Le climat et ses variations

Exercice 1 — Restitution organisée : reconstituer les climats du passé

Attendus de la restitution organisée (barème indicatif sur 6 pts).

Introduction (0,5 pt). Avant les mesures instrumentales (depuis le XIXe siècle seulement), le climat passé ne peut être connu qu'indirectement, par des indicateurs paléoclimatiques (proxies). Problématique : comment ces archives reconstituent-elles le climat et que nous apprennent-elles ?

I. La diversité des indicateurs paléoclimatiques (1,5 pt). Un proxy est un enregistrement naturel dont une propriété varie avec un paramètre climatique. Exemples attendus (au moins trois) : cernes d'arbres (dendrochronologie, résolution annuelle, température/humidité) ; foraminifères marins (δ¹⁸O du test → température et volume des glaces) ; pollens (végétation → climat) ; coraux, spéléothèmes. Chaque proxy doit être étalonné sur des données instrumentales actuelles.

II. La carotte de glace, archive privilégiée (2 pts). Cylindre extrait par forage dans les inlandsis ; chaque couche = une accumulation de neige. Deux informations majeures : (1) la composition isotopique de la glace (δ¹⁸O, δD) renseigne sur la température de condensation des précipitations ; (2) les bulles d'air piégées lors de la compaction (vers 50–80 m) sont des échantillons directs de l'atmosphère ancienne → mesure de CO₂, CH₄, N₂O. Archives de référence : Vostok (~420 000 ans), EPICA Dome C (~800 000 ans).

III. Ce que révèlent ces enregistrements (1,5 pt). Alternance régulière de périodes glaciaires et interglaciaires (8 cycles sur 800 000 ans). Forte corrélation température / CO₂ : CO₂ ≈ 180 ppm en glaciaire, ≈ 280 ppm en interglaciaire ; écart de température de 8 à 10 °C à Vostok. Mise en évidence des cycles de ~100 000, 41 000 et 23 000 ans validant la théorie de Milanković.

Conclusion (0,5 pt). Les indicateurs paléoclimatiques, et surtout les carottes de glace, offrent une mémoire du climat sur près d'un million d'années ; ils servent de référence pour mesurer le caractère exceptionnel des variations actuelles (CO₂ > 420 ppm, jamais atteint sur cette période).

Critères de notation : exactitude scientifique, organisation (plan apparent), vocabulaire spécifique, présence d'exemples chiffrés. Un schéma clair (couche de glace, bulle d'air, δ¹⁸O) est valorisé.

Exercice 2 — Raisonnement scientifique : attribuer le réchauffement actuel

Démarche attendue (barème indicatif sur 6 pts). Un raisonnement scientifique = problème posé, exploitation ordonnée des documents, mobilisation des connaissances, conclusion argumentée.

Saisie d'informations — Doc 1 (1,5 pt). Le CO₂ atmosphérique augmente de façon continue et régulière, de 316 ppm en 1960 à 420 ppm en 2023 (+ ~104 ppm en 63 ans, soit ~2 ppm/an récemment). Cette hausse rapide et monotone est cohérente avec les émissions liées à la combustion des énergies fossiles. (On peut signaler que la courbe réelle présente des oscillations saisonnières dues à la photosynthèse de la biosphère continentale.)

Saisie d'informations — Doc 2 (1,5 pt). Le carbone fossile est appauvri en ¹³C et dépourvu de ¹⁴C. La baisse mesurée de ¹³C et de ¹⁴C dans le CO₂ atmosphérique depuis 1850 (effet Suess) indique que le CO₂ ajouté provient bien de carbone fossile, donc d'une source anthropique, et non d'un dégazage volcanique ou océanique.

Mise en relation et connaissances (2 pts). Les GES, dont le CO₂, absorbent le rayonnement infrarouge terrestre : l'augmentation de leur concentration accroît le forçage radiatif et donc la température (effet de serre additionnel, amplifié par des rétroactions positives). Pour écarter une cause naturelle : (a) la vitesse actuelle (+1,1 °C en ~170 ans ≈ 0,65 °C/siècle) est ~10 fois supérieure à celle des transitions glaciaires naturelles ; (b) le niveau de CO₂ (> 420 ppm) dépasse tout ce qu'on observe dans les 800 000 ans d'archives glaciaires ; (c) les modèles climatiques ne reproduisent le réchauffement observé qu'en intégrant les forçages anthropiques, les forçages naturels seuls (solaire, volcanisme) étant insuffisants.

Conclusion (1 pt). La convergence de ces preuves — hausse rapide et continue du CO₂ (doc 1), signature isotopique fossile (doc 2), incompatibilité avec les rythmes et niveaux naturels, et nécessité du forçage anthropique dans les modèles — permet d'attribuer avec une grande confiance le réchauffement actuel aux activités humaines.

Exercice 3 — Analyse de document : rétroaction albédo-glace

Démarche attendue (barème indicatif sur 4 pts).

Lecture du document (1 pt). La neige fraîche a l'albédo le plus élevé (~0,85), suivie de la glace de mer (~0,6) ; l'océan libre a l'albédo le plus faible (~0,06), la forêt étant intermédiaire (~0,15). Un albédo élevé signifie qu'une grande part du rayonnement solaire est réfléchie vers l'espace ; un albédo faible signifie une forte absorption.

Mécanisme de rétroaction (2 pts). Boucle : réchauffement initial → fonte de la banquise → remplacement d'une surface à fort albédo (glace ~0,6) par une surface à faible albédo (océan ~0,06) → l'océan absorbe beaucoup plus de rayonnement solaire → réchauffement supplémentaire des eaux de surface → fonte accrue de la glace restante… La perturbation initiale est amplifiée : c'est une rétroaction positive.

Conclusion (1 pt). Cette rétroaction albédo-glace explique pourquoi l'Arctique se réchauffe environ deux à trois fois plus vite que la moyenne mondiale (amplification arctique). « Positive » désigne ici l'amplification, non un effet bénéfique.

Exercice 4 — Questions de cours appliquées

Éléments de correction (barème indicatif sur 4 pts).

1. Sensibilité climatique (1,5 pt). C'est l'élévation de température moyenne globale à l'équilibre attendue pour un doublement de la concentration en CO₂. Le GIEC (AR6, 2021) l'estime entre 2,5 et 4 °C, valeur centrale ~3 °C. Elle synthétise l'effet du forçage direct du CO₂ et des rétroactions.

2. Sens opposés du δ¹⁸O (1,5 pt). La glace polaire est formée des précipitations, appauvries en ¹⁸O (le ¹⁶O, plus volatil, est préférentiellement présent dans la vapeur puis la neige) : en période froide, le δ¹⁸O de la glace est bas. Le test du foraminifère est construit avec l'oxygène de l'eau de mer, laquelle s'enrichit en ¹⁸O quand le ¹⁶O est piégé dans les calottes : en période froide, le δ¹⁸O du carbonate marin est élevé. Les deux archives n'enregistrent pas le même réservoir d'eau, d'où des variations de sens opposé pour la même période froide.

3. Rétroaction incertaine (1 pt). La rétroaction des nuages : les nuages bas réfléchissent le rayonnement solaire (effet refroidissant), tandis que les nuages hauts piègent l'infrarouge terrestre (effet réchauffant). L'effet net dépend de l'altitude, du type et de la couverture nuageuse, ce qui en fait la principale source d'incertitude des modèles climatiques.