Fiche de Révision : Système climatique et variabilité climatique

1. Introduction au système climatique

Le système climatique désigne l’ensemble des composantes terrestre, atmosphérique, océanique, cryosphérique (glaces) et biosphérique qui interagissent pour déterminer le climat global de la planète. Le fonctionnement global est gouverné par le bilan énergétique de la Terre, principalement contrôlé par le rayonnement solaire.

Bilan énergétique : différence entre l'énergie solaire absorbée par la planète et l'énergie émise sous forme de rayonnement infrarouge (IR) vers l'espace.

1.1 Zone d'habitabilité et effet de serre naturel

• La Terre est située dans la zone d'habitabilité du système solaire, c’est-à-dire à une distance du Soleil favorable au maintien d'eau liquide et à un climat stable.
• L'effet de serre naturel permet à la Terre d’avoir une température moyenne de surface confortable (~15°C), malgré une température radiative théorique de -18°C.
• Ce phénomène provient de la capacité de l'atmosphère à absorber le rayonnement IR émis par la surface et à réémettre une partie vers la surface, assurant un effet de retention de chaleur.

2. Le rayonnement solaire et l'insolation

2.1 Flux solaire et distance au Soleil

• Le flux solaire incident diminue avec la distance au Soleil selon la loi de l'inverse du carré de la distance.
• Par exemple, l'irradiance moyenne au sommet de l'atmosphère terrestre est d'environ 1360 W/m².
• La Terre n'absorbe pas toute cette énergie : une partie est réfléchie par la surface et l'atmosphère, mesurée par l'albédo.

2.2 Albédo terrestre et variations

• La Terre absorbe environ 70 % de l'énergie solaire incidente, 30 % étant réfléchie.

3. Variations saisonnières et latitude

3.1 Influence de l’angle d’incidence solaire

Insolation : quantité d'énergie solaire reçue par unité de surface et par unité de temps, qui varie selon l'angle d'incidence du rayonnement solaire.

• L’angle d’incidence dépend de la latitude et de la période de l’année, ce qui explique la variation des climats régionaux et la succession des saisons.
• Sans inclinaison de l’axe de rotation terrestre, il n'y aurait pas de saisons marquées.
• L’insolation est plus élevée aux basses latitudes (près de l’équateur) et plus faible aux hautes latitudes, particulièrement en hiver.

3.2 Variabilité saisonnière de l'insolation

• Le solstice d’été (21 juin) correspond au maximum d’insolation dans l’hémisphère nord.
• Le solstice d’hiver (21 décembre) correspond au minimum.
• Les équinoxes (21 mars, 21 septembre) marquent l’égalité jour/nuit et une insolation moyenne globale.

4. Bilan radiatif à l'échelle planétaire

4.1 Équilibre radiatif

• La planète tend vers un équilibre où l'énergie solaire absorbée est égale au rayonnement infrarouge réémis :

  [Formule mathématique]

• En réalité, ce bilan varie selon la latitude : positif aux basses latitudes (excès d’énergie) et négatif aux hautes latitudes (déficit d’énergie).

4.2 Transport d’énergie

• L’excès thermique aux basses latitudes est redistribué vers les zones plus froides par les circulations atmosphériques (vents) et océaniques (courants).
• Ces transports sont influencés par la variation de densité de l’air et de l’eau (exemple : air chaud s’élève près de l’équateur, eau froide plonge aux hautes latitudes).
• La force de Coriolis due à la rotation de la Terre dévie les trajectoires des vents et des courants, créant des circulations complexes.

5. Variabilité climatique et changement climatique

5.1 Définitions clés

Variabilité climatique : fluctuations naturelles du climat sur des échelles de temps de quelques années à quelques décennies.

Changement climatique : modification à long terme (décennies à millénaires) des conditions climatiques moyennes.

• Le climat s’évalue souvent sur une période de 30 ans selon l’Organisation météorologique mondiale (OMM).
• Les mesures directes de température et précipitations sont disponibles depuis environ un siècle.
• Avant cela, on utilise des indices indirects (carottes glaciaires, sédiments, cernes d’arbres).

5.2 Forçages climatiques

Les causes des changements climatiques se décomposent en plusieurs catégories :

• Le système climatique peut amplifier (ex. rétroaction positive de l’albédo due à la fonte des glaces) ou atténuer certains forçages (ex. absorption du CO₂ par les océans).

6. La cryosphère : influence majeure du climat

• Définit comme l'ensemble des masses de glace et de neige (glaciers, banquises, neige saisonnière).
• Plus grand réservoir d'eau douce de la planète.
• Contribue au cycle hydrologique en stockant la neige en hiver et en la restituant au printemps/été, alimentant les rivières.
• Influence directe l’albédo global de la Terre (forte réflexion du rayonnement solaire).
• Agit comme isolant thermique pour les océans (glace de mer) et les sols (neige).
• La fonte due au réchauffement global entraîne une rétroaction positive, amplifiant le réchauffement par réduction de l'albédo.

7. Synthèse Mermaid : processus du système climatique

[Diagramme]

8. Formule importante : flux énergétique et température d'équilibre

La température d’équilibre radiatif [Formule] d’une planète sans atmosphère peut être estimée par :

[Formule mathématique]

avec :

• [Formule] = constante solaire (flux solaire au sommet de l'atmosphère)
• [Formule] = albédo de la planète
• [Formule] = constante de Stefan-Boltzmann ([Formule])

La Terre ayant une atmosphère, la température de surface [Formule] est plus élevée que [Formule] par effet de serre.

9. Distinction entre météorologie et climatologie

10. Les défis actuels

• Importance de distinguer les phénomènes de variabilité naturelle des effets de réchauffement global.
• Le rapport 2021 du GIEC confirme les observations et alerte sur l’amplification rapide des changements climatiques.
• Des impacts environnementaux massifs peuvent survenir pour un réchauffement limité à 3-4°C, seuil potentiellement atteint avant 2100 sans actions efficaces.

Conclusion

Le système climatique est un équilibre dynamique, fondé sur l’interaction entre:

• Bilan énergétique solaire (incidence, albédo),
• Circulations atmosphériques et océaniques,
• Composantes naturelles (cryosphère),
• Variabilités naturelles et changements induits.

Les connaissances actuelles permettent de différencier clairement les oscillations climatiques (variabilité) des tendances à long terme dues au changement climatique global d’origine anthropique.

À retenir :

• La Terre trouve son équilibre climatique via un bilan énergétique équilibré.
• L’inclinaison terrestre cause la variation saisonnière de l’insolation.
• La force de Coriolis dévie les vents et courants pour redistribuer l’énergie.
• La cryosphère joue un rôle majeur dans la régulation du climat par son albédo.
• Il faut environ 30 ans de données pour définir un climat moyen.
• Le changement climatique est une modification à long terme, distincte de la météo.