Les variations sur le dernier siècle et les prédictions pour le futur proche

Gilles Delaygue

Laboratoire de Physique du Climat et de l'Environnement, Université de Berne.

Benoît Urgelli

ENS Lyon / DGESCO

05/12/2001

Résumé

Impact des variations climatiques des derniers siècles sur le niveau des mers.


Ceci est la seconde partie du TD sur les variations du niveau marin par Gilles Delaygue dans le cadre des journées ENS-IPR de Décembre 2001 : accompagnement scientifique des programmes de Lycée sur le thème La Planète Terre : de l'observation à la modélisation.

Introduction

Si le niveau de la mer fluctue continuellement avec les marées, on peut détecter des variations à « long terme », sur plusieurs dizaines d'années, à l'aide d'un réseau de « marégraphes », instrument mesurant le niveau de la mer, et depuis quelques dizaines d'années par satellite. On estime que le niveau de la mer a monté d'environ 10-20 cm depuis le début du siècle. Ces variations sont très faibles (Figure 1), mais elles sont globales et rendent compte de variations climatiques difficilement réversibles. Nous allons essayer de préciser quelques mécanismes.

Figure 1.  Augmentation du niveau de la mer enregistré en différentes stations européennes, en mm

Augmentation du niveau de la mer enregistré en différentes stations européennes, en mm

Les enregistrements tiennent compte d'une correction isostatique.


Q 1. D'après cette figure, quel est l'effet actuel de l'équilibre isostatique à Amsterdam, dû à la disparition de la calotte Scandinave (Figure) ? Calculer la vitesse de montée du niveau de la mer depuis le début du siècle (en mm/an). Comparer avec les vitesses calculées pour la déglaciation et le « saut » à la question Q 21 du TD1. réponse.

Q 2. Faire un schéma indicant les apports et exportations d'eau des océans (entrées/sorties). A quelle condition le niveau de la mer monte-t-il ? réponse.

La fonte des glaciers

On estime que l'une des contributions les plus importantes est la fonte des glaciers de montagne, qui est quasi-générale.


Figure 3. Le glacier d'Aletsch en 2000

Le glacier d'Aletsch en 2000

Le Glacier Central (centre de la photo, qui descend de la pointe d'Aletsch) a nettement reculé entre les deux époques.


Le recul du glacier d'Aletsch au cours du dernier siècle (Oberland Bernois, Suisse).

Q 3. On estime le volume des glaciers de montagne à environ 2 x 105 km3. Sachant que la surface des océans est de 360 x 106 km2 environ (70 % de la surface terrestre), calculer la hausse du niveau de la mer si tous les glaciers de montagne fondaient complètement. réponse.

Les calottes polaires, arctique et antarctique, stockent beaucoup plus d'eau que les glaciers de montagne (l'équivalent en niveau de la mer de 8 et 80m environ). Leur sensibilité au réchauffement de la planète est donc critique pour le niveau de la mer. La Figure 4 montre les températures d'été pour l'Antarctique.


Q 4. Est-ce-que la calotte antarctique est susceptible d'avoir fondu depuis le début du siècle à cause du réchauffement global ? Est-elle susceptible de fondre si la température augmente de 4ºC d'ici un siècle (prévision « moyenne ») ? réponse.

Les études climatologiques en Antarctique montrent que l'accumulation de neige dépend de la température. La figure 5 illustre cette dépendance.

Figure 5. Relation entre précipitation et température de surface annuelles en Antarctique (symboles et droites de régression en noir) ; et relation entre humidité de l'air (à saturation) et température (courbe en rouge)

Relation entre précipitation et température de surface annuelles en Antarctique (symboles et droites de régression en noir) ; et relation entre humidité de l'air (à saturation) et température (courbe en rouge)

Résultats issus d'un modèle de circulation générale, pour deux climats très différents (moderne et glaciaire). Noter les échelles logarithmiques.


Q 5. D'après la Figure 5, d'où provient la relation entre précipitation et température en Antarctique ? Si la température augmente en Antarctique, quel pourrait en être l'impact sur l'accumulation de neige, la croissance de la calotte et le niveau de la mer ? réponse.

Une possibilité de fonte importante de la partie ouest de l'Antarctique existe, parce que la base de la calotte est instable et située en dessous du niveau de la mer (Figure 6).

Figure 6. Coupe schématique dans la partie ouest de la calotte antarctique, du centre de la calotte à gauche, vers l'océan à droite

Coupe schématique dans la partie ouest de la calotte antarctique, du centre de la calotte à gauche, vers l'océan à droite

La majeure partie de la calotte est située sous le niveau de la mer, et repose sur le socle ou des sédiments (moraine); tandis qu'une autre partie flotte (« plateforme flottante »). On pense actuellement que la ligne d'ancrage de la calotte sur le socle (« ligne d'échouage ») est instable, car elle est déterminée par l'écoulement de la calotte sur les sédiments (et non par l'ancrage côtier de la plateforme, comme on le pensait auparavant).


Q 6. Sachant que le volume de glace instable contenue dans la partie ouest de l'Antarctique est environ 2 x 106 km3, calculer la hausse du niveau de la mer résultant de la fonte de toute cette glace. (Voir Q 3.) réponse.

Le réchauffement des océans

Le volume d'eau des océans peut aussi varier si la densité de l'eau change, à masse constante (entrées = sorties). Cette densité varie avec la salinité et la température, de façon opposée: la salinité augmente la densité (cf Mer Morte), la température la diminue (principe du thermomètre). L'effet dû à la salinité est supposé faible globalement car localisé (par exemple océan Arctique). Par contre celui dû à la température est important, sa contribution à la hausse du niveau de la mer est estimée à environ 50 %. Cet effet de la température sur le volume océanique est dénommé « thermostérique ».

Q 7. La température globale de surface a augmenté d'environ 0,5ºC depuis le début du siècle. On suppose que l'océan global s'est réchauffé de la même manière sur 4 000 m d'épaisseur. La variation relative de la densité (et donc du volume) due à la température est de 0,02 % par ºC. Calculer l'augmentation du niveau de la mer due à ce réchauffement en supposant que la surface des océans reste constante. réponse.

En fait le réchauffement de l'atmosphère ne pénètre que très lentement le volume des océans. La figure 7 indique le réchauffement de la surface (premiers 300 m) des océans, ainsi que les premiers 3 000 m.

Figure 7. Réchauffement observé des océans sur les derniers ~ 50 ans, pour les premiers 3 000 m à gauche et premiers 300 m à droite

Réchauffement observé des océans sur les derniers ~ 50 ans, pour les premiers 3 000 m à gauche et premiers 300 m à droite

Échelle de gauche: quantité de chaleur gagnée / perdue. Échelle de droite : variation équivalente de température.


Q 8. Estimer les variations de température des premiers 300 et 3 000 m des océans entre 1955 et 1995. D'après la question Q 7, calculer les hausses du niveau de la mer dues à ces réchauffements, et leur vitesse (en mm/an). Quelle profondeur domine les variations de volume ? réponse.

Les variations du niveau de la mer sont mesurées par le satellite TOPEX/POSEIDON depuis une dizaine d'années. Ces mesures indiquent que les variations ne sont pas les mêmes partout dans les océans, et peuvent être expliquées en grande partie par les variations de la température. La Figure 8 illustre cette hétérogénéité spatiale.

Figure 8. Variations du niveau de la mer calculées à partir de la température des 3000 premiers mètres (cf Figure 7), sur la période 1955-1996

Variations du niveau de la mer calculées à partir de la température des 3000 premiers mètres (cf Figure 7), sur la période 1955-1996

Les triangles noirs sont les stations de mesure (marégraphes).


La hausse moyenne du niveau de la mer estimée par les marégraphes n'est pas la même que celle calculée à partir des variations de température (Figures 7 et 8) et mesurée par le satellite TOPEX/POSEIDON.

Q 9. A partir de la figure 8, que pouvez-vous dire de la localisation des marégraphes par rapport aux variations régionales du niveau de la mer ? Est-ce-que cette localisation peut introduire une erreur sur l'estimation globale du niveau de la mer pour les derniers 40 ans, et dans quel sens ? Que peut-on dire de la variabilité spatiale (différence entre les zones de variation positive et négative) par rapport à la moyenne globale (environ 0,5 mm/an) ? réponse.

Le Groupement Intergouvernemental pour l'Etude du Climat (GIEC, IPCC en anglais) a défini différents scénarios d'émission de gaz à effet de serre pour le futur. A partir de ces scénarios, les modèles prédisent une réchauffement des températures de surface de l'ordre de 3ºC en 2100. La Figure 9 montre les prédictions pour la variation globale du niveau de la mer.

Figure 9. Prédiction de la montée du niveau de la mer par sept différents modèles, utilisant 35 scénarios d'émission de gaz à effet de serre

Prédiction de la montée du niveau de la mer par sept différents modèles, utilisant 35 scénarios d'émission de gaz à effet de serre

Les courbes de couleur représentent les moyennes des sept modèles pour chacun des six scénarios indiqués en légende (A1B, etc). Ces six scénarios ont été choisis comme représentatifs de leur « famille » (A1, B1, etc). La zone en gris foncé comprend les moyennes des sept modèles pour tous les scénarios (35 au total). La zone en gris clair comprend toutes les prédictions, c'est-à-dire les prédictions de chacun des sept modèles pour chacun des 35 scénarios. Les limites en noir comprennent en plus des incertitudes sur certains paramètres (fusion des glaciers, du permafrost, etc).


Q 10. Quelle serait la hausse du niveau de la mer, en 2100, si tout le volume océanique se réchauffait de 3ºC (cf. question Q 7) ? Quelle est la hausse moyenne du niveau de la mer prévue pas les modèles pour 2100 ? Calculer la vitesse de montée ; comparer avec la vitesse de montée sur le dernier siècle (cf. question Q 1) réponse.

Réponses

R 1. La Hollande était surélevée à cause de la calotte scandinave et de l'élasticité de la lithosphère. Depuis la fonte de la calotte, l'équilibre isostatique fait s'enfoncer la Hollande (et les régions voisines), ce qui fait monter relativement le niveau de la mer.

Vitesse de montée du niveau de la mer : 10 à 20 cm depuis 100 ans ⇒ 1 à 2 mm/an en moyenne.

Comparaison avec la déglaciation : d'un facteur ~25 plus faible par rapport aux « sauts », mais seulement d'un facteur ~4 plus faible que la déglaciation, ce qui est beaucoup pour un climat « stable ». Retour.

R 2.


Ne compte, comme sortie, que la vapeur d'eau transportée sur les continents par les vents. Le cycle évaporation-précipitation au-dessus des océans s'équilibre rapidement (temps de résidence de la vapeur d'eau ~ 10 jours).

L'agriculture et l'industrie augmentent l'évaporation sur les continents (irrigation, évaporation pour refroidissement, etc) et donc le « recyclage » local de l'eau au dépend des océans. Par contre le pompage d'eau du sous-sol rejette de l'eau dans les océans plus rapidement que ne le ferait les circulations souterraines. Les glaciers et calottes (Antarctique et Groenland) constituent des stocks d'eau. La grande majorité des glaciers fondent actuellement, et constituent donc une source d'eau pour les océans. Le niveau global des océans monte si les apports d'eau sont plus importants que les pertes. Retour.

R 3. Volume des glaciers de montagne divisé par la surface océanique (en km3) : 2 x 105 / 360 x 106 ~ 5 x 10-4 km, soit ~ 50 cm. On néglige ici la différence de densité entre la glace (0,9) et l'eau (1) : strictement il faudrait multiplier ce résultat par 0,9 / 1, soit environ 45 cm de hausse. Retour.

R 4. D'après la figure 4, la températures en Antarctique est toujours plus basse que 0ºC (sauf dans la Péninsule), donc la calotte ne fond pas. En supposant un réchauffement de 4ºC, une partie des côtes serait peut-être touchée mais pas l'essentiel de la calotte. Retour.

R 5. D'après la figure 5, les précipitations dépendent de l'humidité de l'air, la quantité de vapeur disponible. C'est facilement compréhensible eu égard aux très basses températures.

Si la température augmente, la quantité de vapeur dans l'air augmente et donc les précipitations augmentent. La calotte devrait donc croître, faisant diminuer le niveau de la mer. En Antarctique, la température a augmenté significativement depuis le début du siècle, d'environ 0,7ºC, et l'accumulation a effectivement augmenté, de l'ordre de -0,4 mm/an en équivalent niveau de la mer. Les modèles prédisent que cet effet de diminution du niveau de la mer doit continuer (en augmentant) sur plusieurs siècles encore. Retour.

R 6. Cf Q.3 : hausse de 2 x 106 / 360 x 106 ~ 5,5m, soit en tenant compte de la différence de densité glace-eau, environ 5 m de hausse. Retour.

R 7. En supposant un réchauffement de 0,5ºC, la densité diminue relativement de 0,02 x 0,5 = 0,01 %, ce qui est égal à l'augmentation relative de volume. En supposant que la surface des océans est constante, cette augmentation de volume s'est faite par une augmentation de la hauteur d'eau h = 4 000 m de 0,01 %, soit 4 000 x 0,0001 = 0,4 m = 40 cm. C'est 2 à 4 fois l'estimation de la montée du niveau de la mer accompagnant ce réchauffement. Retour.

R 8. Entre 1955 et 1995 (40 ans) :

  • 0 - 300 m : +0,25ºC environ, d'où un hausse relative de 0,25 x 0,02 = 0,005 % de 300 m soit 300 x 0,00005 = 15 mm, d'où une vitesse de 15 / 40 ~ 0,4 mm/an.
  • 0 - 3000 m : +0,06ºC environ, d'où un hausse relative de 0,06 x 0,02 = 0,0012 % de 3 000 m soit 3 000 x 10-5 = 30 mm, d'où une vitesse de 30 / 40 ~ 0,75 mm/an.

Le réchauffement des premiers 3 000 m, même s'il est plus faible que celui des 300 premiers mètres, est responsable de la hausse la plus importante: volume 10 fois plus important, mais réchauffement seulement 5 fois plus faible. Retour.

R 9. Les marégraphes sont situés essentiellement le long des côtes des Etats-Unis et de l'Europe de l'Ouest, où les variations régionales du niveau de la mer sont positives (hausse).

Comme les marégraphes mesurent plutôt les hausses que les baisses du niveau de la mer, la moyenne de leurs mesures va être biaisée dans la direction d'une hausse et d'une vitesse plus élevées, par rapport à la moyenne globale réelle. L'étude présentée ici (Figure 8) conclut à un biais d'un facteur 2 : l'estimation issue des marégraphes serait deux fois trop forte par rapport à la réalité.

La variabilité entre les régions positives et négatives est très forte comparée à la moyenne : ± 5 mm/an contre 0,5 mm/an respectivement. L'incertitude sur cette moyenne est donc également forte. Retour.

R 10. Hausse due à un réchauffement global de 3ºC : l'augmentation relative de volume, donc de hauteur à surface constante, est de 0,02 % x 3 = 0,06 %. Soit, pour une hauteur moyenne de 4 000 m, une hausse de 4 000 x 0,000 6 = 2,4 m.

Les prédictions IPCC (Figure 9) indiquent une hausse de l'ordre de 0,4 m en 2100.

Vitesse (linéaire) de montée : 0,4 m en 100 ans soit ~4 mm/an. C'est 2 à 4 fois plus rapide que la vitesse estimée pour le dernier siècle. Cette accélération est notamment due à la propagation verticale du réchauffement dans les océans. Retour.

Bibliographie

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Annexe : Instructions officielles en relation avec cette intervention

Terminale S

Du passé géologique à l'évolution future de la planète (7 semaines).

Les notions de géologie acquises de la classe de seconde à celle de terminale permettent de comprendre le fonctionnement général de la planète, de ses enveloppes externes à ses domaines les plus internes. L'enseignement de spécialité précise quelques aspects de ce fonctionnement, à différentes échelles spatiales et temporelles. Il est l'occasion de montrer que l'étude des évolutions passées de la planète, fondée sur une démarche raisonnée intégrant des observations géologiques variées et des mécanismes physiques et chimiques simples, procure des éléments de réflexion et des modèles pour appréhender l'évolution future de la planète. La prévision des climats du futur est un enjeu à la fois de recherche scientifique et de société.

Deux problématiques partiellement interdépendantes sont traitées dans l'enseignement de spécialité et sont abordées en faisant appel à plusieurs disciplines des sciences de la Terre. Cette partie du programme démontre comment l'observation, l'interprétation et la modélisation de phénomènes passés sont utilisés pour proposer des scénarios de l'évolution future de la Terre. Les deux problématiques choisies sont :

  • les variations du climat ;
  • les variations du niveau moyen des mers.

Ces deux exemples mettent en avant les relations qui existent entre le fonctionnement des enveloppes externes et internes de la Terre et les interactions de la Terre avec le reste du système solaire.

  1. Les climats passés de la planète (5 semaines)

    Les changements du climat de la planète s'étudient à différentes échelles de temps. Les variations climatiques sont enregistrées dans les roches sédimentaires et les accumulations de glace aux pôles. La nature chimique des sédiments, leurs contenus fossilifères et leurs conditions de dépôt, ainsi que la composition isotopique des glaces, sont des marqueurs des conditions climatiques. Les bulles de gaz emprisonnées dans les accumulations de glaces des calottes polaires sont des témoins de la composition chimique moyenne de l'atmosphère et de son contenu en gaz à effet de serre. La composition de l'atmosphère plus ancienne, en particulier en dioxyde de carbone (CO2), s'obtient par des données très indirectes.

    Plus on recule dans le temps plus les enregistrements géologiques perdent de leur résolution temporelle. Les variations climatiques sont étudiées à deux échelles de temps :

    • Le dernier million d'années où la continuité des enregistrements géologiques permet d'observer des variations climatiques avec une haute résolution temporelle de l'ordre de 1 000 ans.
    • Le milliard d'années où les enregistrement géologiques permettent d'identifier les changements climatiques avec une résolution de quelques millions d'années.
  2. Les variations du niveau de la mer (2 semaines).

    Les variations du niveau de la mer sont d'amplitude variable au cours de l'histoire de la Terre. Elles trouvent leur origine dans les changements climatiques mais aussi dans les phénomènes tectoniques et dans l'activité plus ou moins intense du manteau terrestre.

Activités envisageables

Notions et contenus

  • Mise en évidence des variations du niveau de la mer à deux échelles de temps :

    • les variations liées aux glaciations du quaternaire par l'analyse de récifs fossiles, de traces de lignes de rivage ou d'activité humaine (ex: grotte Cosquer).
    • les variations liées aux phénomènes de transgression et de régression du Crétacé supérieur par l'analyse de documents (cartes, vidéos, photographies, échantillons). Études à partir de divers documents (cartes, photographies, échantillons) des phénomènes de transgression et de régression.
  • Mise en évidence sur la carte géologique du monde et de la France de l'importance mondiale de la transgression du Crétacé supérieur.
  • Mise en évidence des paramètres de variation du niveau de mètres en une dizaine de millions d'années).
  • Mise en évidence des paramètres de variation du niveau de la mer :

    • variations de volume de l'eau de mer en fonction de la température ;
    • variations de la quantité de glace présente sur les terres émergées ;
    • variations de la profondeur moyenne du fond des océans.
  • Réalisation d'un bilan quantitatif.
  • Mise en évidence des variations du niveau de la mer au cours des temps géologiques. Les variations du niveau de la mer modifient la surface des terres émergé
  • Les roches sédimentaires par leur nature et leur extension enregistrent les variations relatives du niveau de la mer. Ces variations se manifestent notamment par des transgressions et des régressions sur les continents.
  • Les causes des variations mondiales du niveau de la mer.

    Les variations relatives du niveau de la mer à l'échelle mondiale sont contrôlées par le volume d'eau dans les bassins océaniques. On considère que pendant les 200 derniers millions d'années le volume d'eau sous forme de glace, de liquide et de vapeur est constant.

    Les principales causes des variations du niveau de la mer sont :

    • la dilatation thermique de l'eau (de 10 à 20 cm par siècle) ;
    • la formation et la destruction des calottes polaires (de l'ordre de la centaine de mètres en 10 000 à 100 000 ans) ;
    • le volume des bassins océaniques (dont la variation peut aller jusqu'à plusieurs centaines de mètres en une dizaine de millions d'années).

Seconde :

Évolution historique de la composition de l'atmosphère : La courbe des teneurs en CO2 et O2 de l'atmosphère terrestre depuis 4,5 milliards d'années. La courbe des températures fossiles et des teneurs en CO2 au cours du quaternaire récent déterminée grâce à l'étude des isotopes de l'oxygène et des inclusions gazeuses des carottes polaires.

Première S :

Phénomènes tectoniques et activité du manteau terrestre associés aux variations climatiques.