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Visite du Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement

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4 avril 2007
Le LSCE est une unité mixte CEA-CNRS-UVSQ qui est situé sur le site du CEA (Commissariat à l'Énergie Atomique) de Saclay et sur le campus CNRS de Gif sur Yvette. Mercredi après-midi, ce laboratoire de recherche a reçu la visite des volontaires de la classe de TSspéSVT du Lycée Mansart : Emmanuelle BLANC, Isabelle FAGE, Mathilde FABIEN-CAILLER, Jessica DOREAU, Meam BUNCHOEUN et Carine PEIRERA

Tout d'abord, il semble bon de rappeler ce que sont climatologie et météorologie que nous allons évoquer tout au long de ce rapport:
- La météorologie est l'étude et la prévision de phénomènes atmosphériques sur de courtes périodes et pour des espaces géographiques précis. On ne peut pas déterminer de façon fiable le temps qu'il fera au delà de quelques jours à cause du caractère chaotique de l'atmosphère.
- La climatologie, quant à elle, étudie les familles de phénomènes météorologiques capables d'affecter différentes régions sur des périodes de temps plus longues, 30ans ou plus. Elle nécessite pour cela l'utilisation des sciences de la nature comme la géographie, la physique, la chimie, la géologie... Un climat du passé est un paléoclimat.

Nous avons rencontré trois chercheurs travaillant au LSCE, à l'Orme des Merisiers. Ils nous ont permis d'approfondir nos connaissances sur un thème que nous avons étudié cette année (Évolution climatique passée et actuelle de la Terre) et de comprendre la difficulté de modéliser l'évolution climatique pour prévoir le climat futur.
=> Mathieu LABONNE travaille sur le suivi par satellites de l'évolution de la météo.
=> Jean-Daniel PARIS étudie l'effet de serre en s'intéressant particulièrement au cycle du carbone .
=> Didier PAILLARD nous a parlé de paléoclimats .

1) Étude par satellites de l'évolution de la météo successivement
Un satellite géostationnaire orbite à 35786km d'altitude, possédant une période de révolution très exactement égale à la période de rotation de la Terre, ainsi il paraît immobile, toujours à la verticale du même point de la surface de la Terre. Le principal avantage de ce type de satellites est la capacité de pouvoir suivre en continu environ un tiers de la surface du globe, tout en ne consommant pas d'énergie. La mesure régulière des paramètres climatiques contribue à mettre en évidence les modifications actuelles.
Les satellites défilants ont des orbites plus près de la Terre et plus ils en sont près, plus ils tournent vite. Leur orbite étant de biais par rapport à celle de la Terre, ils parcourent régulièrement toute la surface et ont une bonne résolution de photo à 15km d'altitude.
Des satellites à panneaux solaires peuvent enregistrer les ondes lumineuses de jour, les infrarouges de nuit. D'autres envoient des impulsions laser de différentes longueurs d'onde et récupèrent les ondes réfléchies, l'angle de réflexion indiquant la nature de l'obstacle. Les études sont souvent menées par une barrette de 3 satellites:
Les satellites apportent donc des données pour faire les modélisations sur le climat. En effet, ce sont des scientifiques qui récoltent différentes informations provenant des satellites, puis ils les analysent et peuvent donc en déduire différentes informations sur les lieux d'où proviennent les données et les rentrer sur l'ordinateur.

Le modèle météorologique part d'observations précises pour calculer l'évolution à court terme de la météo. A cause du caractère chaotique créé par l'abondance de facteurs en cause, au delà d'un certain laps de temps le modèle perd son efficacité. Les facteurs modifiant la météo sont le plus souvent des gaz dus aux éruptions volcaniques comme le Pinatubo ou des aérosols, des gaz et des poussières provenant de violents feux de forêt. Les aérosols sont des petites particules en suspension dans l'atmosphère qui sont visibles contrairement aux gaz. Les gouttes d'eau ou les paillettes de glace qui constituent les nuages en font parti, de même que les fumées avec cendres des incendies de forêts, les particules de sel provenant des embruns marins ou les poussières soulevées par le vent du désert.

Mathieu LABONNE, le chercheur que nous avons rencontré, a pu observer que de nombreuses régions de la terre brûlaient chaque été, que se soit à cause du brûlis (technique agricole du Brésil et du sud de l'Afrique qui consiste a brûler les terres après la récolte pour créer des engrais minéraux sur le sol) ou des feux spontanés (Portugal). Les cendres qui en résultent restent en suspension dans l'atmosphère et sont transportées par les vents.

Par exemple, le déplacement et l'altitude du panache de poussières est très visible sur ce relevé.
L'image est colorisée en fonction du % de réflexion du signal émis et l'altitude est calculée en fonction du délai avant réception du retour. Le % d'absorption caractérise la nature des gaz et des aérosols.

Colored composition of POLDER 1 data showing a plume of desertic aerosols over the Western coast of Africa. 1997, 29 May (Source : LSCE)
Les aérosols restent en suspension dans la troposphère puis retombent sous l'effet de leur poids. Ils ont un effet sur le climat car ils modifient l'albédo (rapport entre la quantité d'énergie solaire renvoyée par une surface et la quantité d'énergie solaire reçue sur cette même surface). L'albédo est égal à 0 pour une surface noire, à 0,1 pour une forêt, à 0,9 pour de la glace et à 1 pour un miroir.
Plus rarement ces aérosols sont injectés dans la stratosphère où ils peuvent être dispersés sur tout autour du globe. Par exemple, lors de l'irruption du Pinatubo, les particules émises ont effectué plusieurs fois le tour de la Terre tout en faisant diminuer la température terrestre de l,5°C car les fumées réfléchissaient le rayonnement solaire, il se crée une sorte d'effet billard, le soleil envoyant de l'énergie qui est réfléchie par la terre, mais celle-ci est stoppée par les aérosol qui la renvoient au sol! Par conséquent la terre se réchauffe.
Une autre constatation a été faite, sur les zones tropicales les particules montaient très haut tandis que qu'en zone tempérée, elles restent environs à 12 km de haut. D'où l'hypothèse que la chaleur favorise la monté des particules dans l'atmosphère.
Mais l'influence de l'albédo est mesuré efficacement uniquement pour des périodes de temps relativement courtes.
L'effet de serre est un mécanisme de capture de certains rayonnements infrarouges dans l'atmosphère par des gaz (dioxyde de carbone, méthane, vapeur d'eau), entraînant une augmentation de la température globale. La présence des gaz à effet de serre est visible sur les images satellites. Les activités de l'homme augmentent la quantité de gaz à effet de serre émis dans l'atmosphère. Les images satellites sont analysées par des ingénieurs qui rédigent des rapports dans lesquels ils expliquent les résultats de leurs analyses, rapports qu'ils communiquent aux services équivalents des autres pays. Par exemple, ils expliquent pourquoi la température terrestre peut diminuer après une éruption volcanique. Après comparaison et validation par un autre chercheur, un guide de ces résultats est ensuite publié. Ces résultats scientifiques sont publiés dans les revues spécialisées. Certains sont utilisés au cours des réunions du GIEC.

Le GIEC, Groupe Intergouvernemental d'Experts sur l'évolution du Climat est un organisme créé en 1988 par le Programme des Nations Unies pour l'environnement et l'Organisation météorologique mondiale. Le GIEC se réunit tous les 5 ans et regroupe un nombre important de chercheurs des domaines liés à l'étude climatique. Son rapport de 1995 notait une incidence humaine perceptible sur le climat mondial. Le rapport de 2007 est un pavé de 800pages confirmant l'importance de l'activité humaine dans le réchauffement climatique et l'urgence de diminuer les émissions de CO2. Il constitue entre autres une base de données : images prises par des satellites, moyenne annuelle de l'évolution de divers forçages radiatifs de l'action de l'homme (en W/m²), gaz a effet de serre: H2O, CO2, CH4... Les gaz à effet de serre sont bien mélangés car le temps de résidence dans l'atmosphère est long. Une mesure par bande de latitude suffit à connaître leur migration. L'ozone troposphérique qui a un temps de résidence plus court n'a pas le temps de s'éloigner autant de ses sources. Les aérosols, qu'ils soient terrigènes ou carbonés, ne voyagent pas beaucoup avant que la plus grande partie en ait été éliminée de l'atmosphère. Ils sont à mesurer au voisinage de chaque source.

 

2) Étude du cycle du carbone, effet de serre et modélisation de l'évolution climatique
Jean-Daniel PARIS étudie les variations du cycle du carbone pour évaluer l'importance de la présence du CO2 dans l'atmosphère.
On trouve du carbone sous ses différents états dans quatre réservoirs principaux: hydrosphère, lithosphère, biosphère, atmosphère. Les échanges entres ces réservoirs se font par photosynthèse, respiration, fermentation, combustion, sublimation, dilution...
Certains échanges sont plus longs que d'autres: le carbone est très lentement stocké à long terme dans la lithosphère sous forme de roches carbonées (pétrole) ou carbonatées (calcaire) mais la combustion du pétrole dégage très rapidement une très grande quantité de CO2.
En 1958, David Keeling a réussi à mesurer les concentrations en CO2 passant de 310ppm (partie par million) à 330ppm, signe d'une reprise d'activité volcanique du Mauna Loa. C'est après ses travaux que la concentration en CO2 atmosphérique a été régulièrement mesurée un peu partout dans le monde.

Volcan Mauna Loa (Hawaï) http://www.britannica.com
Actuellement, chaque pays échange ses données statistiques avec les autres. Cette concentration en C02 atmosphérique est passée de 310ppm en 1958 à 380ppm, ce qui correspond à 6 milliards de tonnes émis et crée 60% de l'excès d'effet de serre actuel.
L'équilibre climatique de la Terre est obtenu quand le bilan énergétique global est nul, c'est-à-dire quand la quantité d'énergie solaire reçue est égale à la quantité perdue (émise vers l'espace). La température de la Terre est actuellement en moyenne de 15°C, ce qui apporte la preuve expérimentale de l'existence d'un effet de serre naturel, sans lui la température moyenne globale serait de -18°C et toute l'eau serait à l'état solide. Cet effet de serre vital est créé par la vapeur d'eau atmosphérique qui représente 95% des gaz à effet de serre. Le CO2 des vapeurs volcaniques ou le CH4 des zones marécageuses en fermentation ne font que l'accentuer un peu. La Terre est capable de réabsorber ce qu'elle émet même s'il lui faut plusieurs années pour que des gaz se mélangent dans la l'atmosphère et des millénaires pour que les gaz se diluent dans l'océan (mémoire océanique du climat).
L'été, la quantité de CO2 atmosphérique diminue car les arbres et le phytoplancton réalisent une importante photosynthèse: l'énergie lumineuse transformée en énergie chimique réduit le CO2 en composés glucidiques.

Mais actuellement notre planète n'arrive pas à réabsorber tout le CO2 que nous émettons par les industries, la circulation, le chauffage individuel. Les forêts dont la superficie diminue absorbent de moins en moins de CO2, tandis que la combustion d'énergie fossile augmente. Il serait plus logique d'utiliser l'énergie issue de la biomasse car le dégagement de CO2 par combustion serait équilibré par l'absorption de CO2 au cours de la photosynthèse qui a créé cette biomasse.
En un siècle et demi, l'Homme a réinjecté dans l'atmosphère 300milliards de tonnes de carbone sous forme de CO2. Les mesures montrent que 50% du CO2 reste dans l'atmosphère or lorsque la quantité de CO2 augmente, la température globale terrestre augmente aussi. Les pays qui ont refusé le protocole de KYOTO estiment qu'il doit être adapté en fonctions des hectares de forêt qu'ils possèdent or les forêts sont plus ou moins performantes, la forêt sibérienne absorbe plus que celles des USA contrairement à ce qu'affirment les américains. De plus les forêts ne réalisent que 47% de la photosynthèse, le reste étant effectué par les végétaux aquatiques.
Enfin, il n'y a pas que le dégagement de CO2 par combustion, on l'utilise aussi dans les bombes à aérosol en remplacement des CFC (ChloroFluoroCarbone) qui détruisaient la couche d'ozone : un facteur de plus à prendre en compte.

Il existe différentes méthodes pour analyser l'air. Il est possible de le faire en extérieur avec les bons instruments ou alors de remplir des flacons de gaz à différents endroits puis de l'analyser dans les laboratoires.
Le prélèvement d'air se fait par l'intermédiaire de flacons qui s'ouvrent aux deux bouts et peuvent être fermés hermétiquement, comme ceux alignés sur cette table.
Puis l'air enfermé dans le flacon est analysé par chromatographie en phase gazeuse, technique sensible et efficace qui repose sur des différences de comportement de séparation entre une phase mobile courante et une phase stationnaire pour séparer les composants d’un mélange. Chaque gaz apparaît sous forme d'un pic sur l'écran de l'ordinateur, pic proportionné à la quantité de gaz mesurée.
Ensuite, l'analyse de ces gaz est poursuivie avec un spectromètre de masse qui sépare les isotopes, éléments chimiques existant à l’état naturel sous des formes voisines.

Par opposition aux isotopes radioactifs dont les proportions varient avec le temps, les isotopes présents dans une proportion constante et connue à l’état naturel sont appelés isotopes stables. C’est le cas par exemple pour l’oxygène qui possède trois isotopes stables (16O, 17O, 18O), l’hydrogène ou le carbone qui en possèdent deux (2H, 1H et 12C, 13C). Les propriétés chimiques de tous ces isotopes sont identiques mais ils diffèrent par leurs propriétés physiques (masse).
Les travaux menés au LSCE sur l’étude expérimentale des aérosols portent notamment sur la caractérisation très fine de leur composition chimique, puisque c’est à partir de cette composition chimique que l’on traduit l’impact des aérosols sur le forçage radiatif terrestre. Les aérosols de combustion (carbone) et les ions (sulfate, nitrate...) représentent typiquement près de 90% de la masse des aérosols submicroniques qui sont les plus importants au niveau climatique et sanitaire.
L’étude des concentrations isotopiques est à la base de très nombreux travaux dans les sciences du climat. Leur différence de masse crée un fractionnement isotopique au cours des transformations qu’ils subissent dans leur milieu. Ainsi lorsque l’eau de l’océan s’évapore à l'équateur, un nuage peut se former riche en isotopes légers puis lorsque le nuage se déplace de l’équateur vers les pôles, il va pleuvoir ou neiger à plusieurs reprises. A chaque fois, les isotopes de l’oxygène et de l’hydrogène contenus dans l’eau vont subir un fractionnement, les plus lourds retombant et en mesurant la concentration isotopique finale de la neige des pôles par exemple on pourra avoir une idée de l’histoire du nuage.
La photosynthèse crée aussi un fractionnement isotopique puisque les plantes captent mieux le 12C qui franchit plus facilement leurs stomates (pores des feuilles). Le prélèvement d'échantillons d'air au dessus des forêts mesure l'intensité de la photosynthèse réalisée. Puis les gaz migrent verticalement selon leur gradient de concentration.
De même, la combustion de carbone fossile crée un fractionnement isotopique différant selon le type de combustion, aussi la mesure de la concentration isotopique du carbone peut-elle identifier l'origine de la pollution (automobile, industrie...).
Ces mesures isotopiques permettent entre autres de reconstituer les températures du climat passé dans les glaces polaires, dans les carottes sédimentaires marines, de quantifier l’impact et l’origine de l’augmentation des gaz à effet de serre, de comprendre des processus mis en jeu lors des changements climatiques.

 

3) Étude des paléoclimats
On pourrait se demander si l'augmentation rapide de température, observée depuis environ un siècle, est totalement due aux activités humaines ou si elle est en partie une étape de variations cycliques du climat. Pour répondre, Didier PAILLARD s'appuie sur l'étude des paléoclimats.
Les indices géologiques témoignent du climat prédominant à l'époque de leur archivage. Le climat varie cycliquement depuis la formation de la Terre, avec une alternance de périodes chaudes interglaciaires et de périodes froides glaciaires.
Les chercheurs ont pu déterminer ces alternances de périodes glaciaires et interglaciaires grâce à l'étude de carottes de glace polaire ou de glacier d'altitude, de sédiments avec fossiles (coraux et grains de pollen sont des fossiles de faciès) et même de peintures découvertes sur des murs de grottes préhistoriques. En effet nous avons pu voir des diapositives d'une grotte au Sahara dans laquelle des hippopotames étaient peints sur les parois (il y avait donc de l'eau!) ou d'une grotte prés de Marseille se situant actuellement sous l'eau où des pingouins étaient peint sur les parois (le climat a été froid et le niveau de la mer moins élevé, les calottes polaires étant plus importantes).
Les carottes de glace sont efficaces pour déterminer le climat passé, cependant l'exploitation des carottes arctiques est limitée car la glace la plus vieille n'a que quelques milliers d'années.
Dans l'hémisphère Nord, les continents prédominent, entourant l'océan arctique. Dans l'hémisphère Sud, les continents n'occupent qu'une très faible surface, les océans encerclent le pôle antarctique continental. Une glaciation débutera évidemment sur les continents, dont l'inertie thermique est plus faible que celle de l'océan, et donc dans l'hémisphère Nord. Si les conditions de précipitation et d'ensoleillement sont telles que la neige tombée en hiver ne fonde pas l'été, la neige pourra s'accumuler et se transformer en glace. De telles conditions requièrent une saisonnalité peu contrastée avec un hiver humide, donc pas trop froid, et un été frais.
C'est là qu'intervient la position de la Terre par rapport au Soleil. La Terre décrit une ellipse dont le Soleil est à l'un des foyers. La Terre est soumise à l'attraction du Soleil, mais aussi des autres planètes du système solaire, ce qui a pour effet de déformer sa trajectoire faisant varier la répartition saisonnière de l'insolation.

Trois types de modifications affectent la position de la Terre par rapport au Soleil:

Or, d'après les paramètres orbitaux, nous serions plutôt en début de période glaciaire avec une température qui devrait baisser selon l'indice isotopique de l'oxygène!
Ces paramètres contrôlent la périodicité de la Terre, mais seuls, ils ne suffisent pas à expliquer les cycles climatiques. Ceux-ci sont accentués par d'autres facteurs comme l'albédo, la concentration atmosphérique en gaz à effet de serre sur laquelle influent les fonctions biologiques comme la respiration ou la photosynthèse donc les variations de concentration de CO2 atmosphérique...
Si le climat change lentement, la végétation s'adapte et le cycle du carbone évolue. Ainsi un réchauffement climatique stimule la photosynthèse qui pompe le CO2 ce qui diminue le réchauffement. A l'inverse: plus il neige, plus le climat se refroidit car l'énergie solaire est réfléchie par le fort albédo de la neige est forte et d'autant plus renvoyée que la surface terrestre blanchie est importante!

Augmentation rapide et importante de la température depuis le début du XXe siècle, particulièrement depuis 1970.

Encyclopédie Wikipedia
L'augmentation de la température entraîne différentes conséquences qui auront un impact sur la faune. Si l'augmentation de température se poursuit, le réchauffement des mers va entraîner la fonte des glaces polaires au nord et au sud donc une élévation de son niveau (environ trente centimètres d'ici cinquante ans), ainsi que la disparition de certaines espèces marines (un million d'espèce animales et végétales pourrait disparaître d'ici 2050). La baisse de la biodiversité altérerait l'écosystème aquatique.
Les températures seraient plus froides de 3 à 5°C en Europe du Nord, le Gulf Stream, ce courant marin chaud venu des Tropiques ne remonterait plus adoucir les températures hivernales, la fonte des glaces arctique et une augmentation des précipitations dans l'Atlantique Nord bloquant l'avancée des eaux chaudes du Gulf Stream.
Le réchauffement pourrait aussi avoir des conséquences sanitaires, d'après l'OMS (Organisation Mondial de la Santé) une élévation de température de 1 ou 2°C pourrait étendre vers le nord le territoire des moustiques, qui sont souvent à l'origine de la transmission de maladies tropicales, comme le paludisme. Les pluies abondantes favoriseraient la multiplication de ces moustiques, qui se reproduisent en milieu humide. Ce phénomène a déjà été observé dans les années 90, les pluies liées au phénomène climatique El Nino avaient engendré des épidémies de malaria en Afrique et en Amérique du Sud.
La multiplication des catastrophes naturelles (inondations, tempêtes ou sécheresses) favoriseraient la propagation des épidémies, en provoquant des pénuries d'eau potable.

A partir des informations tirées des images satellites, des renseignements apportés par l'étude du cycle du carbone et des paléoclimats, des chercheurs tentent de modéliser le climat actuel pour prévoir le climat futur.
Un modèle de climat se compose d'un modèle physique plaqué sur une grille horizontale et verticale adaptée à la résolution numérique des équations du système climatique. Il doit prendre en compte tous les compartiments : atmosphère, océans, continents, avec leurs composantes propres. Il faut lui prescrire les perturbations apportées par l'activité humaine de façon à ce qu'il puisse faire interagir tous ces facteurs. Une des grosses difficultés est la comparaison de phénomènes agissant à l'échelle des temps biologique (jour, année)ou géologique (million, milliard d'années), selon le facteur pris en compte. Une variation, même minime, des conditions atmosphériques initiales peut modifier fortement l'évolution à venir, la modélisation doit tenir compte de cet effet "aile de papillon".

En conclusion, cette visite nous a offert la possibilité de découvrir des laboratoires et de confronter à la réalité, les images que nous avions de la recherche scientifique. Nous avons pu voir, quels étaient les activités exercés par les ingénieurs et les scientifiques qui travaillent sur l'étude du climat afin de le modéliser et de voir les conséquences que cela peut avoir dans le futur.
Quant à nous, tout ce que nous pouvons faire à notre petite échelle individuelle, peut paraître infime, mais répété un très grand nombre de fois, cette action peut s'avérer importante à l'échelle de la terre!