Objectifs

• Comprendre le bilan radiatif de la Terre et le calcul d'une température d'équilibre.
• Expliquer le rôle de l'effet de serre et de l'albédo dans un modèle simple.
• Identifier des rétroactions positives et négatives du système climatique.
• Décrire le principe d'un modèle climatique numérique et sa validation sur le passé.
• Interpréter les projections du GIEC selon différents scénarios d'émissions.

1. Le bilan radiatif : un modèle à zéro dimension

Le modèle le plus simple considère la Terre comme un point qui reçoit l'énergie du Soleil et en renvoie vers l'espace. À l'équilibre, l'énergie absorbée est égale à l'énergie émise :

• \(S \approx 1361\ \text{W}\cdot\text{m}^{-2}\) : constante solaire (puissance reçue au sommet de l'atmosphère, face au Soleil) ;
• \(A \approx 0{,}30\) : albédo terrestre, fraction de la lumière réfléchie (nuages, glaces, déserts) ;
• le facteur \(4\) vient du rapport entre la surface de la sphère \(4\pi R^2\) et le disque qui intercepte la lumière \(\pi R^2\) ;
• \(\sigma = 5{,}67\times10^{-8}\ \text{W}\cdot\text{m}^{-2}\cdot\text{K}^{-4}\) : constante de Stefan-Boltzmann ; \(T\) en kelvins.

Exemple résolu : la Terre sans effet de serre

Calcule la température d'équilibre de la Terre si elle n'avait pas d'atmosphère absorbante, avec \(S = 1361\ \text{W}\cdot\text{m}^{-2}\) et \(A = 0{,}30\). Cherche d'abord, puis dévoile les étapes.

On peut ajouter au modèle une atmosphère qui absorbe une fraction \(e\) du rayonnement infrarouge de la surface (modèle à une couche). La température de surface devient :

Avec \(e \approx 0{,}78\), on retrouve environ \(288\ \text{K}\), soit \(15\ ^{\circ}\text{C}\). Manipule le modèle : l'axe horizontal est l'albédo \(A\), la courbe donne la température de surface en degrés Celsius, et le curseur g règle l'absorption \(e\) par l'atmosphère.

2. Les rétroactions : quand le climat s'amplifie ou se freine

Une rétroaction est un mécanisme par lequel une modification du climat entraîne un changement qui, en retour, agit sur cette modification.

• Rétroaction positive (amplificatrice) : elle renforce la perturbation.
• Rétroaction négative (stabilisatrice) : elle l'atténue.

Exemple : la rétroaction glace-albédo.

flowchart LR
  A[Réchauffement] --> B[Fonte des glaces]
  B --> C[Albédo plus faible]
  C --> D[Plus d énergie absorbée]
  D --> A

3. Les modèles climatiques numériques

Un modèle climatique (ou modèle de circulation générale) découpe l'atmosphère, l'océan, les glaces et les sols en un maillage de cellules. Dans chaque cellule, l'ordinateur calcule pas à pas la température, la pression, le vent, l'humidité… à l'aide des lois de la physique (conservation de l'énergie, de la masse, mouvement des fluides).

Valider un modèle grâce au passé

Avant de croire un modèle pour le futur, on vérifie qu'il sait reproduire le passé :

• le climat actuel (saisons, moussons, déserts) ;
• l'évolution des températures depuis la fin du XIX^e siècle, mesurée par les thermomètres ;
• des climats anciens reconstitués grâce aux indices (carottes de glace, pollens, sédiments), comme le dernier maximum glaciaire, il y a environ 21 000 ans.

Le GIEC (6^e rapport, 2021) indique que les modèles ne reproduisent le réchauffement observé depuis 1850 que si l'on y inclut les gaz à effet de serre émis par les activités humaines.

Quelques étapes de l'histoire de la modélisation :

1. 1896Svante Arrhenius calcule à la main l'effet d'une variation du \(\ce{CO2}\) sur la température.
2. 1967Syukuro Manabe et Richard Wetherald publient un modèle qui estime le réchauffement dû au doublement du \(\ce{CO2}\).
3. 1988Création du GIEC (Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat).
4. 2021Prix Nobel de physique décerné notamment à Syukuro Manabe et Klaus Hasselmann pour la modélisation du climat ; publication du 6^e rapport du GIEC (volet physique).

4. Projeter les climats futurs : les scénarios

Les modèles ne peuvent pas deviner les émissions futures. On leur fournit donc des scénarios (dans le 6^e rapport du GIEC, les scénarios SSP) allant de très faibles émissions à très fortes émissions. On parle de projections, pas de prédictions : chaque résultat est vrai « si » le scénario se réalise.

Source : GIEC, 6^e rapport, volet 1, résumé pour les décideurs (2021). Chaque valeur est accompagnée d'une fourchette d'incertitude.

flowchart LR
  A[Scénario d émissions] --> B[Modèle climatique]
  C[Lois de la physique] --> B
  D[Validation sur le passé] --> B
  B --> E[Projections de température et de pluie]
  E --> F[Décisions d adaptation et d atténuation]

Exemple résolu : lire les projections

Un élève de Niamey compare les scénarios SSP1-2.6 et SSP5-8.5. De combien de degrés le réchauffement moyen estimé diffère-t-il en fin de siècle, et que peut-on en conclure ? Cherche d'abord.

Erreurs fréquentes

Récapitulatif

• Bilan radiatif : \(\frac{S(1-A)}{4} = \sigma T^4\) donne environ \(-18\ ^{\circ}\text{C}\) sans effet de serre ; l'effet de serre naturel porte la surface vers \(15\ ^{\circ}\text{C}\).
• Albédo et gaz à effet de serre sont les « boutons » principaux des modèles simples.
• Les rétroactions positives (glace-albédo, vapeur d'eau) amplifient un changement ; les négatives le freinent.
• Les modèles numériques découpent la Terre en cellules et appliquent les lois de la physique ; on les valide sur le passé.
• Les projections dépendent des scénarios d'émissions : de \(1{,}4\) à \(4{,}4\ ^{\circ}\text{C}\) environ en fin de siècle selon le GIEC (2021).