne sur une longue période, en général 30 ans.

• Météorologie : 1 (prévision pour le lendemain), 3 (mesure lors d'un événement daté), 6 (événement d'un seul jour).
• Climat : 2 et 4 (moyennes sur 1991-2020), 5 (comparaison de deux moyennes trentenaires).

b) L'information 5 ne décrit aucun jour particulier : elle compare deux moyennes calculées chacune sur 30 ans (1961-1990 et 1991-2020). Elle traduit donc l'évolution d'une caractéristique du climat local. Ce type d'étude relève de la climatologie, qui analyse les variations du climat à moyen ou long terme.

c) Une chute de neige un jour donné est un événement météorologique isolé. Le climat se définit par des moyennes sur une trentaine d'années : un épisode froid ne modifie presque pas ces moyennes et ne dit rien de leur tendance. Conclure sur le climat à partir d'un événement ponctuel revient à confondre météo et climat ; il faudrait comparer, par exemple, les températures moyennes d'hiver de deux périodes de 30 ans.

a) Une anomalie est un écart à une moyenne de référence. Une anomalie de 0,85 °C signifie que la température moyenne du globe sur 2001-2010 a été supérieure de 0,85 °C à la moyenne de 1850-1900 ; ce n'est pas la température elle-même.

b) Augmentation : $1,09-0,27=0,82$ °C.
Les deux décennies sont séparées de 50 ans, soit 5 décennies. Rythme moyen : $\frac{0,82}{5}\approx 0,16$ °C par décennie.
L'anomalie a augmenté de 0,82 °C, soit environ 0,16 °C par décennie.

c) Entre 1961-1970 et 1981-1990 (20 ans) : $\frac{0,48-0,27}{2}=\frac{0,21}{2}\approx 0,11$ °C par décennie.
Entre 1991-2000 et 2011-2020 (20 ans) : $\frac{1,09-0,62}{2}=\frac{0,47}{2}\approx 0,24$ °C par décennie.
Le rythme a plus que doublé : le réchauffement global s'accélère sur la période étudiée.

a) L'albédo d'une surface est la fraction du rayonnement solaire incident qu'elle réfléchit ; c'est un nombre sans unité compris entre 0 et 1. La fraction absorbée vaut donc $1-A$.

b) Glacier : $P_{abs}=(1-0,80)\times 180=0,20\times 180=36$ W·m⁻².
Roche : $P_{abs}=(1-0,12)\times 180=0,88\times 180=158,4$ W·m⁻².
Le glacier absorbe 36 W·m⁻², la roche environ 158 W·m⁻².

c) $\frac{158,4}{36}=4,4$ : la roche absorbe environ 4,4 fois plus d'énergie que le glacier. Quand le glacier recule, la surface découverte, plus sombre, se réchauffe davantage, ce qui accélère la fonte de la glace voisine. Le réchauffement initial est amplifié : c'est une rétroaction positive liée à la baisse de l'albédo.

a) La surface $S$ étant constante, une variation de volume $\Delta V$ de la couche se traduit par une variation de son épaisseur, donc du niveau de la mer : $\Delta V=S\times \Delta h$.
Par ailleurs, $\Delta V=\alpha \times V\times \Delta T=\alpha \times S\times h\times \Delta T$.
En égalant : $S\times \Delta h=\alpha \times S\times h\times \Delta T$, et en divisant par $S\ne 0$ : $\Delta h=\alpha \times h\times \Delta T$.

b) $\Delta h=2,5\times {10}^{-4}\times 500\times 0,6=7,5\times {10}^{-2}$ m.
Le niveau s'élève d'environ 7,5 cm.

c) $\Delta V$$=S\times \Delta h$$=3,6\times {10}^{14}\times 7,5\times {10}^{-2}$$=2,7\times {10}^{13}$ m³.
L'océan gagne environ 2,7 × 10¹³ m³, soit 27 000 km³.

d) Avec $h=3700$ m : $2,5\times {10}^{-4}\times 3700\times 0,6\approx 0,56$ m. Ce calcul suppose que toute la colonne d'eau, jusqu'au fond, se réchauffe de 0,6 °C. Or l'énergie supplémentaire est absorbée par la surface de l'océan ; les eaux profondes, isolées de l'atmosphère, se réchauffent beaucoup plus lentement et beaucoup moins. De plus, $\alpha$ est plus faible dans les eaux froides des profondeurs. Le modèle n'est valable que pour la couche qui se réchauffe effectivement : l'élève surestime la hausse.

a) Le déséquilibre de 0,7 W s'applique à chaque mètre carré : $P=0,7\times 5,1\times {10}^{14}=3,57\times {10}^{14}$ W.
La Terre reçoit en excès environ 3,6 × 10¹⁴ W.

b) $E=P\times \Delta t=3,57\times {10}^{14}\times 3,16\times {10}^7\approx 1,13\times {10}^{22}$ J.
Le système accumule environ 1,1 × 10²² J par an.

c) Énergie stockée par l'océan : $E_{oc}=0,90\times 1,13\times {10}^{22}\approx 1,02\times {10}^{22}$ J.
De $Q=m\times c\times \Delta T$, on tire $\Delta T$$=\frac{E_{oc}}{m\times c}$$=\frac{1,02\times {10}^{22}}{2,6\times {10}^{20}\times 4,0\times {10}^3}$$=\frac{1,02\times {10}^{22}}{1,04\times {10}^{24}}$$\approx 9,8\times {10}^{-3}$ °C.
La couche 0-700 m se réchauffe d'environ 0,01 °C en un an.

d) Une énergie énorme, de l'ordre de 10²² J, ne produit qu'un réchauffement d'un centième de degré de l'océan superficiel, car la masse d'eau et sa capacité thermique sont très grandes. En absorbant l'essentiel de l'énergie supplémentaire, l'océan limite le réchauffement de l'air à court terme ; en contrepartie, cette énergie stockée sera restituée lentement, d'où l'inertie du climat sur plusieurs siècles.

a) 1970-1990 : $\frac{354,4-325,7}{20}=\frac{28,7}{20}\approx 1,4$ ppm/an.
1990-2010 : $\frac{390,1-354,4}{20}=\frac{35,7}{20}\approx 1,8$ ppm/an.
2010-2023 : $\frac{421,1-390,1}{13}=\frac{31,0}{13}\approx 2,4$ ppm/an.
La teneur en CO₂ augmente, et de plus en plus vite.

b) Amplitude : $404,2-397,8=6,4$ ppm. Au printemps et en été, la végétation de l'hémisphère Nord, qui porte l'essentiel des terres émergées, est en pleine croissance : la photosynthèse prélève du CO₂ et la teneur baisse jusqu'en septembre. En automne et en hiver, la respiration et la décomposition l'emportent et la teneur remonte jusqu'au maximum de mai. L'oscillation reflète le cycle saisonnier de la végétation de l'hémisphère Nord.

c) Rythme de la déglaciation : $\frac{80}{6000}\approx 1,3\times {10}^{-2}$ ppm/an.
Rapport : $\frac{2,4}{1,33\times {10}^{-2}}\approx 180$.
La hausse actuelle est environ 180 fois plus rapide que lors d'une hausse naturelle pourtant importante : un tel rythme est inédit depuis des centaines de milliers d'années.

d) La cause principale est la combustion des combustibles fossiles (charbon, pétrole, gaz), qui libère du carbone stocké depuis des millions d'années ; la déforestation y contribue aussi. La hausse coïncide avec l'essor industriel et suit l'augmentation des émissions.

a) Réchauffement → le pergélisol (sol gelé en permanence) dégèle en partie → la matière organique qu'il contient est décomposée par les micro-organismes → libération de CO₂ et de CH₄, deux gaz à effet de serre → forçage radiatif accru → réchauffement renforcé. Rétroaction positive.

b) Réchauffement → l'eau de surface de l'océan se réchauffe → elle dissout moins de CO₂ → l'océan absorbe moins de CO₂ (voire en libère), et une plus grande part du CO₂ émis reste dans l'atmosphère → effet de serre renforcé → réchauffement accru. Rétroaction positive.

c) Hausse du CO₂ (et réchauffement) → photosynthèse et croissance végétale accrues → davantage de CO₂ prélevé dans l'air et stocké dans la biomasse → la hausse du CO₂ est freinée → réchauffement atténué. Rétroaction négative, efficace à court terme seulement : ce puits dépend de l'eau, des nutriments, et le carbone stocké peut être relâché (incendies, sécheresses).

d) En climatologie, « positive » décrit le sens de l'effet, pas sa valeur : une rétroaction positive amplifie la perturbation qui l'a déclenchée. Face au réchauffement actuel, elle aggrave donc le réchauffement : c'est plutôt une mauvaise nouvelle. L'élève confond le vocabulaire scientifique et le sens courant du mot.

1. Entre 1901-1930 et 1961-1990, le début des vendanges avance lentement : du 26 au 22 septembre, soit 4 jours en 60 ans. Entre 1961-1990 et 1991-2020, il avance de 10 jours (du 22 au 12 septembre) en 30 ans seulement. Les vendanges sont de plus en plus précoces, avec une nette accélération à la fin du XXe siècle.

2. D'après le document 2, 7 jours d'avance correspondent à +1 °C.
Entre 1961-1990 et 1991-2020 : $\frac{10}{7}\approx 1,4$ °C.
Entre 1901-1930 et 1961-1990 : $\frac{4}{7}\approx 0,6$ °C.
La saison de végétation s'est réchauffée d'environ 1,4 °C entre les deux dernières périodes, bien plus qu'au cours des six décennies précédentes.

3. La date des vendanges d'une année dépend du temps qu'il a fait cette année-là (printemps froid, été caniculaire, orages) : c'est une information de nature météorologique, très variable d'une année à l'autre. Une moyenne sur 30 ans lisse ces fluctuations et fait ressortir la tendance, qui seule renseigne sur le climat, défini justement par des moyennes trentenaires.

4. La date des vendanges ne dépend pas que de la température : le choix du vigneron (vendanger tôt pour un vin plus frais, ou tard pour plus de sucre), les changements de cépage ou de porte-greffe, les techniques de culture peuvent avancer ou retarder la récolte. De plus, la relation du document 2 (7 jours par degré) est une estimation, supposée constante dans le temps. L'indicateur est donc indirect : l'estimation de 1,4 °C est un ordre de grandeur, à confronter à des mesures de température.

5. Le vignoble montre un réchauffement de la saison de croissance qui s'accélère à partir des années 1990, comme la température moyenne du globe. Ce signal va dans le même sens que les autres indicateurs globaux (température, niveau des océans, recul des glaciers). Mais il s'agit d'un seul lieu et d'une seule saison : un indicateur local peut être influencé par des effets régionaux. Il est cohérent avec le réchauffement global, qui ne peut être établi que par un ensemble de mesures réparties sur tout le globe.

1. La surface des océans étant supposée constante, l'élévation due à la dilatation d'une couche d'épaisseur $h$ vaut $\Delta h=\alpha \times h\times \Delta T$.
$\Delta h=1,8\times {10}^{-4}\times 1500\times 0,12=3,24\times {10}^{-2}$ m.
La dilatation thermique explique environ 3,2 cm, soit environ 3 cm.

2. Volume d'eau liquide apporté : $V=\frac{m}{\rho }=\frac{1,6\times {10}^{16}}{1,0\times {10}^3}=1,6\times {10}^{13}$ m³.
Surface des océans : $361\times {10}^6$ km² $=3,61\times {10}^{14}$ m².
$\Delta h=\frac{V}{S}=\frac{1,6\times {10}^{13}}{3,61\times {10}^{14}}\approx 4,4\times {10}^{-2}$ m.
La fonte des glaces continentales explique environ 4,4 cm.

3. Somme : $3,2+4,4=7,6$ cm, contre 10,3 cm observés. Écart : environ 2,7 cm, soit un peu plus du quart de la hausse. Explications possibles : le réchauffement des eaux situées sous 1 500 m, non compté ici ; d'autres apports d'eau à l'océan (pompage des nappes souterraines, variations du stockage d'eau sur les continents) ; les incertitudes sur les masses de glace perdues et sur la température moyenne de l'océan. Le bilan est bouclé aux trois quarts avec ces deux seules causes.

4. La banquise est de la glace de mer qui flotte déjà : d'après le principe d'Archimède, elle déplace un volume d'eau dont la masse est égale à la sienne. En fondant, elle occupe à peu près ce même volume : le niveau ne change quasiment pas. La forte régression de la banquise (document 4) est un indicateur spectaculaire du réchauffement, mais pas une cause de montée des eaux ; les causes sont la dilatation thermique et la fonte des glaces posées sur les continents.

5. L'océan a stocké l'essentiel de l'énergie accumulée depuis l'ère industrielle. Cette chaleur continue de se propager lentement vers les couches profondes, qui se dilatent à leur tour, et les calottes, déséquilibrées, continuent de perdre de la glace pendant des siècles. De plus, l'océan ne restitue que très lentement l'énergie stockée. L'inertie de l'océan et des calottes rend la hausse du niveau de la mer irréversible à l'échelle de plusieurs siècles.

1. Le forçage radiatif est la différence entre la puissance radiative reçue et la puissance radiative émise par le système climatique, par mètre carré. Un forçage positif (gaz à effet de serre) fait accumuler de l'énergie au système : il tend à le réchauffer. Un forçage négatif (aérosols, qui réfléchissent le rayonnement solaire et rendent les nuages plus réfléchissants ; sols déboisés, plus clairs) tend à le refroidir.

2. Le forçage anthropique regroupe tous les facteurs sauf l'activité solaire :
$F$$=2,16+0,54+0,21+1,10-1,10-0,20$$=2,71$ W·m⁻².
Part du CO₂ : $\frac{2,16}{2,71}\approx 0,80$.
Le forçage anthropique vaut environ 2,7 W·m⁻², dont environ 80 % dû au CO₂.

3. $\frac{2,71}{0,01}=271$ : le forçage solaire est environ 270 fois plus faible que le forçage anthropique. Un facteur aussi faible ne peut pas produire un réchauffement d'environ 1 °C. Le réchauffement depuis 1750 est dû aux activités humaines, et non au Soleil (qui a pourtant joué un rôle majeur dans les variations naturelles passées, sur d'autres échelles de temps).

4. Les gaz à effet de serre seuls donnent $2,16+0,54+0,21+1,10=4,01$ W·m⁻². Les aérosols et le changement d'usage des sols retranchent $1,30$ W·m⁻² : ils masquent environ un tiers du forçage des gaz ($\frac{1,30}{4,01}\approx 0,32$). Par ailleurs, l'inertie de l'océan retarde la réponse en température : le système n'a pas encore atteint son nouvel équilibre.

5. D'après le document 2, la vapeur d'eau ne reste qu'une dizaine de jours dans l'atmosphère, et sa teneur est limitée par la température de l'air. Toute vapeur ajoutée par l'homme retombe en quelques jours : les émissions humaines directes ne modifient pas durablement sa teneur. En revanche, si l'air se réchauffe sous l'effet des autres forçages, il contient davantage de vapeur, ce qui renforce l'effet de serre. La vapeur d'eau n'est pas un forçage mais une rétroaction positive : elle amplifie le réchauffement provoqué par les autres facteurs.