Plan du cours I) Calcul température surface d'une planète sans atmosphère I) Calcul température surface d'une planète sans atmosphère II) Effet serre II)

Plan du coursPlan du cours I) Calcul température surface d'une planète sans atmosphèreI) Calcul température surface d'une planète sans atmosphère

II) Effet serre II) Effet serre

Principe Principe

Gaz à effet de serreGaz à effet de serre

III) Mécanisme évolution température III) Mécanisme évolution température

Variation énergie émise par le soleil Variation énergie émise par le soleil

Cycles de MilankovitchCycles de Milankovitch

Mesures de la température passée à l'aide des isotopes de Mesures de la température passée à l'aide des isotopes de l'oxygènel'oxygène

Boucles de rétroactionBoucles de rétroaction

IV) Evolution de l'atmosphère à l'échelle des temps géologiquesIV) Evolution de l'atmosphère à l'échelle des temps géologiques

V) Variations actuelles des températuresV) Variations actuelles des températures

Calcul de la température de la surface d'une Calcul de la température de la surface d'une planète sans atmosphèreplanète sans atmosphère

Corps noir : objet en équilibre thermique. Ne refléchit pas la Corps noir : objet en équilibre thermique. Ne refléchit pas la lumière. Absorbe tous les rayonnements incidents et les lumière. Absorbe tous les rayonnements incidents et les réemet.réemet.

Loi de Planck : indique à qu'elle est l'énergie en fonction de la Loi de Planck : indique à qu'elle est l'énergie en fonction de la longueur d'onde émise par un corps noir. Ne dépend que de la longueur d'onde émise par un corps noir. Ne dépend que de la températuretempérature

I Calcul température surface d'une planète sans atmosphèreI Calcul température surface d'une planète sans atmosphère

Loi de Planck pour la Terre et le SoleilLoi de Planck pour la Terre et le Soleil

Plus un corps est chaud, plus les vibrations des molécules Plus un corps est chaud, plus les vibrations des molécules qui le constituent ont une fréquence élevée, plus les qui le constituent ont une fréquence élevée, plus les longueurs d'onde du rayonnement émis sont courtes longueurs d'onde du rayonnement émis sont courtes (fréquence élevée)(fréquence élevée)

I Calcul température surface d'une planète sans atmosphère/1 Rappel physiqueI Calcul température surface d'une planète sans atmosphère/1 Rappel physique

Loi de WienLoi de Wien

Le rayonnement d'un corps noir a une énergie Le rayonnement d'un corps noir a une énergie maximum à la longueur d'onde t.q :maximum à la longueur d'onde t.q :


Loi de Stefan (pour un corps noir)Loi de Stefan (pour un corps noir)

En sommant l'énergie émis à chaque longueur d'onde, il En sommant l'énergie émis à chaque longueur d'onde, il vient que l'énergie total émise par unité de surface et de vient que l'énergie total émise par unité de surface et de temps est : temps est :


Calcul de la température d'une Calcul de la température d'une planète sans atmosphèreplanète sans atmosphère

1) Calcul de la puissance émise par le soleil à 1) Calcul de la puissance émise par le soleil à l'aide de la loi de Stefan.l'aide de la loi de Stefan.

2) Puissance reçue à une distance D du soleil 2) Puissance reçue à une distance D du soleil par unité de surfacepar unité de surface

3) Puissance reçue sur la surface d'une planète3) Puissance reçue sur la surface d'une planète

4) On en déduit la température de surface de la 4) On en déduit la température de surface de la planète (loi de Stefan) planète (loi de Stefan)

I Calcul température surface d'une planète sans atmosphère2 Calcul I Calcul température surface d'une planète sans atmosphère2 Calcul

1) Puissance émise par le soleil1) Puissance émise par le soleil

En appliquant la loi de stéfan il vient que: En appliquant la loi de stéfan il vient que:


2) Puissance E0 reçue à une distance D du soleil 2) Puissance E0 reçue à une distance D du soleil par unité de surface par unité de surface

On suppose que les rayons arrivent On suppose que les rayons arrivent perpendiculairement à la surface:perpendiculairement à la surface:

A une distance D, l'énergie émise par le soleil A une distance D, l'énergie émise par le soleil se répartie sur une surface 4 pi D^2se répartie sur une surface 4 pi D^2


3) Puissance E1 reçu à la surface d'une planète 3) Puissance E1 reçu à la surface d'une planète située à une distance D par unité de surfacesituée à une distance D par unité de surface

Vue depuis le soleil, la planète apparait comme Vue depuis le soleil, la planète apparait comme un disque de rayon Rtun disque de rayon Rt


4) Température de surface d'une planète 4) Température de surface d'une planète sans atmosphèresans atmosphère

En supposant que la planète est un corps noir: elle émet la En supposant que la planète est un corps noir: elle émet la meme puissance que ce qu'elle reçoit du soleil :meme puissance que ce qu'elle reçoit du soleil :

On suppose que la planète à un albédo A. Elle réfléchit On suppose que la planète à un albédo A. Elle réfléchit une puissance =A E1 => La puissance arrivant sur la une puissance =A E1 => La puissance arrivant sur la planète est : E1-AE1=E1(1-A)planète est : E1-AE1=E1(1-A)


Application numériqueApplication numérique Rayon soleil : 0.7e6 kmRayon soleil : 0.7e6 km

T soleil : 6000 K T soleil : 6000 K

Albédo planète tellurique : A = 0.07Albédo planète tellurique : A = 0.07

Albédo Terre : A=0.3 (végétation, océan)Albédo Terre : A=0.3 (végétation, océan)

Planète Distance soleil (km) Température surface

Mercure 58e6 460 K = 181 C

Venus 108e6 331K = 58C

Terre (A=0.07) 150e6 281K = 8C

Terre (A=0.3) 150e6 251K = -21C

Terre périhélie (A=0.3) 147e6 253 K =-19 C

Terre aphélie (A=0.3) 152e6 249K = -23C

Mars 227e6 228K = -44C

I Calcul température surface d'une planète sans atmosphère/ 2 Calcul I Calcul température surface d'une planète sans atmosphère/ 2 Calcul

Température de la surface des planètes calculées et Température de la surface des planètes calculées et mesurées (par Emmanuel Caroli) avec A=0.07mesurées (par Emmanuel Caroli) avec A=0.07

Le calcul théorique prédit bien la température de Mercure, car Le calcul théorique prédit bien la température de Mercure, car Mercure n'a pas d'atmosphèreMercure n'a pas d'atmosphère

Idem pour Mars, Mars ayant une atmosphère minceIdem pour Mars, Mars ayant une atmosphère mince

On sous-estime un peu la température de la Terre : l'effet de serre On sous-estime un peu la température de la Terre : l'effet de serre augment la température de ~35C (avec A=0.3) augment la température de ~35C (avec A=0.3)

Vénus à un effet de serre extreme : atmosphère épaisse et contenant Vénus à un effet de serre extreme : atmosphère épaisse et contenant essentiellement du C02essentiellement du C02

I Calcul température surface d'une planète sans atmosphère/ 2 Calcul I Calcul température surface d'une planète sans atmosphère/ 2 Calcul



Principe Principe









II - Effet serreII - Effet serre

Température d'équilibreTempérature d'équilibre On imagine qu'un corps froid est soumis à des On imagine qu'un corps froid est soumis à des

rayonnements electromagnétique ne variant rayonnements electromagnétique ne variant pas au cours du temps: pas au cours du temps: => sa température => sa température

augmente augmente Plus sa température augmente, plus l'énergie qu'il Plus sa température augmente, plus l'énergie qu'il

émet augmente jusqu'à ce que :émet augmente jusqu'à ce que :

L'effet de serre a pour effet de modifier la L'effet de serre a pour effet de modifier la température d'équilibre d'une planète en température d'équilibre d'une planète en augmentant E_absorbéaugmentant E_absorbé

II Effet de serre/ 1 principeII Effet de serre/ 1 principe

Atmosphère essentiellement transparente aux rayonnements du Atmosphère essentiellement transparente aux rayonnements du soleil soleil

Terre émet dans les IR => Fortement absorbé par l'atmosphère. Terre émet dans les IR => Fortement absorbé par l'atmosphère.


Effet de serre simplifiéEffet de serre simplifié

On suppose que l'atmosphère infiniment mince : le rayonnement On suppose que l'atmosphère infiniment mince : le rayonnement absorbé puis réemis par l'atmosphère part soit dans l'espace ou le absorbé puis réemis par l'atmosphère part soit dans l'espace ou le sol mais n'est pas réabsorbé par l'atmosphère sol mais n'est pas réabsorbé par l'atmosphère

L'atmosphère 100% transparente aux rayonnements visibles et 100 L'atmosphère 100% transparente aux rayonnements visibles et 100 % opaque aux IR. % opaque aux IR.

Sol absorbe 100% l'énergie du soleil (corps noir) et le réémet Sol absorbe 100% l'énergie du soleil (corps noir) et le réémet (équilibre)(équilibre)

100

100 100

100/

2

100/2

100/

2

100/

4

100/4 100/

4

Rayonnement en visibleRayonnement en IR

Absorption - réchauffement, émission IR

Etc...

100/

8

100/8 100/

810

0/16 100

200

200SOL

Quantité émise par le soleil


Effet de serre simplifiéEffet de serre simplifié

SOL

Quantité émise par le soleil

100 100

100200

Au niveau du sol :

• Sans serre et à l'équilibre, il en arrive 100 et en repart 100

• Avec serre, à l'équilibre, il en arrive et en repart 200


Effet de serre plus réalisteEffet de serre plus réalisteon suppose que les IR absorbés puis réemis par l'atmosphère peuvent etre on suppose que les IR absorbés puis réemis par l'atmosphère peuvent etre

réabsorbé par l'atmosphère => nuages émettent plus d'énergie vers le bas réabsorbé par l'atmosphère => nuages émettent plus d'énergie vers le bas que vers le hautque vers le haut

Nuages

SOL

100% = 340 w/m²

100

50

10

20

10

20

REFLEXION

100 120

ABSORPTIONREEMISSION

70

30

Rayonnement IRRayonnement Visible Evaporation : chaleur latente

Abs. atm

Abs. sol

Rée

mi. p

ar l'a

tm.

ve

rs le

so

l

Ré

em

i. Pa

r le s

ol

Ré

em

i. pa

r l'atm

. v

ers

l'es

pa

ce

Que reçoit la Terre : 100Que renvoie la Terre : 20+10+70 = 100

Que reçoit et absorbe l'atm : 20+120+30 = 170Que réémet l'atm : 100+70=170

Que reçoit et absorbe le sol : 50+100=150Que réémet le sol : 120+30=150

EQUILIBRE !!T° moyenne = 15°C


Gaz à effet de serre (GES): transparence Gaz à effet de serre (GES): transparence

Méthaneoxygène

CO2 H20

II Effet de serre/ 2 Gaz à effet de serreII Effet de serre/ 2 Gaz à effet de serre

Les gaz à effet de serre (GES)Les gaz à effet de serre (GES)

H2O

CO2

N2O

CH4

55% des GES

39% des GES

2% des GES

2% des GES

qq j (troposphère)

50-200 ans

150 ans

10 ans

II Effet de serre/ 2 Gaz à effet de serreII Effet de serre/ 2 Gaz à effet de serre



Principe Principe









Qu'est ce qui fixe la température d'une planète ?Qu'est ce qui fixe la température d'une planète ?

Apport énergie soleil Apport énergie soleil

Albédo de l'atmosphère et du sol .Albédo de l'atmosphère et du sol .

Composition chimique de l'atmosphère (effet de Composition chimique de l'atmosphère (effet de serre, albédo). serre, albédo).

III- Mécanisme évolution température III- Mécanisme évolution température

Interaction entre différents réservoirsInteraction entre différents réservoirs

Différent réservoirs interagissent (échange chaleur, C02, Différent réservoirs interagissent (échange chaleur, C02, S02, H20...) selon des échelles de temps allant de la S02, H20...) selon des échelles de temps allant de la journée à plusieurs mAjournée à plusieurs mA


Variation gaz à effet de serre et Variation gaz à effet de serre et cycle du carbonecycle du carbone

Court Terme : cycle carbone Court Terme : cycle carbone

Moyen terme 1000 ans ~ 1mA: sédimentation, Moyen terme 1000 ans ~ 1mA: sédimentation, circulation océanscirculation océans

Long terme >1 mA: géodynamique interneLong terme >1 mA: géodynamique interne Métamorphisme zone subduction, volcanisme, Métamorphisme zone subduction, volcanisme,

génèse continent, dorsale océanique.génèse continent, dorsale océanique.


Variation activité solaire Variation activité solaire

Mesure fiable et précise ne se font que depuis Mesure fiable et précise ne se font que depuis ~20 ans~20 ans

Au delà, on évalue l'activité du soleil via le Au delà, on évalue l'activité du soleil via le nombre des taches solaires, ou via le taux de nombre des taches solaires, ou via le taux de carbone 14. carbone 14.

III- Mécanisme évolution température / 1 Variation activité solaire III- Mécanisme évolution température / 1 Variation activité solaire

Variation énergie solaireVariation énergie solaire

Cycle de 11 ans : variation nombre taches solaires Cycle de 11 ans : variation nombre taches solaires corrélée à des variation de l'énergie émise par le soleil. corrélée à des variation de l'énergie émise par le soleil.

Le nombre de wolf est proportionnelle au nombre de Le nombre de wolf est proportionnelle au nombre de taches. Il est mesuré depuis le 17ème siècle. taches. Il est mesuré depuis le 17ème siècle.

III- Mécanisme évolution température / 1 Variation activité solaire /a cycle de 11 ansIII- Mécanisme évolution température / 1 Variation activité solaire /a cycle de 11 ans

Variation de l'irradiance associée aux variation du Variation de l'irradiance associée aux variation du nombre de tache solairenombre de tache solaire

Irradiance est corrélée avec le nombre de taches solairesIrradiance est corrélée avec le nombre de taches solaires

Les variations restent très faiblesLes variations restent très faibles

III- Mécanisme évolution température / 1 Variation activité solaire/ a cycle de 11 ansIII- Mécanisme évolution température / 1 Variation activité solaire/ a cycle de 11 ans

Variation énergie solaireVariation énergie solaire

Minimum 1650-1700 correspond au petit age glaciaire Minimum 1650-1700 correspond au petit age glaciaire connue en Europe . connue en Europe .


Au cours du cycle de 11 ans la Terre reçoit 0.2 Au cours du cycle de 11 ans la Terre reçoit 0.2 W.m-2 de plus (par rapport au 35 W.m-2).W.m-2 de plus (par rapport au 35 W.m-2).

Cycle de 11 ans ne semble pas influencer la Cycle de 11 ans ne semble pas influencer la température la Terretempérature la Terre

La période 1650-1715 de faible activité solaire La période 1650-1715 de faible activité solaire coincide avec le petit age glaciaire en Europe. coincide avec le petit age glaciaire en Europe.


A plus long terme on se sert du 14C pour A plus long terme on se sert du 14C pour mesurée l'activité solairemesurée l'activité solaire

III- Mécanisme évolution température / 1 Variation activité solaire/ mesure activité soleil à l'aide du 14CIII- Mécanisme évolution température / 1 Variation activité solaire/ mesure activité soleil à l'aide du 14C

Impacte des variation solaire sur la stratosphèreImpacte des variation solaire sur la stratosphère

III- Mécanisme évolution température / 1 Variation activité solaire/ c Impact sur la stratosphèreIII- Mécanisme évolution température / 1 Variation activité solaire/ c Impact sur la stratosphère

Impacte des variation solaire sur la stratosphèreImpacte des variation solaire sur la stratosphère

Augmentation activité solaire => + UV => Augmentation activité solaire => + UV => augmentation concentration de ~2% d'ozone => augmentation concentration de ~2% d'ozone => stratosphère plus chaude.stratosphère plus chaude.

III- Mécanisme évolution température / 1 Variation activité solaire/ c Impact sur la stratosphèreIII- Mécanisme évolution température / 1 Variation activité solaire/ c Impact sur la stratosphère

Les cycles de MilankovitchLes cycles de Milankovitch

Milutin Milankovitch (1879-1958)

III- Mécanisme évolution température / 2 cycle de MilankovitchIII- Mécanisme évolution température / 2 cycle de Milankovitch

Excentricité : 100 000 an : la trajectoire de la Terre autour du soleil peut etre Excentricité : 100 000 an : la trajectoire de la Terre autour du soleil peut etre plus ou moins ellipitique plus ou moins ellipitique

Obliquité : 41 000 ans : angle entre l'axe de rotation de la Terre et le plan de Obliquité : 41 000 ans : angle entre l'axe de rotation de la Terre et le plan de l'écliptique change au cours du temps entre 21 et 24.5 degré (23 en ce l'écliptique change au cours du temps entre 21 et 24.5 degré (23 en ce moment)moment)

Précession : 25 000 ans : Le pole tourne autour d'un axe moyen Précession : 25 000 ans : Le pole tourne autour d'un axe moyen

III- Mécanisme évolution température / 2 cycle de Milankovitch/ a DéfinitionIII- Mécanisme évolution température / 2 cycle de Milankovitch/ a Définition

Excentricité : (100 000 an) modifie la quantité d'énergie totale reçue sur Terre Excentricité : (100 000 an) modifie la quantité d'énergie totale reçue sur Terre d'environ 1% en faisant varier la distance Terre-Soleil. d'environ 1% en faisant varier la distance Terre-Soleil.

Obliquité et la précession ne change pas la quantité d'énergie total reçu sur Obliquité et la précession ne change pas la quantité d'énergie total reçu sur Terre, mais influe sur sa répartition Terre, mais influe sur sa répartition

III- Mécanisme évolution température / 2 cycle de Milankovitch/ a définitionIII- Mécanisme évolution température / 2 cycle de Milankovitch/ a définition

Excentricité : 110 000 ansExcentricité : 110 000 ans

Période 110 000 ansPériode 110 000 ans

L'excentricité varie entre -0.6 et 0L'excentricité varie entre -0.6 et 0

Actuel : -0.2 ie l'orbite de la Terre Actuel : -0.2 ie l'orbite de la Terre autour du soleil est quasi-circulaireautour du soleil est quasi-circulaire

III- Mécanisme évolution température / 2 cycle de Milankovitch/a définitionIII- Mécanisme évolution température / 2 cycle de Milankovitch/a définition

Obliquité : variation de l'inclinaison de l'axe Obliquité : variation de l'inclinaison de l'axe de rotation terrestrede rotation terrestre

Terre – incliné => Energie se concentre autour de l'équateur Terre – incliné => Energie se concentre autour de l'équateur

Terre+ incliné => + chaleur aux latitudes élevéesTerre+ incliné => + chaleur aux latitudes élevées

=> Affecte la quantité de glace présente aux poles=> Affecte la quantité de glace présente aux poles

Période 41 000 ansPériode 41 000 ans

Inclinaison varie entre 22 et Inclinaison varie entre 22 et 24.5 degré 24.5 degré

Actuel : 23.5 (décroissant)Actuel : 23.5 (décroissant)


Précession de l'axe de rotationPrécession de l'axe de rotation

Période : 20 000 ansPériode : 20 000 ans

Amplitude : L'axe de Amplitude : L'axe de rotation balaie un cone de rotation balaie un cone de 44 à 49 degrés44 à 49 degrés

Affecte le contraste de Affecte le contraste de température entre les température entre les saisons, mais pas la saisons, mais pas la moyennemoyenne


Précession de l'axe de rotationPrécession de l'axe de rotation

La précession a d'autant plus d'impacte que l'excentricité est La précession a d'autant plus d'impacte que l'excentricité est importanteimportante

Il y'a 110 000 ans : été chaud favorise fonte des glaciers, hiver trop Il y'a 110 000 ans : été chaud favorise fonte des glaciers, hiver trop froid apporte peu de neige => peu de glace aux polesfroid apporte peu de neige => peu de glace aux poles

Actuel : c'est l'inverse, mais la trajectoire de la Terre est quasi-Actuel : c'est l'inverse, mais la trajectoire de la Terre est quasi-circulairecirculaire

Eté dans l'hémisphère nord Hiver hémisphère nord


Variation d'énergie recu sur Terre le 21 juin Variation d'énergie recu sur Terre le 21 juin du au cycle de Milankovitchdu au cycle de Milankovitch

III- Mécanisme évolution température / 2 cycle de Milankovitch/ b variation d'énergie reçue sur TerreIII- Mécanisme évolution température / 2 cycle de Milankovitch/ b variation d'énergie reçue sur Terre

Variation d'énergie recu sur Terre le 21 juin Variation d'énergie recu sur Terre le 21 juin du au cycle de Milankovitchdu au cycle de Milankovitch

Les variations d'energie sont d'environ 7% aux poles et ~3% Les variations d'energie sont d'environ 7% aux poles et ~3% aux moyennes latitudesaux moyennes latitudes

Source : James D. HAYS, Peter B. de MENOCAL D'après Climate Archives Lamont-Doherty Earth Observatory of Source : James D. HAYS, Peter B. de MENOCAL D'après Climate Archives Lamont-Doherty Earth Observatory of Columbia UniversityColumbia University


Variation de l'énergie reçue à une latitude de Variation de l'énergie reçue à une latitude de 65 degré due au cycle de Milankovitch65 degré due au cycle de Milankovitch

Les variations d'énergie sont de l'ordre de ~5%`Les variations d'énergie sont de l'ordre de ~5%`


Impacte des cycles de Milankovitch Impacte des cycles de Milankovitch sur la température de l'atmosphèresur la température de l'atmosphère

Comment mesurer la température passée ?Comment mesurer la température passée ?

Rapport isotopique Rapport isotopique

Eau mer contient 98% d'oxygène 16Eau mer contient 98% d'oxygène 16

III- Mécanisme évolution température / 3 Mesure température passée / a Principe III- Mécanisme évolution température / 3 Mesure température passée / a Principe

Comment mesurer le volume de glace présent Comment mesurer le volume de glace présent aux poles à l'échelle de Nx100 000 ans aux poles à l'échelle de Nx100 000 ans

Évaporation : plus faible dans la vapeurÉvaporation : plus faible dans la vapeur

Condensation : plus faible dans la vapeur Condensation : plus faible dans la vapeur restante que dans l'eau. Une température faible augmente ce restante que dans l'eau. Une température faible augmente ce fractionnement.fractionnement.

Equateur : évaporation océan => nuage ayant un Equateur : évaporation océan => nuage ayant un

plus faible que l'océanplus faible que l'océan

Nuage se déplacent vers les poles en condensant au fur et à Nuage se déplacent vers les poles en condensant au fur et à mesure (pluies successives) => diminue dans la mesure (pluies successives) => diminue dans la vapeur d'eau restantevapeur d'eau restante

=> Glace polaire a un plus petit que les océans.=> Glace polaire a un plus petit que les océans.

=> glace est d'autant plus faible qu'il fait froid.=> glace est d'autant plus faible qu'il fait froid.


Glace polaire a un plus petit que les océans.Glace polaire a un plus petit que les océans.

glace est d'autant plus faible qu'il fait froid.glace est d'autant plus faible qu'il fait froid.

=> Plus la calotte polaire est importante, plus => Plus la calotte polaire est importante, plus

est élevé dans les océansest élevé dans les océans

Au fond des océans vivent des foraminifères qui forment une Au fond des océans vivent des foraminifères qui forment une coquille carbonaté dont le est proportionnel à coquille carbonaté dont le est proportionnel à celui de l'océancelui de l'océan

L'analyse des carottes sédimentaires en domaine océanique L'analyse des carottes sédimentaires en domaine océanique permet de retrouver le des océans au cours du permet de retrouver le des océans au cours du temps et donc le volume de la calotte polaire sur n mAtemps et donc le volume de la calotte polaire sur n mA

L'analyse du dans la glace des pole permet de L'analyse du dans la glace des pole permet de retrouver la température moyenne terrestre et le volume de la retrouver la température moyenne terrestre et le volume de la calottecalotte


glace = thermomètre : plus il fait froid plus ce rapport glace = thermomètre : plus il fait froid plus ce rapport est petit est petit

océan : indique le volume de glace aux poles : + océan : indique le volume de glace aux poles : + élevé + de glace => + il fait froidélevé + de glace => + il fait froid


Variation niveau des glaces aux poles => variation niveau mers Variation niveau des glaces aux poles => variation niveau mers => modifie le rapport 18O/16O. On le mesure dans la calcite => modifie le rapport 18O/16O. On le mesure dans la calcite (CaC03), dans la glace (CaC03), dans la glace


Comparaison des variation du l'O18 mesurés Comparaison des variation du l'O18 mesurés dans les carottes sédimentaires et la glacedans les carottes sédimentaires et la glace

III- Mécanisme évolution température / 3 Mesure température passée / b Résultats III- Mécanisme évolution température / 3 Mesure température passée / b Résultats

Comparaison des variation du l'O18 mesurés Comparaison des variation du l'O18 mesurés dans les carottes sédimentaires et la glacedans les carottes sédimentaires et la glace

D18O faible dans les océans coincident avec un d18O D18O faible dans les océans coincident avec un d18O élevé dans la glace = climat chaud avec peu de glace aux élevé dans la glace = climat chaud avec peu de glace aux poles poles

III- Mécanisme évolution température / 3 Mesure température passée / b Résultats III- Mécanisme évolution température / 3 Mesure température passée / b Résultats

Cycles de Milankovitch expliquent l'alternance des Cycles de Milankovitch expliquent l'alternance des périodes glaciaires et interglaciaires tous les périodes glaciaires et interglaciaires tous les

~100000 ans~100000 ans

Volume de glace (rouge) et forçage solaire (vert)

III- Mécanisme évolution température / 3 Mesure température passée / b Résultats/ Comparaison avec cycle de Milankovitch III- Mécanisme évolution température / 3 Mesure température passée / b Résultats/ Comparaison avec cycle de Milankovitch

III- Mécanisme évolution température / 3 Mesure température passée / b Résultats/ Comparaison avec cycle de Milankovitch III- Mécanisme évolution température / 3 Mesure température passée / b Résultats/ Comparaison avec cycle de Milankovitch

A) d18O dans une carotte A) d18O dans une carotte sédimentaire dans l'océan sédimentaire dans l'océan pacifiquepacifique

B) 2eme colonne : B) 2eme colonne : température surface des température surface des océans.océans.

III- Mécanisme évolution température / 3 Mesure température passée / b Résultats/ Alternance période glacière et inter glacière au quaternaire III- Mécanisme évolution température / 3 Mesure température passée / b Résultats/ Alternance période glacière et inter glacière au quaternaire

Variation du d18O dans un forage sédimentaire dans le Variation du d18O dans un forage sédimentaire dans le pacifique brut et filtré autour de 100 000 anspacifique brut et filtré autour de 100 000 ans

Les derniers 500 000 sont dominés par le cycle de 100 000 ansLes derniers 500 000 sont dominés par le cycle de 100 000 ans

En revanche entre 500 000 et 1 500 000 ans, le cycle de 40 000 En revanche entre 500 000 et 1 500 000 ans, le cycle de 40 000 ans domineans domine


Périodicité cycle glaciaire/interglaciaire est Périodicité cycle glaciaire/interglaciaire est passée de 40 000 à 100 000 ans il y'a ~600 passée de 40 000 à 100 000 ans il y'a ~600 000 ans 000 ans

Augmentation du volume de glace polaire Augmentation du volume de glace polaire mobilisé lors des glaciation il y'a ~400 000 ans.mobilisé lors des glaciation il y'a ~400 000 ans.


Forage du dome CForage du dome C

~3000 m de glace ont été prélevé => permet ~3000 m de glace ont été prélevé => permet d'étudier le climat sur ~750 000 ansd'étudier le climat sur ~750 000 ans

III- Mécanisme évolution température / 3 Mesure température passée / b Résultats/ Forage au dome CIII- Mécanisme évolution température / 3 Mesure température passée / b Résultats/ Forage au dome C

Variation du rapportVariation du rapport

III- Mécanisme évolution température / 3 Mesure température passée / b Résultats/ Forage au dome CIII- Mécanisme évolution température / 3 Mesure température passée / b Résultats/ Forage au dome C

Cycles de Milankovitch dans le passé Cycles de Milankovitch dans le passé lointainlointain

Les orbites planétaires sont „chaotique” Les orbites planétaires sont „chaotique” => pas possible de savoir connaitre l'excentricité, => pas possible de savoir connaitre l'excentricité,

l'obliquité, et la précession de la Terre au delà de l'obliquité, et la précession de la Terre au delà de quelques mA...quelques mA...

L'excentricité dépend de l'attraction gravitationnelle L'excentricité dépend de l'attraction gravitationnelle du Soleil, Jupiter, Saturnes, toutes les planètes....du Soleil, Jupiter, Saturnes, toutes les planètes....

L'obliquité et la précession dépende de la L'obliquité et la précession dépende de la répartition des masses au sein de la Terre répartition des masses au sein de la Terre (continents), du couplage Terre-Lune, vitesse de (continents), du couplage Terre-Lune, vitesse de rotation de la Terre....rotation de la Terre....

III- Mécanisme évolution température / 3 Mesure température passée / cycle Milankovitch passéIII- Mécanisme évolution température / 3 Mesure température passée / cycle Milankovitch passé

Bilan sur les cycle de MilankovitchBilan sur les cycle de Milankovitch

Cycles de Milankovitch modifientCycles de Milankovitch modifient

l'apport total d'energie provenant du soleil de 1% l'apport total d'energie provenant du soleil de 1% (excentricité 100 000 ans) (excentricité 100 000 ans)

sa répartition sur Terre (~3% latitude intermédiaire) sa répartition sur Terre (~3% latitude intermédiaire) Bien que faible, les cycles de Milankovitch ont déterminé Bien que faible, les cycles de Milankovitch ont déterminé

la température et le volume de glace au cours de 500 000 la température et le volume de glace au cours de 500 000 dernières années dernières années

Comment cela est-il possible ? Comment cela est-il possible ?

III- Mécanisme évolution température / 3 Mesure température passée / cycle Milankovitch passéIII- Mécanisme évolution température / 3 Mesure température passée / cycle Milankovitch passé

`

III- Mécanisme évolution température / 4 boucle rétroaction/ a variation GES températureIII- Mécanisme évolution température / 4 boucle rétroaction/ a variation GES température

`

III- Mécanisme évolution température / 4 boucle rétroaction/b variation GES, T et cycle MilankovitchIII- Mécanisme évolution température / 4 boucle rétroaction/b variation GES, T et cycle Milankovitch

Les mécanismes de l'influence des cycles de Les mécanismes de l'influence des cycles de Milankovitch sur les paramètres „géologiques” Milankovitch sur les paramètres „géologiques” (volume glace, fractionnement isotopiques (volume glace, fractionnement isotopiques carbonates,...) sont encore peu connuscarbonates,...) sont encore peu connus

III- Mécanisme évolution température / 4 boucle rétroactionIII- Mécanisme évolution température / 4 boucle rétroaction

Exemples de rétroactions positives Exemples de rétroactions positives

Cycle de Milankovitch influence sur la température Cycle de Milankovitch influence sur la température terrestre terrestre

CO2, CH4, température varient ensembleCO2, CH4, température varient ensemble

=> Il existe des rétroactions positives. Par exemple => Il existe des rétroactions positives. Par exemple elevation températureelevation température

=> diminution volume calotte polaire => albédo moins => diminution volume calotte polaire => albédo moins élevé => températures augmententélevé => températures augmentent

=> CO2 moins soluble dans les océans, plus => CO2 moins soluble dans les océans, plus d'évaporation d'H2O => Plus de CO2, H20 atmosphère d'évaporation d'H2O => Plus de CO2, H20 atmosphère => plus d'effet de serre => plus d'effet de serre

=> influence sur les nuages ?=> influence sur les nuages ?


Exemples de rétroactions positivesExemples de rétroactions positives

http://planet-terre.ens-lyon.fr/planetterre/


Exemple de rétroactions négativesExemple de rétroactions négatives

Augmentation température favorise Augmentation température favorise l'augmentation silicates => libération d'ions l'augmentation silicates => libération d'ions Ca2+ => piège le CO2 sous forme de CaCO3 Ca2+ => piège le CO2 sous forme de CaCO3 diminuant ainsi le CO2 atmosphériquediminuant ainsi le CO2 atmosphérique

CaSiO3 + CO2 → CaCO3 + SiO2CaSiO3 + CO2 → CaCO3 + SiO2

Ces réactions font intervenir des l'altération des Ces réactions font intervenir des l'altération des continentes et sont donc lentescontinentes et sont donc lentes


Exemples rétroactions positives négativesExemples rétroactions positives négatives




Principe Principe









Evolution de l'atmosphère à l'échelle Evolution de l'atmosphère à l'échelle des temps géologiquesdes temps géologiques

Comment connaitre la composition de Comment connaitre la composition de l'atmosphère à l'échelle des temps l'atmosphère à l'échelle des temps géologique ? géologique ?

On s'interesse surtout au CO2 du fait de son On s'interesse surtout au CO2 du fait de son role important sur la températurerole important sur la température

IV Evolution atmosphère échelle temps géologiques

Il y'a 4.5 milliards d'annéesIl y'a 4.5 milliards d'années 1) Le charbon et les roches carbonatés ce sont formés 1) Le charbon et les roches carbonatés ce sont formés

au cours de l'histoire de la Terre.au cours de l'histoire de la Terre.

On suppose qu'au moment de la formation de la On suppose qu'au moment de la formation de la Terre, tout le CO2 de ces roches était dans Terre, tout le CO2 de ces roches était dans l'atmosphère.l'atmosphère.

2) En supposant que le rapport H2O/CO2 dans les 2) En supposant que le rapport H2O/CO2 dans les chondrites et la Terre est la meme. Connaissant le chondrites et la Terre est la meme. Connaissant le volume actuel des océans on en déduit le volume de volume actuel des océans on en déduit le volume de CO2 dans l'atmosphèreCO2 dans l'atmosphère

CCL: il y'avait ~100 000x plus de CO2 qu'aujourd'huiCCL: il y'avait ~100 000x plus de CO2 qu'aujourd'hui

IV Evolution atmosphère échelle temps géologiques/ 1 Principe des mesures/ a au moment formation de la Terre

De l'archéen au pré-cambrien (4.5 De l'archéen au pré-cambrien (4.5 Ma à 600 mA)Ma à 600 mA)

L'insolation du soleil a augmenté de 40% au cours de L'insolation du soleil a augmenté de 40% au cours de l'histoire de la Terre. l'histoire de la Terre.

3.8 Ma => présence galet au groenland => pas/peu de 3.8 Ma => présence galet au groenland => pas/peu de glace => CO2 élevéglace => CO2 élevé

3 Ma => trace de glacier => CO2 diminue3 Ma => trace de glacier => CO2 diminue

Etude de la sédimentation permet de mesurer Etude de la sédimentation permet de mesurer indirectement le taux de CO2 local au moment de la indirectement le taux de CO2 local au moment de la sédimentation ....sédimentation ....

IV Evolution atmosphère échelle temps géologiques/ 1 Principe des mesures/ b de l'archéen au précambrien

Lors des 600 derniers mALors des 600 derniers mA

On suppose que CO2 atmosphérique + On suppose que CO2 atmosphérique + océanique + piégés dans les roches océanique + piégés dans les roches sédimentaires = constant sédimentaires = constant

CO2 océan est déduite de son pH mesuré via CO2 océan est déduite de son pH mesuré via la sédimentation la sédimentation

CO2 atmosphérique dans certains cas peut etre CO2 atmosphérique dans certains cas peut etre mesuré directement via l'indice stomatique de mesuré directement via l'indice stomatique de débris végétaux ...débris végétaux ...

(rapport nb stomate/nb cellule épidermique)

IV Evolution atmosphère échelle temps géologiques/ 1 Principe des mesures// c 600 derniers mA

Evolution composition atmosphère depuis Evolution composition atmosphère depuis 4.5 Ma4.5 Ma

CO2 (/actuel)

1

10

100

1000

10000

100000

4 3 2 1 0 Ga

4.5 Ga à 600 Ma

VENUS

60 atm

IV Evolution atmosphère échelle temps géologiques/ 1 Principe des mesures//d synthèse

Evolution composition atmosphère depuis Evolution composition atmosphère depuis 4.5 Ma4.5 Ma

CO2 (/actuel)

1

10

100

1000

10000

100000

4 3 2 1 0 Ga

4.5 Ga à 600 Ma

Condensation des océansPrécipitation des carbonates + foss.

VENUS

60 atm

4/5 Calcaires 1/5 C (+ O2)

1/1000 Vie Vivante

999/1000 Vie fossile

Dévelopement végétation il y'a ~400 mA pompe le CO2 (carbonifère)Dévelopement végétation il y'a ~400 mA pompe le CO2 (carbonifère)

Remonté du CO2 il y'a ~200 mA Remonté du CO2 il y'a ~200 mA

IV Evolution atmosphère échelle temps géologiques/1 Principe des mesures/d synthèse

OROGENESEPANAFRICAINE

OROGENESEHERCYNIENNE

OUVERTUREATLANTIQUE

HIMALAYAALPES ?

IV Evolution atmosphère échelle temps géologiques/ 2 Role des orogénèses

Role de la formation des chaines de Role de la formation des chaines de montagne sur la températuremontagne sur la température

Formation montagne entrainent altération roches nouvellement Formation montagne entrainent altération roches nouvellement exposée :exposée :

L'altération est favorisée par les précipitations, alternance gel/dégel, L'altération est favorisée par les précipitations, alternance gel/dégel, faible végétation,..faible végétation,..

Roche silicaté s'altère en pompant le CO2 atmosphérique. Roche silicaté s'altère en pompant le CO2 atmosphérique.

Altération plagioclase : Altération plagioclase :

Si2Al2O8Ca = 2 SiO2 + Al2O3 + CaOSi2Al2O8Ca = 2 SiO2 + Al2O3 + CaO Altération de l'anorthite: Altération de l'anorthite:

CaAl2Si2O8 + 3 H2O + 2 CO2 Al2Si2O5(OH)4 (kaolinite) ⇄CaAl2Si2O8 + 3 H2O + 2 CO2 Al2Si2O5(OH)4 (kaolinite) ⇄+Ca2+ + 2 HCO3 -+Ca2+ + 2 HCO3 -


Quantité CO2 libérée dans l'atmosphère si Quantité CO2 libérée dans l'atmosphère si 100% Himalaya était altéré 100% Himalaya était altéré

Volume de l'Himalaya =~ 1000 km x 100 km x Volume de l'Himalaya =~ 1000 km x 100 km x 10 km = 2.1010 km = 2.1066 km km33

Densité des roches = 3000 kg/m3 => Masse Densité des roches = 3000 kg/m3 => Masse himalaya = 6.10himalaya = 6.101818 Kg Kg

La croute terrestre coutient ~2% de silicate La croute terrestre coutient ~2% de silicate carbonaté : Masse des silicates carbonaté = carbonaté : Masse des silicates carbonaté = 0.02 * 0.02 * 6.106.101818 Kg = 1.2 10 Kg = 1.2 101717 kg kg

Masse de CO2 altérée : Masse de CO2 altérée :


Dans l'atmosphère on a 2.75 10Dans l'atmosphère on a 2.75 1015 15 Kg, soit 34 Kg, soit 34 fois moins que le CO2 libéré par la totalité de fois moins que le CO2 libéré par la totalité de l'altération de l'himalayal'altération de l'himalaya


Variation C02 depuis -600 mAVariation C02 depuis -600 mA

Source : Berner, Science, 1997

IV Evolution atmosphère échelle temps géologiques/ 3 Variations à différentes échelles de temps

Dévelopement végétation il y'a ~400 mA pompe Dévelopement végétation il y'a ~400 mA pompe le CO2 (carbonifère) le CO2 (carbonifère)

Remonté du CO2 il y'a ~200 mA Remonté du CO2 il y'a ~200 mA

Variation C02 depuis -600 mAVariation C02 depuis -600 mA


De 180 mA à l'heure actuelle: De 180 mA à l'heure actuelle: évolution températureévolution température

Refroidissement continue depuis le tertiaireRefroidissement continue depuis le tertiaire

Méthode suffisament précise pour voir les Méthode suffisament précise pour voir les cycles de Milankovitch au cours du quaternaire cycles de Milankovitch au cours du quaternaire


Bilan sur l'évolution de l'atmosphère Bilan sur l'évolution de l'atmosphère terrestreterrestre

Plusieurs échelle de temps : Plusieurs échelle de temps : Variation activité solaireVariation activité solaire nx100 ans : Variations rapides de l'énergie solaire nx100 ans : Variations rapides de l'énergie solaire ~100 000 ans : Cycle Milankovitch => cycle ~100 000 ans : Cycle Milankovitch => cycle

glaciationglaciation ~100 mA : Tectonique des plaques, formation ~100 mA : Tectonique des plaques, formation

chaines de montagnes, ouverture océans,...chaines de montagnes, ouverture océans,... Dévelopement de la vie : photosynthèse augmente Dévelopement de la vie : photosynthèse augmente

O2O2

Bilan boucles de rétroaction positives et négatives Bilan boucles de rétroaction positives et négatives fonctionnant sur différentes échelles de tempsfonctionnant sur différentes échelles de temps

Bilan méthodes de datationBilan méthodes de datation

Rapport isotopique oxygène, taux CO2, CH4 Rapport isotopique oxygène, taux CO2, CH4 dans les glaces : => étude l'atmosphère sur dans les glaces : => étude l'atmosphère sur ~750 000 ans~750 000 ans

Carottes sédimentaires : moins précis mais Carottes sédimentaires : moins précis mais permet monté plus loin dans le tempspermet monté plus loin dans le temps

Autres méthodes : sédiments=>ph Océan => Autres méthodes : sédiments=>ph Océan => CO2, indice stomatique,...CO2, indice stomatique,...

Bilan : réservoirs impliquésBilan : réservoirs impliqués

Pas encore vuPas encore vu

Role des océans Role des océans

Role volcanismeRole volcanisme



Principe Principe









Variations actuelles du CO2Variations actuelles du CO2

V Variations climatiques actuelles/ 1 paramètres climatiques / a variations globaes


1

HIVERETE : Pulsation max = 6 ppmv

Hiver et été : même taux de respiratiomais pas même taux de photosynthèsePhotosynthèse été > hiver

ANTHROPISATION+ 1.4 ppmv/an Biomasse importante

Peu de biomasse


Variation CO2 en fonction du temps et de la Variation CO2 en fonction du temps et de la latitudelatitude


Contribution anthropique à l'effet de serreContribution anthropique à l'effet de serre

CO2

N2O

CH4

SF6 – HFC…

Combustion C fossile,déchets, cimentsdéforestation

combustion, déforestation

élevage animal, traitement déchets, rizières

agent réfrigérant, gaz propulseurs

ORIGINE

Contributionà l'intensification

de ES

74%

13%

10%

3%

Concentrationen 1850en ppmv

280

288

0.8

0

Concentrationactuelleppmv

365

310

1.7

800

Concentrationestimée en 2030

ppmv

450

350

2.5

700

T RESdans ATM

en an

50-200

150

10

60-120

V Variations climatiques actuelles/ 2 Influence anthropique

Rejet GES par paysRejet GES par pays

Depuis 85 ans : Depuis 85 ans :

1920: 1GTC 1920: 1GTC 1955: 2GTC 1955: 2GTC 1966: 3GTC1966: 3GTC1973: 4GTC 1973: 4GTC 1980: 5GTC 1980: 5GTC 2000: 2000: 6-8 GTC/an6-8 GTC/an

••Moyenne mondiale: 2 tMoyenne mondiale: 2 t

••Usa, Usa, CnCn, Australie: 6 à 7 t, Australie: 6 à 7 t

••Europe: 2,5 à 5 tEurope: 2,5 à 5 t

••France: 2,7 (1,8 pour le seul CO2)France: 2,7 (1,8 pour le seul CO2)

••Chine 1 tChine 1 t

•• Inde 0,5 tInde 0,5 t

Moyenne des GES rejété par habitant/an


GES par activitéGES par activité

Allez voir site officiel gouvernemental : http://www.effet-de-serre.gouv.fr/fr/actions/Projetrapportfacteur4.pdf


Que devient le CO2 émis dans Que devient le CO2 émis dans l'atmosphère ?l'atmosphère ?

HUMANITE : production de 29 GT de CO2 = 8 GT de C

ESTIMATIONESTIMATION :

- 4 GT/an se retrouve dans l'atmosphère- 3 GT/an se dissolvent dans les océans- 1 GT/an accroit la biomasse


Variations CO2 et températureVariations CO2 et température


Variation niveau des mersVariation niveau des mers


FINFIN

Role des forets sur la production Role des forets sur la production d'O2/CO2d'O2/CO2

6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 (glucose ou C6(H2O)6) + 6 O26 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 (glucose ou C6(H2O)6) + 6 O2

Lorsque la photosynthèse produit de la matière organique Lorsque la photosynthèse produit de la matière organique contenant 12g de carbone il y'a production de 32g de O2contenant 12g de carbone il y'a production de 32g de O2

La respiration a exactement un bilan inverse : il y'a autant La respiration a exactement un bilan inverse : il y'a autant d'O2 produit par la photosynthèse que consommé par la d'O2 produit par la photosynthèse que consommé par la respiration.respiration.

Role des forets sur la production Role des forets sur la production d'O2/CO2d'O2/CO2

6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 (glucose ou C6(H2O)6) + 6 O26 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 (glucose ou C6(H2O)6) + 6 O2

La production de glucose pompe du C qui participe à la La production de glucose pompe du C qui participe à la croissance des végétauxcroissance des végétaux

Lorsque les végétaux meurt, ils sont décomposés → libère Lorsque les végétaux meurt, ils sont décomposés → libère le carbone le carbone

Variation du d18O dans des sédiments marinsVariation du d18O dans des sédiments marins

Mesure carbone 14 dans le bois : plus il y'a de Mesure carbone 14 dans le bois : plus il y'a de vent solaire, moins il y'a de C14.vent solaire, moins il y'a de C14.

Période glaciaire de ~ 90 000 ans suivis de Période glaciaire de ~ 90 000 ans suivis de période inter-glaciaire ~10 000 dues au cycle de période inter-glaciaire ~10 000 dues au cycle de MilankovitchMilankovitch

`

Echange principale entre le CO2 atmosphérique Echange principale entre le CO2 atmosphérique et le biotope : 60 GT/anet le biotope : 60 GT/an Controlé par : température, pH, salinité, turbulenceControlé par : température, pH, salinité, turbulence

Atmosphère/océan: 90 GT/anAtmosphère/océan: 90 GT/an

Atmosphère = 760 GTAtmosphère = 760 GT

Océan contiendrait = 39000 GT Océan contiendrait = 39000 GT

Végétation = 2100 Gt: interagit avec Végétation = 2100 Gt: interagit avec l'atmosphère via la respiration et la l'atmosphère via la respiration et la photosynthèsephotosynthèse

Rejet humain sont de l'ordre de 6GT/an = 5% Rejet humain sont de l'ordre de 6GT/an = 5% échange natureléchange naturel

Taux de C02 dans les océansTaux de C02 dans les océans

Conséquence variations solaire sur Conséquence variations solaire sur l'atmosphèrel'atmosphère

Modifie l'irradiance (ie l'energie total reçue par Modifie l'irradiance (ie l'energie total reçue par l'atmosphère du soleil)l'atmosphère du soleil)

Vent solaire influe sur le CMT => conséquence Vent solaire influe sur le CMT => conséquence sur la formation des nuage et l'abédo.sur la formation des nuage et l'abédo.

Ces changements entrainent des réactions Ces changements entrainent des réactions Modification évaporation des océans Modification évaporation des océans Solubilité C02 dans les océansSolubilité C02 dans les océans

=> modifie la couverture nuageuse (albedo) et l'effet => modifie la couverture nuageuse (albedo) et l'effet serre serre

Variation solaire et le volcanisme explique ~ Variation solaire et le volcanisme explique ~ 65% variation température des 1000 dernières 65% variation température des 1000 dernières années années

Le reste s'explique par la circulation des océansLe reste s'explique par la circulation des océans

70% croissance de la température seulement 70% croissance de la température seulement pourrait s'expliquer par des forçages naturelpourrait s'expliquer par des forçages naturel

Evolution de l'atmosphère de la Evolution de l'atmosphère de la Terre en 4 GaTerre en 4 Ga

N2 = 78.1 %N2 = 78.1 %O2 = 20.9 %O2 = 20.9 %Ar = 0.9%Ar = 0.9%

CO2 = 0.04%CO2 = 0.04%

ATMOSPHERE PRIMITIVEATMOSPHERE PRIMITIVE ATMOSPHERE ACTUELLEATMOSPHERE ACTUELLE

CO2 = 19 %CO2 = 19 %H2O = 80 % (H2O = 80 % ( OCEAN) OCEAN)N2 ~ 1%N2 ~ 1%

Les autres Les autres

( CH4, NH3…. = ( CH4, NH3…. = %)%)

en 4 Ga

Documents

Plan du cours I) Calcul température surface d'une planète sans atmosphère I) Calcul température surface d'une planète sans atmosphère II) Effet serre II)