Lernzettel: Introduction à la Climatologie et aux Accords Internationaux

📋 Plan du Cours

1. Échelles de la climatologie
2. Bilan radiatif terrestre
3. Convection atmosphérique et humidité
4. Circulation thermohaline
5. Modélisation et mesures du climat
6. Indicateurs indirects du réchauffement
7. Facteurs anthropiques et forçage radiatif
8. Émissions agricoles de GES
9. Changements océaniques et cryosphère
10. GIEC et accords internationaux

📖 1. Échelles de la climatologie

🔑 Notions clés & Définitions

• Climatologie : Science qui étudie les tendances du temps sur de longues périodes, à partir de moyennes pluriannuelles (au moins 10 ans jusqu’à des durées très longues).
• Météorologie : Science qui décrit et prédit l’évolution des variables atmosphériques à l’échelle de quelques jours à quelques semaines.
• Micro-météorologie : Science qui analyse des variations très locales et rapides des variables atmosphériques sur des pas de temps horaires et des distances de quelques mètres.
• Troposphère : Couche la plus basse en contact direct avec l’atmosphère, où se forment les nuages et se produisent les phénomènes déterminants pour le climat ressenti.

📝 Points essentiels

• La micro-météorologie porte sur des variations instantanées à horaires, la météorologie sur quelques jours, et la climatologie sur des tendances d’au moins 10 ans.
• Spatialement, la micro-météorologie se limite à quelques mètres, la météorologie à une zone réduite, et la climatologie à des régions jusqu’au globe entier.
• Le profil vertical de référence pour le climat ressenti par la biosphère se concentre surtout sur la troposphère, d’environ 17 km d’épaisseur.
• Dans la troposphère, la température diminue avec l’altitude de façon moyenne d’environ 6,5 °C par km, jusqu’à la tropopause.
• La température cesse de diminuer à la tropopause car l’absorption des UV y devient négligeable.
• Les variables liées au fonctionnement de la biosphère utilisées pour étudier le climat sont : température, humidité, rayonnement solaire, précipitations, vent, pression atmosphérique et concentration de CO2.

💡 Astuce mémo

Météo = jours ; Micro-méto = mètres/heure ; Climat = 10 ans et plus : échelles temps × espace.

📖 2. Bilan radiatif terrestre

🔑 Notions clés & Définitions

• Albédo : L’albédo est le pourcentage du rayonnement solaire réfléchi par une surface, qui varie selon le sol, la nébulosité et la nature de la couverture.
• Indice de clarté atmosphérique : L’indice de clarté atmosphérique $K_T$ mesure la part de rayonnement solaire affectée par l’atmosphère avant d’atteindre la surface, intervenant dans l’expression du rayonnement absorbé.
• Rayonnement infrarouge terrestre : Le rayonnement infrarouge terrestre est l’énergie émise par la Terre vers l’atmosphère, dont l’intensité dépend fortement de la température ($\propto T^4$).
• Déséquilibre radiatif : Le déséquilibre radiatif est l’écart entre gains et pertes de rayonnement, positif à l’équateur et négatif aux pôles, créant un excédent puis un déficit énergétique.

📝 Points essentiels

• À l’équateur, l’incidence solaire plus directe concentre l’énergie sur une plus petite surface, donnant un gain radiatif plus élevé qu’aux pôles.
• Aux pôles, l’albédo plus élevé (glace et neige réfléchissant davantage) augmente la fraction renvoyée vers l’espace, ce qui réduit le gain net.
• Le rayonnement infrarouge terrestre est plus intense à l’équateur car il dépend fortement de la température ($\propto T^4$), mais l’équilibre gains-pertes reste positif aux basses latitudes et négatif aux hautes latitudes.
• Le déséquilibre radiatif ne s’accumule pas indéfiniment : il est compensé par le transport convectif de chaleur (chaleur sensible et latente) vers les pôles.
• L’air chaud et humide monte à l’équateur puis l’air froid descend aux pôles, ce qui établit des gradients de pression et alimente la circulation atmosphérique générale.

💡 Astuce mémo

Équateur : Soleil direct + peu réfléchi (albédo faible) = surplus ; Pôles : glace réfléchit + pertes IR dominent = déficit, puis la convection transporte l’énergie.

📖 3. Convection atmosphérique et humidité

🔑 Notions clés & Définitions

• Convection atmosphérique : Phénomène de transport vertical où l’air, réchauffé ou rendu plus léger, s’élève et peut former des nuages et des précipitations.
• Trosée : Température à laquelle l’air atteint la saturation pendant son refroidissement, déclenchant la condensation de la vapeur d’eau.
• Adiabatique sec : Refroidissement d’un volume d’air en montée sans échange de chaleur sensible et sans condensation, lié à la détente avec l’altitude.
• Adiabatique humide saturé : Refroidissement d’un air saturé qui contient de la vapeur condense, où la chaleur latente libérée limite la baisse de température.

📝 Points essentiels

• L’humidité diminue la densité de l’air à température égale car l’eau a une masse molaire plus faible que l’air sec, ce qui renforce la poussée d’Archimède et l’ascendance.
• En montée adiabatique sèche, l’air ne condense pas tant qu’il n’a pas atteint la trosée, avec un refroidissement d’environ 10°C/km.
• En montée adiabatique saturée, la condensation libère de la chaleur latente, ce qui fait refroidir l’air plus lentement (en pratique l’air perd ~6,5°C/km).
• L’instabilité conditionnelle apparaît quand l’air arrive à saturation : la condensation ralentit son refroidissement, permettant la poursuite de l’ascension.
• À la tropopause, l’air montant se heurte à un environnement redevenu plus chaud, ce qui stoppe l’ascension malgré la saturation.
• L’air peut conserver sa quantité d’eau lors de l’ascension, mais l’humidité relative augmente car la saturation maximale diminue avec l’altitude.

💡 Astuce mémo

Sec ≈ 10°C/km jusqu’à la trosée, Humide ≈ 6,5°C/km après condensation (chaleur latente = refroidit moins).

📖 4. Circulation thermohaline

🔑 Notions clés & Définitions

• Courant thermohalin : La circulation thermohaline est le transport océanique piloté par les différences de température et de salinité qui contrôlent la densité de l’eau.
• Gulf Stream : Le Gulf Stream est un courant océanique de surface chaud, rapide et permanent qui traverse l’Atlantique Nord en transférant de l’énergie vers l’Europe.
• Convection et subsidence : La convection atmosphérique se déclenche sur les zones d’eaux chaudes, tandis que les zones froides favorisent la subsidence.

📝 Points essentiels

• Le Gulf Stream naît dans le golfe du Mexique puis traverse l’Atlantique du S-O vers le N-E en contribuant à réchauffer l’Europe.
• Le réchauffement tropical rend l’eau plus légère, et les vents dominants poussent les eaux vers le Nord en les déviant ensuite par l’effet de Coriolis dans l’hémisphère Nord.
• En Atlantique Nord, l’eau s’enrichit en sel lors de la formation de glace, devient plus dense et plonge, ce qui entretient la circulation en profondeur.
• La plongée d’eau froide aux hautes latitudes crée une aspiration qui maintient le flux de surface des eaux chaudes du type Gulf Stream.
• Le Gulf Stream adoucit le climat des côtes occidentales européennes : hivers plus doux et températures plus stables, donnant un climat océanique tempéré en Europe occidentale plutôt qu’un climat plus continental à latitude comparable.

💡 Astuce mémo

Chaud→léger→vent→N ; Froid→salé→dense→plongée→aspiration : ce cycle “remonte” la chaleur vers l’Europe.

📖 5. Modélisation et mesures du climat

🔑 Notions clés & Définitions

• Mesures directes du climat : Mesures réalisées sur le moment pour estimer des variables climatiques à l’aide d’instruments (température, précipitations, niveau océanique, pression, vent, humidité).
• Séries temporelles : Suite ordonnée de mesures dans le temps, dont la longueur et la cohérence conditionnent la fiabilité des tendances observées.
• Calibration et validation : Démarche de modèle où la calibration ajuste les paramètres sur des données passées puis la validation teste les sorties sur des données distinctes.
• Proxies climatiques : Indicateurs indirects permettant de reconstituer des conditions climatiques passées bien avant les mesures instrumentales.
• Modèles climatiques GCM : Représentations mathématiques du système climatique qui relient sources de GES, bilans radiatifs, chimie, circulation et réponses du climat.

📝 Points essentiels

• La température est mesurée via des stations au sol (réseau WMO de plus de 11 000 stations) et des satellites depuis 1979 à partir de l’infrarouge émis quand les nuages n’obstruent pas la mesure.
• Les séries longues souffrent de biais liés au changement d’instruments, aux îlots de chaleur urbains, aux fermetures/déplacements de stations, et à l’hétérogénéité des mesures océaniques entre époques.
• Un proxy glaciaire exploite les changements d’albédo et de surface (photos/imaginiers) et les carottes de glace relient l’isotopie (¹⁶O/¹⁸O ou ¹H/²H) à la température au moment de l’emprisonnement.
• Pour les proxies, la reconstitution par carottes de glace peut atteindre 600 000 ans, tandis que le permafrost se quantifie par l’extension de sol gelé permanent (ordre de grandeur actuel ~22×10⁶ km²).
• En modélisation, la calibration minimise l’écart aux observations passées, mais la validation doit utiliser d’autres jeux de données pour éviter de “tricher” avec le même échantillon.
• Les GCM permettent de simuler des scénarios futurs et de tester la part anthropique vs naturelle, mais leurs limites viennent des paramétrisations, des rétroactions (nuages, permafrost, biosphère), et d’une résolution spatiale limitée.

📖 6. Indicateurs indirects du réchauffement

🔑 Notions clés & Définitions

• Dégel du permafrost : Transformation des sols gelés en permanence, suivie pour suivre l’évolution des températures dans les régions polaires et subpolaires.
• Dendrochronologie : Méthode qui reconstruit le climat à partir des cernes d’arbres dont la largeur dépend de la température, de la lumière et des précipitations.
• Carottes de glace : Archives climatiques obtenues en forant des glaces, où les isotopes de l’air piégé servent à estimer la température au moment de l’emprisonnement.
• Altimétrie satellitaire SLE : Technique radar qui mesure précisément la distance satellite-surface et sert à suivre le niveau des océans (SLE).

📝 Points essentiels

• Les glaciers (taille, dates de fonte, retrait) sont suivis en comparant des images satellite ou des photos aériennes à différentes dates pour relier variations de surface et climat.
• Le permafrost couvre environ 22 × 10^6 km² actuellement, et son extension/profondeur permettent de déduire l’évolution thermique des zones concernées.
• La dendrochronologie exploite la largeur des cernes annuels et permet une reconstruction d’environ 2000 ans à partir de la croissance des arbres.
• Dans les carottes de glace, plus le rapport isotopique (ex. $^{16}O/^{18}O$) est faible, plus la température au moment de l’emprisonnement est élevée, avec une reconstruction allant jusqu’à 600 000 ans.
• L’altimétrie satellitaire déduit le niveau des océans via le temps aller-retour d’une onde réfléchie, avec une relation de distance $2H_a=cT$ entre distance et temps $T$ (c : vitesse de propagation).
• Ces proxies convergent pour confirmer les tendances observées par les mesures directes et les modèles.

📖 7. Facteurs anthropiques et forçage radiatif

🔑 Notions clés & Définitions

• Forçage radiatif : Le forçage radiatif est la modification du flux net de rayonnement à la tropopause provoquée par une perturbation du système climatique.
• Perturbations du bilan énergétique : Les perturbations sont des changements externes ou de composition qui modifient l’équilibre énergétique et se traduisent par un forçage radiatif mesurable en W/m².
• Aérosols et nébulosité : Les aérosols sont des particules atmosphériques qui influencent le climat en interagissant avec la lumière et en modifiant la formation des nuages.
• Changements d’utilisation des terres : Les changements d’occupation des sols modifient la réflectivité et la nature de la surface, ce qui change la part de lumière renvoyée vers l’espace.
• Variation de concentration en GES : L’augmentation des gaz à effet de serre modifie l’absorption et l’émission infrarouges, réduisant la sortie d’énergie vers l’espace.

📝 Points essentiels

• Quatre perturbations du bilan énergétique peuvent générer un forçage radiatif FR mesuré en W/m², défini comme la variation du flux net à la tropopause due à la perturbation.
• Variation de la constante solaire : le terme $q_0/4$ varie avec des causes orbitales ou d’activité solaire, donnant un forçage positif de +0,05 W/m² depuis 1750.
• Aérosols et nébulosité : ils augmentent la réflexion vers l’espace via un effet direct et via des nuages plus nombreux/plus réfléchissants, soit -0,27 W/m² et -0,56 W/m² depuis 1750.
• Changements d’utilisation des terres : l’albédo et la nature de surface changent (ex. déforestation), produisant un forçage de -0,15 W/m² depuis 1750.
• Gaz à effet de serre : l’augmentation des concentrations empêche la sortie directe du rayonnement infrarouge et renforce le piégeage d’énergie, avec un forçage de +3 W/m² depuis 1750, dominant par rapport aux autres perturbations.

💡 Astuce mémo

GES dominent : +3 (réchauffent) ; aérosols/nuages et terres compensent partiellement : -0,27 -0,56 -0,15 (refroidissent).

📖 8. Émissions agricoles de GES

🔑 Notions clés & Définitions

• Pression démographique : La pression démographique désigne l’augmentation de la population qui accroît la demande en ressources et donc les activités émettrices de GES.
• Cycles biogéochimiques : Les cycles biogéochimiques sont les échanges de matière entre atmosphère, biosphère et sols, modifiés par l’industrialisation et l’usage des terres.
• Carbone fossile : Le carbone fossile est le réservoir de carbone ancien extrait et brûlé, libérant du CO2 vers l’atmosphère lors de la combustion.

📝 Points essentiels

• L’augmentation de la population fait croître l’utilisation des ressources et renforce les émissions de GES associées à ces usages.
• L’industrialisation augmente le CO2 en brûlant massivement du carbone fossile.
• La modification des cycles biogéochimiques par l’activité humaine accélère la libération de carbone vers l’atmosphère sous forme de GES.

📖 9. Changements océaniques et cryosphère

🔑 Notions clés & Définitions

• Effet albédo : Phénomène où la surface réfléchit une fraction du rayonnement solaire, et une baisse d’albédo augmente l’énergie absorbée, ce qui accélère la fonte.
• Amplification arctique : Renforcement du réchauffement dans l’Arctique lié notamment au remplacement de la glace par de l’eau sombre à faible albédo.
• Banquise arctique : Couverture de glace de mer dont la réduction estivale accroît la part d’eau sombre exposée, donc l’absorption d’énergie.
• Permafrost : Sol gelé en permanence dont le dégel libère des gaz issus de la décomposition microbienne de matière organique.

📝 Points essentiels

• La fonte des neiges et glaces abaisse l’albédo car un sol/une glace plus foncés renvoient moins de lumière, ce qui augmente l’énergie absorbée et accélère encore la fonte (rétroaction positive).
• En Arctique, l’albédo passe d’environ 0,6–0,9 pour la glace à environ 0,05 pour l’eau sombre, ce qui amplifie le réchauffement par absorption accrue d’énergie.
• La réduction de la banquise arctique s’observe par une fonte estivale croissante et des étés de plus en plus libres de glace, avec amplification du réchauffement en Arctique.
• Le dégel du permafrost concerne une surface d’environ 22×10^6 km² (principalement Sibérie, Canada, Alaska) et émet surtout du CH4 après réveil de microorganismes anaérobies.
• La libération de chaleur vers les pôles est liée au transport par courants marins, ce qui favorise la fonte et peut modifier la salinité de l’eau, perturbant aussi la biodiversité.
• En Antarctique, l’isolement par des courants atmosphériques et océaniques fait que la banquise gèle en été puis fond en hiver sans mélange des couches, et le réchauffement y serait d’environ 2 à 3× la moyenne mondiale.

💡 Astuce mémo

Arctique = « Glace (0,6–0,9) → Eau (≈0,05) », donc moins de réflexion et plus d’énergie absorbée, donc rétroaction qui accélère la fonte.

📖 10. GIEC et accords internationaux

🔑 Notions clés & Définitions

• COP : La COP est la conférence des Parties qui rassemble les États pour négocier et adopter des décisions sur le climat.
• Protocole de Kyoto : Le Protocole de Kyoto est un traité international qui fixe des objectifs chiffrés de réduction/limitation des GES pour certains pays.
• Accord de Paris : L’Accord de Paris est un traité international qui organise des objectifs climatiques par pays via des contributions nationales.
• Responsabilités communes mais différenciées : Ce principe répartit les obligations en tenant compte du niveau de développement, en imposant des objectifs surtout aux pays historiquement responsables.
• Bilan mondial : Le bilan mondial est une révision collective qui évalue les progrès et conduit à relever les ambitions tous les 5 ans.

📝 Points essentiels

• Le Protocole de Kyoto est adopté à Kyoto en 1997 et entre en vigueur en 2005 avec des objectifs chiffrés pour les pays de l’Annexe I, selon des responsabilités communes mais différenciées.
• Le Protocole de Kyoto introduit des mécanismes pour atteindre les objectifs, notamment le marché des droits d’émission et le Mécanisme de Développement Propre.
• L’Accord de Paris est adopté à Paris en 2015 et entre en vigueur en 2016 avec l’objectif de limiter le réchauffement à 2 °C et de viser 1,5 °C.
• L’Accord de Paris fait participer tous les pays via des contributions déterminées au niveau national (NDC) publiées par chaque État.
• L’Accord de Paris prévoit un engagement financier des pays développés, avec un plancher de 100 milliards de dollars par an pour soutenir l’atténuation et l’adaptation.
• L’Accord de Paris impose un processus de révision des ambitions tous les 5 ans via le bilan mondial.

💡 Astuce mémo

Kyoto=Annexe I+quotas+carbone; Paris=Tout le monde+NDC+objectif 2/1,5°C+révision tous les 5 ans.

📅 Repères chronologiques

📊 Tableaux de synthèse

Échelles de la climatologie, météo et micro-météorologie

Kyoto vs Accord de Paris (éléments clés)

⚠️ Pièges & confusions fréquents

1. Confondre les échelles : la climatologie demande des tendances sur ≥ 10 ans (pas juste quelques jours).
2. Croire que la température diminue partout avec l’altitude : elle augmente en stratosphère (jusqu’à la stratopause).
3. Inverser les gradients adiabatiques : en vrai l’air sec refroidit ~10°C/km, l’air saturé refroidit ~6,5°C/km (chaleur latente).
4. Oublier la limite à la tropopause : l’air saturé ne continue pas à s’élever car l’environnement redevenu plus chaud stoppe l’ascension.
5. Rater le sens de la déviation par Coriolis : dans l’HN les vents sont déviés vers la droite (générant rotation antihoraire autour des dépressions).
6. Mélanger déséquilibre radiatif et accumulation : le déséquilibre équateur/pôles n’augmente pas indéfiniment car il est compensé par transports convectifs (chaleur sensible et latente).
7. Confondre forçage radiatif et température : un forçage radiatif positif (ex. GES +3 W/m² depuis 1750) correspond à un excès d’énergie net à la tropopause, pas à un simple “fait de chauffer” sans bilan.

✅ Checklist Examen

1. Définir micro-météorologie, météorologie et climatologie (échelles temps et espace) et citer la formule “climat = ce à quoi on s’attend”.
2. Expliquer pourquoi la température diminue dans la troposphère puis s’arrête à la tropopause, et rappeler le gradient moyen (~6,5°C/km).
3. Donner les 7 variables influençant la biosphère pour étudier le climat (température, humidité, rayonnement, précipitations, vent, pression, CO2).
4. Décrire le déséquilibre radiatif équateur/pôles (albédo, gains/pertes, signe du déséquilibre) et pourquoi il n’augmente pas (transport convectif + gradients de pression).
5. Expliquer comment l’humidité influence la convection (humide moins dense, ascendance renforcée) et distinguer adiabatique sec vs adiabatique humide saturé (10°C/km vs ~6,5°C/km).
6. Décrire la circulation générale en 3 cellules par hémisphère (Hadley, Ferrel, polaire) et donner au moins 2 conséquences climatiques (ex. déserts ~30°, pluies équatoriales).
7. Décrire la circulation océanique globale (surface par vents + thermohaline par densité) et le rôle du Gulf Stream (réchauffement Europe).
8. Décrire l’altimétrie satellitaire pour le niveau des océans (principe du temps aller-retour et relation 2H_a=cT) et citer au moins 2 autres proxies avec leurs périodes (dendro ~2000 ans, carottes glace jusqu’à 600 000 ans, etc.).
9. Lister les 4 perturbations du bilan énergétique et donner les signes + valeurs principales du forçage radiatif depuis 1750 (constante solaire +0,05 ; aérosols/nébulosité -0,27 et -0,56 ; terres -0,15 ; GES +3).
10. Expliquer comment on compare l’importance de CO2, CH4, N2O via le PRG/GWP et rappeler les ordres de grandeur (ex. CH4 PRG 100 ans = 28, N2O PRG 100 ans = 265).
11. Décrire 4 pratiques agricoles génératrices de GES et proposer au moins une solution d’atténuation pour chacune (ex. élevage → CH4, fertilisation → N2O, riziculture → CH4).
12. Donner les lieux + années d’adoption/entrée en vigueur de Kyoto et Paris et citer 3 éléments clés pour chacun (objectifs, responsabilités/participation, mécanismes ou NDC + révision tous les 5 ans).