• Aujourd’hui nous allons examiner quels sont les grands acteurs responsables du climat sur notre planète.

        Rappelons nous d’abord que toute l’énergie qui fait fonctionner la machine climatique provient du soleil et principalement de la lumière et la chaleur qu’il nous envoie.
        Cette énergie est transportée de l’équateur vers les pôles  par l’atmosphère d’une part : les vents et le cyle de l’eau, et d’autre part, par les océans : les courants marins.

        Le cycle de l’eau :

        Vous le connaissez bien : on a dû vous apprendre cela en CM1 ou CM2; cela correspond au schéma suivant :

     http://lancien.cowblog.fr/images/ClimatEnergie/ACycle.gif

        La chaleur apportée par le soleil est absorbée par les océans et la végétation et l’eau s’évapore dans l’atmosphère sous forme de vapeur et de minuscules gouttelettes en suspension dans des nuages.
        Le nuage se refroidit et à partir de micro-particules la vapeur se condense, les gouttes grossissent d’où les chutes de pluie ou de neige sous l’effet de la pesanteur quand gouttes et flocons ont un poids suffisant pour tomber.
        La neige fond, l’eau ruisselle, est captée par des nappes souterraines, et ruisseaux et rivières la ramènent aux océans.
        Une chose intéressante : l’amplitude du phénomène :
        - la microparticule de condensation : 0,1 micron = 10-4 mm.
        - la goutte d’eau dans le nuage : 10 microns = 10-2 mm.
        - la goutte de pluie : 1mm
        - le nuage épaisseur du mètre au km : 103 à 106 mm
        - une formation nuageuse importante :1000 km soit 109 mm   
    soit une dynamique de 1013, ce qui est énorme.
       

        Les vents dans l’atmosphère :
       
        Vous voyez sur le schéma les principaux types de vents qui soufflent de l’équateur vers les tropiques, les alizés, des zônes subtropicales vers les cercles polaires, et en provenance des pôles.
        Nous en avons parlé dans le précédent article, et je rappelle seulement que, relativement chauds en surface, ils sont compensés par des courants froids circulant en sens inverse en altitude et qui ramènent de l’air froid aux points de départs. (voir les flèches bleues et rouges sur la coupe de l’atmosphère sur le schéma).

    http://lancien.cowblog.fr/images/ClimatEnergie/vents.jpg

        De plus à des endroits ou il y a de forts gradients de pression et à la limite de fronts chauds et de fronts froids se forment ce que l’on appelle les courants-jets.
        Un courant-jet (en anglais : jet stream) est un flux d'air rapide et confiné que l'on trouve dans l'atmosphère à des altitudes comprises entre 6 et 15 km. Les courants-jets ont plusieurs milliers de kilomètres de longueur, quelques centaines de large et seulement quelques kilomètres d'épaisseur.
        Dans un courant-jet, la vitesse du vent croît très vite à mesure que l'on se rapproche du centre du courant. Au sein de ce dernier, la vitesse moyenne est estimée à environ 25 m/s (ou 100 km/h), mais la vitesse maximale peut dépasser 100 m/s (ou 360 km/h).
        Les vents sont donc des sources importantes de déplacement de chaleur sur la surface de la planète et par cette action participent à la machine climatique.
         Les pilotes de ligne connaissent bien ces courants, car ils s'en servent pour diminuer les temps de parcours et les consommations de carburant.


        Les courants dans les océans :


        Le schéma ci-dessous résume la principale circulation d’eau dans les océans sous forme de courants marins.

    http://lancien.cowblog.fr/images/ClimatEnergie/courants.jpg

        Les courants de surface “chauds” sont poussés par les alizés, ou au delà des tropiques par les vents d’ouest, mais cette circulation est également due aux différences de température et de salinité. (on l’appelle la circulation thermo-haline).
        En surface ce sont les vents dominants qui sont la principale origine de ces courants, qui sont également déviés par l’accélération de Coriolis.
        Les courants de surface concernent environ 10% de l'eau des océans. Ils se limitent généralement aux 300 premiers mètres en profondeur.
        Les vents n'ayant plus d'influence après quelques centaines de mêtre de profondeur, ils ne peuvent être les moteurs des circulations océaniques profondes. Les courants en profondeur, assimilables à des rivières souterraines, sont basés sur des différences de température (l'eau froide est plus dense que l'eau chaude) et de salinité (l'eau salée est plus dense que l'eau douce), entre les différentes couches de l'océan.
        Dans les régions polaires, l'eau de mer se transforme en glace. Lors de la solidification, les sels sont rejetés car la glace ne les intègre pas dans sa structure : l'eau liquide s'enrichit en sels réfractaires et voit sa densité augmenter, ce qui amorce une plongée vers les fonds marins
        Les eaux refroidies et salées plongent au niveau des hautes latitudes (Norvège, Groenland, etc.) et descendent vers le sud, à des profondeurs comprises entre 1 et 3 km.
        Alors que la vitesse des courants de surface peut atteindre quelques kilomètres/heure, et que donc ils transportent l’eau pendant envoron un an, la vitesse moyenne des eaux en profondeur est très faible, quelques millimètres par seconde de sorte que l’eau met de l’ordre de 500 ans à revenir au point de départ (par contre leur largeur est beaucoup plus grande pour transporter le même volume d’eau.)
       
        Comme le montre ce deuxième schéma, la France est concernée par la dérive nord atlantique du Gulf-stream.
        Pour vous donner une importance du transfert d’eau et d’énergie, le débit du Gulf-stream est de l’ordre de 150 millions de m3 par seconde soit l’eau de 30 000 piscines olympiques par seconde !

    http://lancien.cowblog.fr/images/ClimatEnergie/gulfstream.jpg

        Grâce à la capacité thermique de l'eau, l'océan est un énorme réservoir de chaleur. Son inertie thermique étant beaucoup plus importante de celle de l'air, il tempère les changements thermiques saisonniers des masses d'air, qui autrement seraient beaucoup plus importants.
        L'ensoleillement solaire étant réparti de manière inégale sur la Terre, le rôle du courant marin sera donc d'essayer d'égaliser au maximum cette différence       
        Les océans jouent donc un grand rôle dans la régulation du climat mondial, en assurant un transport de chaleur des régions tropicales vers les pôles tout aussi important que l’atmosphère et en régulant et dispersant la chaleur des continents qu’ils bordent et en entretenant l'humidité de l'air (cycle de l'eau).
       

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  •      Aujourd'hui, 15 août, vous devez être en vacances, alors je vais vous faire lire un article un peu difficile, car c'est de la physique.
         En effet avant de vous parler de la “machine climatique”, j’ai besoin de deux notions de physique, l’une sur le mécanisme de formation des vents à l’équateur et l’autre sur la déviation de ces vents en raison de la rotation de la Terre.
        Je vais essayer de vous expliquer cela simplement.

            Les Alizés

        Le moteur de la circulation atmosphérique dans les tropiques et l’équateur est le réchauffement solaire. À cause de l'inclinaison de 23.5 degrés de l'axe de rotation de la Terre, le Soleil n'est jamais plus qu'à quelques degré (au maximum 23,5) de la verticale à midi tout au long de l'année dans les tropiques ce qui donne un maximum de réchauffement autour de l'équateur géographique.
        L’air chaud monte à l’équateur et les basses pression attirent l’air des tropiques. A l’équateur même on a une zone de calme et les orages qui ont lieu régulièrement réchauffent l’atmosphère (chaleur latente de condensation)
        Quand les parcelles d'air chaud et humide atteignent  12 à 15 km d'altitude, elles ne peuvent monter plus haut ni ne peuvent rester à cet endroit à cause du flux constant venant des basses couches de l'atmosphère. Par conséquent, elles sont repoussées vers le nord  ou le sud, de l'équateur, vers les deux tropiques.
        En s’éloignant de l’équateur, l'air se refroidit par échange avec l'environnement ce qui le rend instable et il commence à descendre. Lors de la descente, l’air se réchauffe et son humidité diminue. Cela se produit autour de 30 à 35 degrés N et S où l'on retrouve la zone de calme subtropical aride.

    http://lancien.cowblog.fr/images/ClimatEnergie/alizes.jpg

        L’air retourne  de ces anticyclones vers l’équateur et ces vents tropiques vers équateurs s’appellent les alizés.
        En fait les endroits où l’air chaud s’élève dans l’atmosphère ne correspond pas tout à fait à l’équateur géographique mais plutôt avec le point au zénith du soleil ce qui amène une variation saisonnière vers le nord et le sud de la position de ces endroits.

        Les alizés devraient donc souffler nord - sud ou sud - nord. Mais nous allons voir que la rotation de la terre les dévie et qu’en réalité, ils soufflent nord-est dans l’hémisphère nord et sud est dans l’hémisphère sud.


            L’accélération de Coriolis :

        Supposons un glaçon bleu G qui se trouve sur un disque de centre G en rotation uniforme autour de l’axe vertical passant par ce centre (comme un cd dans votre chaîne hifi).
        Nous envoyons ce glaçon du centre du cercle, sur un diamètre, de G0 vers H, (sur l’axe O x0) et nous supposons qu’il glisse sans frottement sur le disque et donc n’est pas entrainé par lui dans sa rotation. Il n’est plus soumis à aucune force et pour nous, qui sommes à l’extérieur du disque et qui ne sommes pas entraîné par sa rotation, ce glaçon G se déplace en ligne droite, d’un mouvement uniforme et va parcourir la droite GH .   
        Supposons maintenant que l’observateur ne soit plus à l’extérieur du disque mais sur le disque, et il est donc entraîné par la rotation du disque. Plaçons nous dans le repère de l'observateur GxoYo qui va tourner avec le disque. Pour simplifier prenons simplement les points au 1/4 , 1/2, 3/4 et à la fin du parcours du glaçon (points G1, G2, G3 et G4).
        Quand le glaçon arrive au quart de la distance, le disque et l’observateur ont tourné d’un certain angle et l’axe GH est devenu par rapport à l'observateur et dans son référentiel, Gx1 : G1 n’est plus sur l’axe Gxo mais au dessous sur Gx1, au quart de la distance.
       De même quand le glaçon est en G2, l’axe Gx2 a encore tourné du même angle et G2 est au milieu. Situation analogue pour G3 aux 3/4.
        Quand G arrive en G4, l’observateur a encore tourné du même angle et dans le référentiel de l’observateur qui est lié au disque qui tourne, le glaçon est arrivé en G4 et décrit une courbe (en rouge sur le schéma).
        Bien sûr on peut mettre ce phénomène en équation, mais je vous en ferai grâce, car je ne suis pas sûr que vous ayez, même après une terminale S toutes les notions pour le suivre, et puis ce serait casse pied .
        Pour expliquer le mouvement du glaçon dans le référentiel de l’observateur lié au disque, il faut introduire une “peudo- force fictive” (qui ressemble à la force centrifuge), qui est due au fait que l’observateur n’est pas sur le même repère xy que l’objet et que ce repère est animé d'un mouvement circulaire uniforme : cette force s’appelle “l’accélération de Coriolis”, du nom de celui qui la découverte en1835.http://lancien.cowblog.fr/images/ClimatEnergie/schemacoriolis.jpg

        L’accélération de Coriolis Cr est perpendiculaire à l’axe a du disque tournant, et à la vitesse v du mobile (le glaçon) dans le repère fixe. Elle est proportionnelle à la masse de l’objet en déplacement et à sa vitesse.

            Déviation des alizés vers l’est.

        La terre tourne sur elle même, vous le savez , environ 365,24 fois par an et sa vitesse de rotation  varie peu (lla durée de rotation varie de quelques millisecondes). L’axe de cette rotation est incliné d’environ 23 degrés sur le plan de “l’écliptique” (le plan de la révolution autout du soleil).
        La vitesse de rotation dépend évidemment de l’endroit où on se trouve; à l’équateur elle est d’environ 1670 km/h. D’ailleurs la force centrifuge fait en sorte que la terre soit très légérement “gonflée” à l’équateur et aplatie aux pôles.
        Pour un observateur sur la terre et lié à son référentiel, (nous tous), il existe donc une accélération de Corriolis pour les mobiles se déplaçant à sa surface sans frottement trop important.
         Si la masse et la vitesse d’un objet est faible (un bateau par exemple) l’accelération de Coriolis sera négligeable.
        Par contre sur des masses importantes d’air l’action est importante et dévie les alizés venant des tropiques vers l’est.
        Les alizés comme le montre le schéma, soufflent donc du nord est dans l’hémisphère nord et du sud-est dans l’hémisphère sud.
        Des vents soufflent également de la zône subtropicale vers les cercles pôlaires et sont déviés vers l’ouest par l’accélération de Coriolis. Mais ces vents dominants sont très affectés par les perturbations météorologiques.
        Les régions polaires les plus froides sont des centres de hautes pressions, et les vents venant de ces zones sont déviés à l'est.
    http://lancien.cowblog.fr/images/ClimatEnergie/deviationalizes.jpg


        Dans le prochain article je décrirai les acteurs du climat : cycle de l’eau, vents, et océans, puis dans l’article suivant l’apport d’énerrgie du solei et l’effet de serre

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  •    Plusieurs correspondants m'ont demandé de ne pas me limiter, comme je l'avais fait, à expliquer ce qu'était l'effet de serre, mais de mieux préciser quels étaient les acteurs climatiques.
        Je vais donc faire plusieurs articles à ce sujet, en parlant de la machine climatique, des vents et courants marins, et d'un point que j'ai négligé, la montée des océans; mais avant cela, je voudrais bien préciser la différence entre la météorologie à court terme, de tous les jours, et le climat qui est une évolution moyenne à moyen et long terme.

    Ne confondons pas climatologie et météorologie.

        D’après Wikipédia, “la météorologie est l'étude des phénomènes atmosphériques tels que les nuages, les dépressions et les précipitations pour comprendre comment ils se forment et évoluent.
        Elle utilise notamment au plan scientifique,la mécanique des fluides appliquée à l'air, mais qui fait usage de différentes autres branches de la physique, de la chimie et des mathématiques assistés par l’informatique.
        À l'origine purement descriptive, la météorologie est rapidement devenue un lieu d'application de ces disciplines et la météorologie moderne permet d'établir des prévisions de l'évolution du temps en s'appuyant sur des modèles mathématiques à court et moyen terme (quelques jours, voire quelques semaines), ainsi que de la qualité de l'air.
        Elle permet de prévoir à court terme certains risques naturels, notamment pour le trafic aérien, la navigation, les dégats possibles liés aux intempéries....”
        Nous connaissons bien maintenant les alertes météo "oranges"


    http://lancien.cowblog.fr/images/Animaux1/grenouillemeteo.jpghttp://lancien.cowblog.fr/images/ClimatEnergie/meteo.jpg

        Dans nos esprits la météorologie a pour emblème une grenouille sur une échelle et est liée aux jolies présentatrices de la télé.
        Mais ne vous y trompez pas : ce n’est pas une science simple à la portée des grenouilles. J’ai une petite nièce qui est un chercheur réputé en météo et j’ai beau avoir fait beaucoup de maths en préparant Polytechnique et à l’école ensuite, et malgré cela, je n’arrive pas bien souvent à comprendre ses calculs !!!

        Finalement la météo, c’est quel temps fait il chaque jour ici ou là, au niveau local, et ce sont des phénomènes très fluctuants avec de grandes amplitudes d’un jour ou d’une période à l’autre et des prévisions à échéance de 15 jours environ.   

        Voyons à nouveau ce que dit Wikipédia de la climatologie :
        “La climatologie, branche de la géographie physique, est l'étude du climat, c'est-à-dire la succession des conditions météorologiques sur de longues périodes dans le temps.
        En règle générale, le climat ne varie pas, ou assez peu, en un endroit donné du globe, sur une durée de l'échelle du siècle. Mais sur des temps géologiques, le climat peut changer considérablement. Par exemple, la Scandinavie a connu plusieurs périodes glaciaires dans le dernier million d'années.
        La climatologie s'appuie sur des relevés météorologiques historiques, comme sur des mesures relevées par satellite, mais aussi l'épaisseur du manteau neigeux, le recul des glaciers, le carottage des glaces, l'analyse chimique de l'air emprisonné dans la glace, etc.
        La connaissance de nombreux paramètres, comme la température à différentes altitudes, l'influence des gaz à effet de serre, l'humidité relative, l'évaporation océanique, est nécessaire pour produire des modèles climatiques numériques et anticiper les changements du climat que l'on peut prévoir à plus ou moins long terme (30 ans environ)....”

        Comme vous le voyez la climatologie est au moins aussi complexe que la météo. et ce n’est pas une prévision de cartomancienne !
        Elle a énormément recours aux mathématiques et à l’informatique, mais aussi à bien d’autres branches de la physique et en particulier aux échanges thermodynamiques dans l’atmosphère et dans les océans.
        C'est encore plus compliqué que la météo, et c'est pour cela que monsieur Trump et le président du Brésil n'y comprennent rien et totalement ignares, ne croient pas au changement climatique,


        Finalement le climat c’est le temps que je puis espérer avoir à long terme, qui provient de statistiques sur de longues périodes, qui dépend de l’environnement et de la situation géographique, non locale mais à l’échelle d’une contrée, et qui finalement façonne l’environnement et les paysages.

          Au point où nous sommes parvenus, nous pouvons résumer les échanges climatiques sur le schéma suivant :

    http://lancien.cowblog.fr/images/ClimatEnergie/climatechanges.jpg

      

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  • Comment prévoir le climat des prochaines décennies ?

        Il faut d’abord confier cette tâche à des spécialistes, ayant une formation pointue en mathématiques d’une part, d’autre part dans diverses branches de la physique et enfin en informatique.
        Il faut aussi disposer de très gros ordinateur.
        Le schéma ci dessous vous donne une idée de tous les catégories de phénomènes à étudier.


    http://lancien.cowblog.fr/images/ClimatEnergie/modelisation.jpg

        Il faut alors créer ce que l’on appelle des “modèles mathématiques sur ordinateur” , qui sont issus d’équations mathématiques représentant les phénomènes physiques et leurs interactions et leur déroulement dans le temps.
       Sur ces gros ordinateurs on rentre des données qui sont les hypothèses que l'on suppose et l'ordinateur calcule des résultats conséquence des modèles imaginés et des hypothèses rentrées. Cela s'appelle des "simulations" qui sont faites en découpant la terre en petits secteurs de taille d’autant plus petite que l’on veut plus de précision.
        Les très grosses machines actuelle permettent des mailles d’environ 100 X 100 km2.
        Mais évidemment ces modèles sont des constructions de la physique-mathématiques et les lois et leurs interaction ne sont pas parfaitement connues. Les données que l'on rentre sont celles que l'on a mesurée ou celle que l'on trouve probables.
    On fait en général des approximations et des simplifications quand on ne connait pas parfaitement les lois et les données et certaines simplifications sont nécessaires pour permettre les calculs.
        Ces modèles et ces calculs, quand on commence l'étude ne sont pas certains et il faut donc les valider pour être sûr que les résultats soient valables.

        Pour cela, une seule solution : “prédire le passé”, c’est à dire effectuer des calculs sur les climats passés et présents car on en connaît les solutions. Si lorsqu'on rentre les mesures du passé, les résultats du calcul correspondent à ce qui s'est réellement passé, le modèle mathématique est valable.
        Certains modèles peuvent ainsi être validés au moins pour certaines régions du globe.
        On affine et on corrige ces modélisation jusqu’à ce qu’on obtienne une bonne simulation du présent et du passé.
        On peut alors essayer, sur ces modèles validés de prévoir le climat futur.


        Voici quelques résultats généraux de ces calculc.
        Nous avons vu que la production humaine de gaz à effet de serre avait un impact certain sur le climat. Il faut donc partir d’hypothèses sur la production future de ces gaz, qui dépendent évidemment des mesures qui seront rises dans le monde pour limiter ces émissions.
            Comme le montre ce schéma quatre hypothèses très différentes ont été prises :
            - on continue sans se soucier de ce qui va se passer (en rouge).
            - on diminue notre production de gaz à effet de serre de façon moyenne, hypothèse qui semble vraisemblable (en vert).
            - on diminue notre production de gaz à effet de serre de façon très importante , hypothèse qui demaderait un très gros effort mondial (en bleu).
            - à titre de comparaison, on suppose une atmosphère figée, aux valeurs de 2000 (en orange)
        Le schéma montre le réchauffement climatique moyen prévu par le modèle au sens où nous l’avons défini dans l’article sur l’effet de serre.

    http://lancien.cowblog.fr/images/ClimatEnergie/augmtemphypoth.jpg

        Mais ce réchauffement n’est pas homogène sur toute la terre et  la carte ci dessous montre, pour deux des scénarii, l'écart de température moyenne prévisible entre maintenant, l'an 2000 et 2050 pour les schémas de la première colonne, 2100 pour la seconde.
        On voit que le réchauffement est beaucoup plus fort aux pôles nord notamment et que si on continue sans réagir à produire des gaz à effet de serre, on court à la catastrophe.(mappemonde en bas à droite).

    http://lancien.cowblog.fr/images/ClimatEnergie/mappemondetemp.jpg

        Enfin il faut être conscients que même si nous arrivons à maîtriser nos émissions de gaz à effet de serre, nous subirons pendant longtemps l’évolution du climat, car les phénomènes climatiques sont lents et donc agissent avec retard :
         Voici une idée de ce qui se passerait, même dans un schéma dans lequel nous maîtriserions les émissions de façon assez efficace :
            an 2080   
    Maximum des émissionsde CO2 dans l’atmosphère
            an 2200   
    Maximum de concentrationde CO2 dans l’atmosphère. Maximum de réchauffement
            an 2500   
    Acidité maximale des océans Baisse lente de la température
            an 3000   
    Montée maximale du niveau des mers (dilatation+ fonte des glaces polaires)
            an 100 000 seulement    
    Retour aux concentrations naturelles de CO2 ( surplus digéré par l’érosion des continents)
    Retour au rythme naturel du climat

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  •      Il est intéressant de voir comment le climat a évolué, avec des accidents météorologiques, mais aussi des évolutions moyennes au cours de la préhistoire et plus récemment depuis 2000 ans.

         Remontons d'abord à l'homo sapiens. On notera qu'il est apparu à une époque de réchauffement et que les hommes de Java et de Néenderthal ont disparu dans une période de glaciation

    Le climat aux temps préhistoriques récents

    Il est intéressant de voir ensuite les évolutions depuis 12 000 ans et depuis 2000 ans  (cf. les deux graphiques ci-dessous.

    Le climat aux temps préhistoriques récents

    Le climat aux temps préhistoriques récents

    Le climat aux temps préhistoriques récents

        Il y a eu des accidents climatiques avec des périodes très froides comme le montrent les tableaux ci dessous de 1843, 1565, et 1677. :
       D’ailleurs une des causes de la révolution française est la relative famine, due à des hivers très rigoureux et aux banquiers et marchands en gros, qui avaient spéculé sur la farine, rendant l'approvisionnement en pain instable et très cher pour le peuple

    Le climat aux temps préhistoriques récentsLe climat aux temps préhistoriques récents

     

         

    Mais actuellement, le climat devient plus chaud et  les dates des vendanges sont plus précoces.

         Les glaciers reculent : une aquarelle de 1823 dans les Alpes et le même site pris en photo en 1995

    Le climat aux temps préhistoriques récentsLe climat aux temps préhistoriques récents













            La banquise arctique rétrécit comme le montrent ces cartes de prévision ci-dessous de sa surface de 2010 à 2090.

    Le climat aux temps préhistoriques récents















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