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Le système climatique terrestre est un système complexe composé de cinq éléments interagissant : l' atmosphère (l'air), l' hydrosphère (l'eau), la cryosphère (glaces et pergélisol), la lithosphère (la couche rocheuse supérieure de la Terre) et la biosphère (les êtres vivants). Le climat est la caractérisation statistique du système climatique. Il représente les conditions météorologiques moyennes , généralement sur une période de 30 ans, et est déterminé par une combinaison de processus, tels que les courants océaniques et les régimes de vents. La circulation atmosphérique et océanique transporte la chaleur des régions tropicales vers les régions moins ensoleillées. Le rayonnement solaire est le principal moteur de cette circulation. Le cycle de l'eau contribue également à la circulation de l'énergie au sein du système climatique. De plus, certains éléments chimiques circulent constamment entre les composantes du système climatique. Les cycles du carbone et de l'azote en sont deux exemples . Le système climatique peut évoluer sous l'effet de la variabilité interne et des forçages externes . Ces forçages externes peuvent être naturels, comme les variations de l'intensité solaire et les éruptions volcaniques, ou d'origine humaine. L'accumulation de gaz à effet de serre dans l'atmosphère, principalement émis par la combustion des énergies fossiles , est à l'origine du changement climatique . L'activité humaine libère également des aérosols rafraîchissants , mais leur effet net est bien moindre que celui des gaz à effet de serre. Les changements peuvent être amplifiés par des processus de rétroaction au sein des différents composants du système climatique.
Le cycle hydrologique est le mouvement de l'eau à travers le système climatique. Non seulement il détermine les régimes de précipitations , mais il influence également le mouvement de l'énergie dans l'ensemble du système climatique.
L' hydrosphère proprement dite contient toute l'eau liquide présente sur Terre, principalement dans les océans. Les océans recouvrent 71 % de la surface terrestre et atteignent une profondeur moyenne de près de contenu thermique est bien supérieur à celui de l'atmosphère. [ L' eau de mer y est salée à environ 3,5 % en moyenne, mais cette salinité varie selon les régions. trouve de l'eau saumâtre dans les estuaires et certains lacs, tandis que la majeure partie de l'eau douce , soit 2,5 % de l'eau totale, est contenue dans les glaces et la neige.
La cryosphère comprend toutes les parties du système climatique où l'eau est à l'état solide. Cela inclut la banquise , les calottes glaciaires , le pergélisol et la couverture neigeuse . L' hémisphère Nord étant plus étendu que l' hémisphère Sud , une plus grande partie de celui-ci est recouverte de neige. Les deux hémisphères possèdent une quantité de banquise à peu près équivalente. La majeure partie de l'eau gelée est contenue dans les calottes glaciaires du Groenland et de l'Antarctique , dont l'épaisseur moyenne est d'environ croûte terrestre , et plus particulièrement les montagnes et les vallées, façonne les régimes de vents mondiaux : les vastes chaînes de montagnes constituent une barrière aux vents et influencent la répartition et l’intensité des précipitations. Les terres proches de l’océan bénéficient d’un climat plus tempéré que celles qui en sont éloignées. Pour la modélisation du climat , les terres émergées sont souvent considérées comme statiques, car elles évoluent très lentement par rapport aux autres éléments constitutifs du système climatique. La position des continents détermine la géométrie des océans et, par conséquent, les schémas de circulation océanique. La localisation des mers est essentielle pour contrôler les transferts de chaleur et d’humidité à travers le globe et, de ce fait, pour déterminer le climat mondial.
Enfin, la biosphère interagit également avec le reste du système climatique. La végétation est souvent plus foncée ou plus claire que le sol sous-jacent, ce qui permet de piéger plus ou moins de chaleur solaire dans les zones végétalisées. La végétation retient efficacement l'eau, qui est ensuite absorbée par ses racines. Sans végétation, cette eau ruissellerait vers les rivières ou autres plans d'eau les plus proches. L'eau absorbée par les plantes s'évapore, contribuant ainsi au cycle hydrologique. Les précipitations et la température influencent la répartition des différentes zones de végétation. L'assimilation du carbone de l'eau de mer par le phytoplancton est presque aussi importante que celle du carbone atmosphérique par les plantes terrestres. Bien que l'être humain fasse techniquement partie de la biosphère , il est souvent considéré comme une composante distincte du système climatique terrestre, l' anthroposphère , en raison de son impact considérable sur la planète.
Flux d'énergie, d'eau et d'éléments
Énergie et circulation générale
Le système climatique reçoit de l'énergie du Soleil et, dans une bien moindre mesure, du noyau terrestre, ainsi que de l'énergie marémotrice lunaire. La Terre émet de l'énergie vers l'espace sous deux formes : elle réfléchit directement une partie du rayonnement solaire et elle émet un rayonnement infrarouge, appelé rayonnement du corps noir . L'équilibre entre l'énergie entrante et l'énergie sortante, ainsi que la circulation de cette énergie à travers le système climatique, déterminent le bilan énergétique de la Terre . Lorsque l'énergie entrante totale est supérieure à l'énergie sortante, le bilan énergétique de la Terre est positif et le système climatique se réchauffe. Si davantage d'énergie est émise, le bilan énergétique est négatif et la Terre se refroidit.
Les régions tropicales reçoivent davantage d'énergie que les régions polaires, et la différence de température qui en résulte est à l'origine de la circulation atmosphérique et océanique globale . L'air s'élève lorsqu'il se réchauffe, se dirige vers les pôles, puis redescend lorsqu'il se refroidit, retournant vers l'équateur. En raison de la conservation du moment cinétique , la rotation de la Terre dévie l'air vers la droite dans l'hémisphère Nord et vers la gauche dans l'hémisphère Sud, formant ainsi des cellules atmosphériques distinctes. Les moussons , variations saisonnières des vents et des précipitations qui se produisent principalement sous les tropiques, se forment car les masses terrestres se réchauffent plus facilement que l'océan. Cette différence de température induit une différence de pression entre la terre et l'océan, générant un vent constant.
L'eau océanique plus salée est plus dense , et les différences de densité jouent un rôle important dans la circulation océanique . La circulation thermohaline transporte la chaleur des tropiques vers les régions polaires. La circulation océanique est également influencée par l'interaction avec le vent. La salinité influe aussi sur la température de congélation . Les mouvements verticaux peuvent faire remonter des eaux plus froides à la surface, un phénomène appelé remontée d'eau , ce qui refroidit l'air ambiant.
cycle hydrologique
Le cycle hydrologique, ou cycle de l'eau, décrit le mouvement constant de l'eau entre la surface de la Terre et l'atmosphère. Les plantes évapotranspirent et la lumière du soleil provoque l'évaporation de l'eau des océans et autres étendues d'eau, laissant derrière elle du sel et d'autres minéraux. L'eau douce ainsi évaporée retombe ensuite sous forme de pluie. Les précipitations et l'évaporation ne sont pas réparties uniformément sur le globe : certaines régions, comme les tropiques, connaissent davantage de précipitations que d'évaporation, et d'autres, l'inverse. L'évaporation de l'eau requiert une quantité d'énergie considérable, tandis que la condensation libère une grande quantité de chaleur. Cette chaleur latente est la principale source d'énergie de l'atmosphère.
cycles biogéochimiques
Les éléments chimiques, essentiels à la vie, circulent constamment à travers les différents composants du système climatique. Le cycle du carbone est directement important pour le climat car il détermine les concentrations de deux importants gaz à effet de serre dans l'atmosphère : le le méthane . Dans la phase rapide du cycle du carbone, les plantes absorbent le dioxyde de carbone de l'atmosphère par photosynthèse ; celui - ci est ensuite réémis par la respiration des êtres vivants. Dans la phase lente du cycle du carbone, les volcans libèrent du acidifie légèrement la pluie, qui peut alors dissoudre lentement certaines roches, un processus appelé altération . Les minéraux ainsi libérés, transportés vers la mer, sont utilisés par les êtres vivants dont les restes peuvent former des roches sédimentaires , ramenant le carbone à la lithosphère.
Le cycle de l'azote décrit le flux d'azote actif. L'azote atmosphérique étant inerte, les micro-organismes doivent d'abord le convertir en un composé azoté actif, par un processus appelé fixation de l'azote , avant qu'il puisse être utilisé comme élément constitutif dans la biosphère. Les activités humaines jouent un rôle important dans les cycles du carbone et de l'azote : la combustion des énergies fossiles a déplacé du carbone de la lithosphère vers l'atmosphère, et l'utilisation d' engrais a considérablement augmenté la quantité d'azote fixé disponible.
Changements au sein du système climatique
variabilité interne
Les composantes du système climatique varient continuellement, même sans forçage externe. L' oscillation nord-atlantique (NAO) en est un exemple dans l'atmosphère ; elle fonctionne comme une bascule de pression atmosphérique. Les Açores portugaises connaissent généralement une pression élevée, tandis que la pression est souvent plus basse au-dessus de l'Islande . Cette différence de pression oscille et influence les régimes météorologiques dans toute la région de l'Atlantique Nord, jusqu'en Eurasie centrale . Par exemple, le temps est froid et sec au Groenland et au Canada lors d'une phase positive de la NAO . Différentes phases de l'oscillation nord-atlantique peuvent se prolonger pendant plusieurs décennies
L'océan et l'atmosphère peuvent également agir de concert pour générer spontanément une variabilité climatique interne qui peut persister pendant des années, voire des décennies. Parmi les exemples de ce type de variabilité, on peut citer l' oscillation El Niño-oscillation australe (ENSO) , l' oscillation décennale du Pacifique (PCO ) et l' oscillation multidécennale de l'Atlantique ( AMO ). Ces variations peuvent affecter la température moyenne globale à la surface en redistribuant la chaleur entre les profondeurs océaniques et l'atmosphère ; mais aussi en modifiant la répartition des nuages, de la vapeur d'eau ou de la banquise, ce qui peut influencer le bilan énergétique total de la Terre.
Les aspects océaniques de ces oscillations peuvent générer une variabilité sur des échelles de temps centennales, l'océan ayant une masse des centaines de fois supérieure à celle de l' atmosphère , et donc une capacité thermique et une inertie thermique plus importantes . Par exemple, les modifications des processus océaniques tels que la circulation thermohaline jouent un rôle clé dans la redistribution de la chaleur dans les océans du globe. La compréhension de la variabilité interne a permis aux scientifiques d' attribuer les changements climatiques récents aux gaz à effet de serre.
forçage climatique externe
Lumière du soleil entrante
Le Soleil est la principale source d'énergie pour la Terre et il est le moteur de la circulation atmosphérique. La quantité d'énergie solaire varie sur des échelles de temps courtes, notamment le cycle solaire de 11 ans , et sur des échelles de temps plus longues. Bien que le cycle solaire soit trop court pour réchauffer ou refroidir directement la surface terrestre, il influence directement une couche supérieure de l'atmosphère, la stratosphère , ce qui peut avoir un impact sur l'atmosphère proche de la surface.
De légères variations du mouvement de la Terre peuvent entraîner d'importantes modifications de la répartition saisonnière du rayonnement solaire atteignant sa surface et de sa distribution à l'échelle planétaire, sans toutefois affecter le rayonnement solaire moyen annuel et global. Ces variations cinématiques sont de trois types : les variations de l'excentricité terrestre , les variations de l'angle d'inclinaison de l'axe de rotation terrestre et la précession de l'axe terrestre. Ensemble, elles produisent des cycles de Milankovitch , qui influencent le climat et sont notamment connus pour leur corrélation avec les périodes glaciaires et interglaciaires .
gaz à effet de serre
Aérosols
Les particules liquides et solides présentes dans l'atmosphère, appelées collectivement aérosols , ont des effets divers sur le climat. Certaines diffusent principalement le rayonnement solaire, refroidissant ainsi la planète, tandis que d'autres l'absorbent et réchauffent l'atmosphère. Parmi les effets indirects, on peut citer le fait que les aérosols peuvent agir comme noyaux de condensation des nuages , stimulant ainsi leur formation. Les sources naturelles d'aérosols comprennent les embruns marins , les poussières minérales , les météorites et les volcans . Cependant, les activités humaines y contribuent également , car certaines d'entre elles, comme la combustion de biomasse ou de combustibles fossiles, libèrent des aérosols dans l'atmosphère. Les aérosols atténuent partiellement les effets de réchauffement des gaz à effet de serre émis jusqu'à leur retour au sol en quelques années, voire moins.
Bien que les volcans fassent techniquement partie de la lithosphère, elle-même composante du système climatique, le volcanisme est défini comme un forçage externe. En moyenne, seules quelques éruptions volcaniques par siècle influencent le climat terrestre pendant plus d'un an en rejetant des tonnes de SO₂ dans la stratosphère . Le dioxyde de soufre se transforme chimiquement en aérosols qui provoquent un refroidissement en bloquant une partie du rayonnement solaire atteignant la surface terrestre. Les petites éruptions n'affectent l'atmosphère que de façon subtile.
Changement d'utilisation et de couverture des sols
Les modifications du couvert terrestre, telles que les changements de la couverture aquatique (par exemple, l'élévation du niveau de la mer , l'assèchement des lacs et les crues soudaines ) ou la déforestation , notamment dues à l'exploitation des terres par l'homme, peuvent avoir un impact sur le climat. La réflectivité de la zone peut se modifier, ce qui entraîne une variation de la quantité de lumière solaire captée. De plus, la végétation interagit avec le cycle hydrologique, ce qui influence également les précipitations. Les feux de végétation libèrent des gaz à effet de serre dans l'atmosphère et du carbone noir , qui fonce la neige et accélère sa fonte.
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