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Leffet de serre Latmosphère joue un rôle essentiel dans la régulation du climat de la Terre. Sans leffet de serre, la température moyenne de la surface.

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1 Leffet de serre Latmosphère joue un rôle essentiel dans la régulation du climat de la Terre. Sans leffet de serre, la température moyenne de la surface de la planète serait inférieure denviron 34°C. Les gaz responsables de labsorption de lénergie émise par la surface sont appelés gaz à effet de serre (GES). Leffet de serre est un mécanisme absolument naturel et nécessaire au maintien de la vie sur Terre. Les principaux GES naturels sont la vapeur deau (H 2 O) et le dioxyde de carbone (CO 2 ). Lefficacité dun gaz comme agent à effet de serre peut être quantifiée en terme de forçage radiatif, défini comme la réduction dans le flux net dénergie séchappant vers lespace pour un changement donné de concentration du gaz concerné. Nom commun Symbole Sources principales Dioxyde de carbone CO 2 Combustion, Aménagement du territoire Vapeur deau H2OH2OH2OH2O Évaporation de la surface Méthane (précurseur dozone) CH 4 Élevage, Décharges Extraction du charbon et du pétrole Oxyde nitreux N2ON2ON2ON2O Combustion biomasse Activités industrielles & agricoles Gaz industriels halogénés HFCs, PFCs, SF 6, CFCs Produits exclusivement synthétisés en industrie Ozone O3O3O3O3 Réactions chimiques des précurseurs Oxydes dazote * (précurseur dozone) NO x Combustion Monoxyde de carbone * (précurseur dozone) CO Combustion, Industries Déboisement Composés organiques volatils (précurseur dozone) VOCSolvants Production, distribution et utilisation de carburants Gaz responsables de leffet de serre Les gaz à effet de serre (GES) sont émis ou détruits naturellement par lenvironnement de façon continue. Les concentrations atmosphériques sont stables dans la mesure où les deux processus séquilibrent. Depuis la révolution industrielle, cet équilibre a été rompu et les concentrations de GES ont augmenté, amplifiant leffet de serre naturel. Équilibre des gaz à effet de serre Les aérosols Ce sont des particules de très petites dimensions en suspension dans latmosphère. Les aérosols ont un rôle naturel essentiel dans la régulation du climat. Comme un parasol, leur effet est associé à une réduction de lintensité solaire effective qui atteint le sol, ce qui contribue à refroidir la surface. Une réduction des émissions anthropiques daérosols (provenant surtout de la combustion) provoquerait un effet de réchauffement local. Contrairement à la plupart des GES, le temps de vie atmosphérique des aérosols est très court (quelques jours). Leffet exact des aérosols sur le climat demeure toutefois incertain en raison, notamment, du manque de données dobservation. Les changements climatiques Un forçage radiatif net positif a été induit par les hausses des concentrations des GES dans les deux derniers siècles. Leffet de serre naturel sen trouve amplifié, ce qui augmente la température de surface. Dautres processus peuvent induire un forçage radiatif sur le climat (figure ci-dessous). Bien que leurs effets se fassent déjà ressentir, les changements climatiques seront un enjeu majeur tout au long du XXI e siècle. 3) Une portion importante du rayonnement terrestre est absorbée par latmosphère; le reste séchappe vers lespace. 4) Le rayonnement absorbé par latmosphère est partiellement réémit vers la surface où il contribue, avec le Soleil, au rayonnement total absorbé. 1) Latmosphère est essentiellement transparente au rayonnement solaire (lumière visible). La partie non réfléchie atteint ainsi le sol en étant que très peu absorbée par lair. 2) La surface absorbe la majorité du rayonnement solaire quelle reçoit; elle réémet une partie de cette énergie sous forme de rayonnement terrestre infrarouge. * Ces deux gaz ne sont pas des GES mais contribuent significativement aux réactions de lozone. Conception & Réalisation Réseau canadien de modélisation régionale du climat P.-Y. Trépanier, P. Martineu, R. Laprise & C. Chartrand Radiation solaire Radiation terrestre vers lespace Radiation réémise vers lespace Radiation réémise vers la surface Radiation terrestre absorbée Absorption par la surface 1 2 3 4 GIEC, Résumé à lintention des décideurs, Bilan 2001 des changements climatiques : Les éléments scientifiques 900100011001200130014001500160017001800 1900 2000 Début de lère industrielle 200 100 0 1600 1800 2000 SO 2 Début de lère industrielle 1750 1500 1250 1000 750 90010001100 1200 1300 14001500160017001800 1900 2000 CH 4 (ppb) Début de lère industrielle 380 360 340 320 300 280 260 CO 2 (ppm) 310 290 270 250 Début de lère industrielle 90010001100 1200 1300 1400 1500160017001800 1900 2000 N2ON2ON2ON2O (ppb) GIEC, Résumé à lintention des décideurs, Bilan 2001 des changements climatiques : Les éléments scientifiques Forçage radiatif moyen global du système climatique en lan 2000 par rapport à 1750 Niveau des connaissances scientifiques Forçage radiatif (Watts par mètre carré) Réchauffement Refroidissement Gaz halocarbonés N2ON2O CH 4 CO 2 3 2 1 0 -2 Ozone stratosphérique Sulfates Ozone troposphérique Carbone noir résultant de la combustion de combustibles fossiles Aérosols Poussières minérales Combustion de la biomasse Carbones organiques résultant de la combustion de combustibles fossiles Traînées de condensation / Cirrus Liés à laviation Effet indirect des aérosols Utilisation des sols (effet du seul lalbédo) Rayonnement solaire ÉlevéMoyen FaibleTrès faible

2 Scénarios démissions Le rapport spécial sur les scénarios démissions du GIEC propose 40 scénarios répartis en quatre familles (schéma ci-dessous). Les facteurs retenus pour décrire le développement futur influencent de plusieurs façons les émissions de substances radiativement actives. Quest-ce quun scénario? Influence de la population Parmi tous les facteurs qui influent les émissions, la croissance démographique est de loin le plus déterminant. Rôle des pays émergents De façon générale, il est projeté que les développements futurs dans les pays industrialisés se fassent de façon plutôt modeste, comme cest le cas dans les projections de population (ci-dessus). Les plus grandes incertitudes sur les développements à venir reposent sur les pays en voie de développement, et particulièrement ceux de la région asiatique qui connaissent actuellement un taux de développement très rapide. Ces incertitudes reposent notamment sur les choix technologiques et le poids démographique de ces pays émergents. GIEC 2001, Rapport spécial, chapitre 1 Cest une représentation de lévolution future de la société qui tient compte dhypothèses plausibles et cohérentes basées sur les facteurs déterminants. Les hypothèses sur lesquelles reposent les scénarios sont autant dordre quantitatif (croissance de la population, variation du PIB, etc.) que qualitatif (valeurs sociales, politiques gouvernementales), les deux étant également nécessaires pour construire une projection réaliste. Un scénario est le mariage entre modèles numériques et énoncés directeurs : Quelques projections pour les scénarios représentatifs de chaque famille: Un scénario démissions représente un futur possible concernant les émissions de substances relativement actives (gaz à effet de serre, aérosols). Aucune probabilité ne doit être associée à un scénario donné, aucun scénario nétant plus ou moins probable quun autre. Les scénarios sont nombreux pour rendre compte de cette incertitude. Modèles Énoncés Scénarios Quantitatif Qualitatif GIEC, Résumé à lintention des décideurs, Bilan 2001 des changements climatiques : Les éléments scientifiques 340 ppm 970 ppm 540 ppm 25 20 15 10 5 200020202040206020802100 Émissions de CO2 (Gt/an) Concentration de CO2 (ppm) 300 500 700 900 1100 1300 A1B A1T A1F1 A2 B1 B2 IS92a Scénarios 200020202040206020802100 200020202040206020802100 150 100 50 Émissions de SO2 (Mt/an) GIEC 2001, Rapport spécial, chapitre 4 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 19901995200020502100 Pays industrialisés A2 (IIASA) B2 (UN) B1, A1 (IIASA) 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 Population mondiale (milliards) 19001950200020502100 Monde A2 (IIASA) B2 (UN) B1, A1 (IIASA) Point de départ des projections (1990) GIEC 2001 Rapport spécial, chapitre 4 Pas de convergence démographique Pas de convergence démographique Développement économique et technologique plus lent et plus hétérogène entre les régions Développement économique et technologique plus lent et plus hétérogène entre les régions Croissance économique rapide Croissance économique rapide Population qui se stabilise Population qui se stabilise Pénétration rapide de technologies efficaces Pénétration rapide de technologies efficaces Convergence entre les régions Convergence entre les régions Divisée en sous-groupes distincts par le type de source dénergie dominante: fossile (A1FI), renouvelable (A1T) ou équilibré (A1B) Divisée en sous-groupes distincts par le type de source dénergie dominante: fossile (A1FI), renouvelable (A1T) ou équilibré (A1B) Semblable à A1 Semblable à A1 Forte croissance du secteur tertiaire (services) Forte croissance du secteur tertiaire (services) Réduction de la consommation de matière première Réduction de la consommation de matière première Technologies plus propres et plus efficaces Technologies plus propres et plus efficaces Croissance démographique continue mais plus modérée que pour A2Croissance démographique continue mais plus modérée que pour A2 Développements modérés, mais variés répondant au besoins locaux et régionaux Développements modérés, mais variés répondant au besoins locaux et régionaux Économique Environnemental Global A1 A2 B1 B2 Régional Conception & Réalisation Réseau canadien de modélisation régionale du climat P.-Y. Trépanier, P. Martineu, R. Laprise & C. Chartrand

3 Les modèles climatiques Évolution des modèles climatiques Approche numérique Structure dun modèle Incertitudes Les équations qui gouvernent le climat sont trop complexes pour être résolues algébriquement. Des super-ordinateurs sont utilisés pour solutionner ces équations par approximations numériques. L'atmosphère est ainsi représentée par une grille en 3 dimensions contenant un nombre fini de points. Lors dune simulation, l'évolution dans le temps des variables telles les vents, la température, la pression et lhumidité, sont calculées en chacun des points de la grille à des intervalles de temps réguliers. Importance de la résolution La résolution est liée au nombre de points sur la grille qui représentent le globe. Meilleure est la résolution, meilleure est la représentation du climat. Laugmentation de la résolution se fait toutefois au prix dune hausse des temps de calcul. En conséquence les modèles mondiaux du climat (GCM) nont quune résolution très limitée. Dans le contexte de l'adaptation aux changements climatiques, la quantification des processus régionaux et locaux est requise. Les modèles à faible résolution (GCM) fournissent des résultats qui sont valides à leur échelle, mais deviennent inadéquats pour le traitement des processus régionaux et locaux. Les modèles régionaux du climat (MRC) sont une façon daugmenter la résolution. Ils fonctionnent essentiellement comme un modèle mondial à quelques exceptions : Le domaine est limité à la région dintérêt, ce qui permet daugmenter la résolution et de mieux traiter les processus de sous échelle. Le domaine est limité à la région dintérêt, ce qui permet daugmenter la résolution et de mieux traiter les processus de sous échelle. Le MRC est alimenté à ses frontières par les données dun GCM (pour des projections de changement climatique) ou par des observations (pour une validation). Le MRC est alimenté à ses frontières par les données dun GCM (pour des projections de changement climatique) ou par des observations (pour une validation). La quantification des changements appréhendés dans le climat futur est nécessaire afin délaborer des stratégies dadaptation adéquates pour réduire les risques connexes. Puisque les expériences in situ ou en laboratoire sur le climat ne sont pas possibles, la modélisation demeure la seule approche pour quantifier leffet dune hausse des concentrations des GES dans latmosphère.. Modèle climatique Représentation virtuelle du système climatique planétaire en 3D et dans le temps basée sur les lois de la physique fondamentale. Le système climatique terrestre comporte plusieurs composantes interdépendantes quil importe de considérer dans une simulation. Les modèles actuels gagnent en complexité en couplant de plus en plus de composantes (figure ci-dessous) pour tenir compte des multiples interactions. Les modèles ne sont pas parfaits, aussi dimportantes incertitudes leur sont associées. Ces incertitudes proviennent notamment de : Approximation et idéalisation des lois physiques Approximation et idéalisation des lois physiques Qualité du couplage entre les composantes Qualité du couplage entre les composantes Formulation numérique et support informatique Formulation numérique et support informatique Résolution Résolution Un modèle climatique est conduit par deux composantes bien distinctes : Dynamique Dynamique –Le noyau dynamique prend en charge la solution des équations de la mécanique des fluides sur la maille de calcul. Physique (paramétrique) Physique (paramétrique) – Les processus sous-échelle, c'est à dire de trop fine échelle pour la résolution du modèle, doivent être paramétrés empiriquement en fonction des variables résolues par le noyau dynamique. Exemples : nuages, convection, turbulence, etc. Images fournies par Daniel Caya Le Québec vu par un GCM Le Québec vu par un MRC GIEC, Résumé à lintention des décideurs, Bilan 2001 des changements climatiques : Les éléments scientifiques éléments scientifiques Conception & Réalisation Réseau canadien de modélisation régionale du climat P.-Y. Trépanier, P. Martineu, R. Laprise & C. Chartrand


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