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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)

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1 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) Effet serre Principe Principe Gaz à effet de serre Gaz 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 Milankovitch Cycles de Milankovitch Mesures de la température passée à l'aide des isotopes de l'oxygène Mesures de la température passée à l'aide des isotopes de l'oxygène Boucles de rétroaction Boucles de rétroaction IV) Evolution de l'atmosphère à l'échelle des temps géologiques IV) Evolution de l'atmosphère à l'échelle des temps géologiques V) Variations actuelles des températures V) Variations actuelles des températures

2 Calcul de la température de la surface d'une planète sans atmosphère Corps noir : objet en équilibre thermique. Ne refléchit pas la lumière. Absorbe tous les rayonnements incidents et les réemet. Corps noir : objet en équilibre thermique. Ne refléchit pas la lumière. Absorbe tous les rayonnements incidents et les réemet. 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 température 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 température I Calcul température surface d'une planète sans atmosphère

3 Loi de Planck pour la Terre et le Soleil Plus un corps est chaud, plus les vibrations des molécules qui le constituent ont une fréquence élevée, plus les longueurs d'onde du rayonnement émis sont courtes (fréquence élevée) Plus un corps est chaud, plus les vibrations des molécules qui le constituent ont une fréquence élevée, plus les longueurs d'onde du rayonnement émis sont courtes (fréquence élevée) I Calcul température surface d'une planète sans atmosphère/1 Rappel physique

4 Loi de Wien Le rayonnement d'un corps noir a une énergie maximum à la longueur d'onde t.q : Le rayonnement d'un corps noir a une énergie maximum à la longueur d'onde t.q : I Calcul température surface d'une planète sans atmosphère/1 Rappel physique

5 Loi de Stefan (pour un corps noir) En sommant l'énergie émis à chaque longueur d'onde, il vient que l'énergie total émise par unité de surface et de temps est : En sommant l'énergie émis à chaque longueur d'onde, il vient que l'énergie total émise par unité de surface et de temps est : I Calcul température surface d'une planète sans atmosphère/1 Rappel physique

6 Calcul de la température d'une planète sans atmosphère 1) Calcul de la puissance émise par le soleil à l'aide de la loi de Stefan. 1) Calcul de la puissance émise par le soleil à l'aide de la loi de Stefan. 2) Puissance reçue à une distance D du soleil par unité de surface 2) Puissance reçue à une distance D du soleil par unité de surface 3) Puissance reçue sur la surface d'une planète 3) Puissance reçue sur la surface d'une planète 4) On en déduit la température de surface de la planète (loi de Stefan) 4) On en déduit la température de surface de la planète (loi de Stefan) I Calcul température surface d'une planète sans atmosphère2 Calcul

7 1) Puissance émise par le soleil En appliquant la loi de stéfan il vient que: En appliquant la loi de stéfan il vient que: I Calcul température surface d'une planète sans atmosphère2 Calcul

8 2) Puissance E0 reçue à une distance D du soleil par unité de surface On suppose que les rayons arrivent perpendiculairement à la surface: On suppose que les rayons arrivent perpendiculairement à la surface: A une distance D, l'énergie émise par le soleil se répartie sur une surface 4 pi D^2 A une distance D, l'énergie émise par le soleil se répartie sur une surface 4 pi D^2 I Calcul température surface d'une planète sans atmosphère2 Calcul

9 3) Puissance E1 reçu à la surface d'une planète située à une distance D par unité de surface Vue depuis le soleil, la planète apparait comme un disque de rayon Rt Vue depuis le soleil, la planète apparait comme un disque de rayon Rt I Calcul température surface d'une planète sans atmosphère2 Calcul

10 4) Température de surface d'une planète sans atmosphère En supposant que la planète est un corps noir: elle émet la meme puissance que ce qu'elle reçoit du soleil : En supposant que la planète est un corps noir: elle émet la meme puissance que ce qu'elle reçoit du soleil : On suppose que la planète à un albédo A. Elle réfléchit une puissance =A E1 => La puissance arrivant sur la planète est : E1-AE1=E1(1-A) On suppose que la planète à un albédo A. Elle réfléchit une puissance =A E1 => La puissance arrivant sur la planète est : E1-AE1=E1(1-A) I Calcul température surface d'une planète sans atmosphère2 Calcul

11 Application numérique Rayon soleil : 0.7e6 km Rayon soleil : 0.7e6 km T soleil : 6000 K T soleil : 6000 K Albédo planète tellurique : A = 0.07 Albédo planète tellurique : A = 0.07 Albédo Terre : A=0.3 (végétation, océan) Albédo Terre : A=0.3 (végétation, océan) PlanèteDistance soleil (km) Température surface Mercure58e6460 K = 181 C Venus108e6331K = 58C Terre (A=0.07)150e6281K = 8C Terre (A=0.3)150e6251K = -21C Terre périhélie (A=0.3)147e6253 K =-19 C Terre aphélie (A=0.3)152e6249K = -23C Mars227e6228K = -44C I Calcul température surface d'une planète sans atmosphère/ 2 Calcul

12 Température de la surface des planètes calculées et mesurées (par Emmanuel Caroli) avec A=0.07 Le calcul théorique prédit bien la température de Mercure, car Mercure n'a pas d'atmosphère Le calcul théorique prédit bien la température de Mercure, car Mercure n'a pas d'atmosphère Idem pour Mars, Mars ayant une atmosphère mince Idem pour Mars, Mars ayant une atmosphère mince On sous-estime un peu la température de la Terre : l'effet de serre augment la température de ~35C (avec A=0.3) On sous-estime un peu la température de la Terre : l'effet de serre augment la température de ~35C (avec A=0.3) Vénus à un effet de serre extreme : atmosphère épaisse et contenant essentiellement du C02 Vénus à un effet de serre extreme : atmosphère épaisse et contenant essentiellement du C02 I Calcul température surface d'une planète sans atmosphère/ 2 Calcul

13 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) Effet serre Principe Principe Gaz à effet de serre Gaz 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 Milankovitch Cycles de Milankovitch Mesures de la température passée à l'aide des isotopes de l'oxygène Mesures de la température passée à l'aide des isotopes de l'oxygène Boucles de rétroaction Boucles de rétroaction IV) Evolution de l'atmosphère à l'échelle des temps géologiques IV) Evolution de l'atmosphère à l'échelle des temps géologiques V) Variations actuelles des températures V) Variations actuelles des températures

14 II - Effet serre

15 Température d'équilibre On imagine qu'un corps froid est soumis à des rayonnements electromagnétique ne variant pas au cours du temps: On imagine qu'un corps froid est soumis à des rayonnements electromagnétique ne variant pas au cours du temps: => sa température augmente => sa température augmente Plus sa température augmente, plus l'énergie qu'il émet augmente jusqu'à ce que : Plus sa température augmente, plus l'énergie qu'il émet augmente jusqu'à ce que : L'effet de serre a pour effet de modifier la température d'équilibre d'une planète en augmentant E_absorbé L'effet de serre a pour effet de modifier la température d'équilibre d'une planète en augmentant E_absorbé II Effet de serre/ 1 principe

16 Atmosphère essentiellement transparente aux rayonnements du soleil Atmosphère essentiellement transparente aux rayonnements du soleil Terre émet dans les IR => Fortement absorbé par l'atmosphère. Terre émet dans les IR => Fortement absorbé par l'atmosphère. II Effet de serre/ 1 principe

17 Effet de serre simplifié On suppose que l'atmosphère infiniment mince : le rayonnement absorbé puis réemis par l'atmosphère part soit dans l'espace ou le sol mais n'est pas réabsorbé par l'atmosphère On suppose que l'atmosphère infiniment mince : le rayonnement absorbé puis réemis par l'atmosphère part soit dans l'espace ou le sol mais n'est pas réabsorbé par l'atmosphère L'atmosphère 100% transparente aux rayonnements visibles et 100 % opaque aux IR. L'atmosphère 100% transparente aux rayonnements visibles et 100 % opaque aux IR. Sol absorbe 100% l'énergie du soleil (corps noir) et le réémet (équilibre) Sol absorbe 100% l'énergie du soleil (corps noir) et le réémet (équilibre) /2 100/4 Rayonnement en visible Rayonnement en IR Absorption - réchauffement, émission IR Etc /8 100/ SOL Quantité émise par le soleil II Effet de serre/ 1 principe

18 Effet de serre simplifié SOL Quantité émise par le soleil 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 II Effet de serre/ 1 principe

19 Effet de serre plus réaliste 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 que vers le haut Nuages SOL 100% = 340 w/m² REFLEXION ABSORPTION REEMISSION Rayonnement IR Rayonnement Visible Evaporation : chaleur latente Abs. atm Abs. sol R éemi. par l'atm. vers le sol Réemi. Par le sol Réemi. par l'atm. vers l'espace Que reçoit la Terre : 100 Que renvoie la Terre : = 100 Que reçoit et absorbe l'atm : = 170 Que réémet l'atm : =170 Que reçoit et absorbe le sol : =150 Que réémet le sol : =150 EQUILIBRE !! T° moyenne = 15°C II Effet de serre/ 1 principe

20 Gaz à effet de serre (GES): transparence Méthaneoxygène CO2H20 II Effet de serre/ 2 Gaz à effet de serre

21 Les gaz à effet de serre (GES) H2O CO2 N2O CH4 55% des GES 39% des GES 2% des GES qq j (troposphère) ans 150 ans 10 ans II Effet de serre/ 2 Gaz à effet de serre

22 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) Effet serre Principe Principe Gaz à effet de serre Gaz 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 Milankovitch Cycles de Milankovitch Mesures de la température passée à l'aide des isotopes de l'oxygène Mesures de la température passée à l'aide des isotopes de l'oxygène Boucles de rétroaction Boucles de rétroaction IV) Evolution de l'atmosphère à l'échelle des temps géologiques IV) Evolution de l'atmosphère à l'échelle des temps géologiques V) Variations actuelles des températures V) Variations actuelles des températures

23 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 serre, albédo). Composition chimique de l'atmosphère (effet de serre, albédo). III- Mécanisme évolution température III- Mécanisme évolution température

24 Interaction entre différents réservoirs Différent réservoirs interagissent (échange chaleur, C02, S02, H20...) selon des échelles de temps allant de la journée à plusieurs mA Différent réservoirs interagissent (échange chaleur, C02, S02, H20...) selon des échelles de temps allant de la journée à plusieurs mA III- Mécanisme évolution température III- Mécanisme évolution température

25 Variation gaz à effet de serre et cycle du carbone Court Terme : cycle carbone Court Terme : cycle carbone Moyen terme 1000 ans ~ 1mA: sédimentation, circulation océans Moyen terme 1000 ans ~ 1mA: sédimentation, circulation océans Long terme >1 mA: géodynamique interne Long terme >1 mA: géodynamique interne Métamorphisme zone subduction, volcanisme, génèse continent, dorsale océanique. Métamorphisme zone subduction, volcanisme, génèse continent, dorsale océanique. III- Mécanisme évolution température III- Mécanisme évolution température

26 Variation activité solaire Mesure fiable et précise ne se font que depuis ~20 ans Mesure fiable et précise ne se font que depuis ~20 ans Au delà, on évalue l'activité du soleil via le nombre des taches solaires, ou via le taux de carbone 14. Au delà, on évalue l'activité du soleil via le nombre des taches solaires, ou via le taux de carbone 14. III- Mécanisme évolution température / 1 Variation activité solaire III- Mécanisme évolution température / 1 Variation activité solaire

27 Variation énergie solaire Cycle de 11 ans : variation nombre taches solaires corrélée à des variation de l'énergie émise par le soleil. Cycle de 11 ans : variation nombre taches solaires corrélée à des variation de l'énergie émise par le soleil. Le nombre de wolf est proportionnelle au nombre de taches. Il est mesuré depuis le 17ème siècle. Le nombre de wolf est proportionnelle au nombre de taches. Il est mesuré depuis le 17ème siècle. III- Mécanisme évolution température / 1 Variation activité solaire /a cycle de 11 ans III- Mécanisme évolution température / 1 Variation activité solaire /a cycle de 11 ans

28 Variation de l'irradiance associée aux variation du nombre de tache solaire Irradiance est corrélée avec le nombre de taches solaires Irradiance est corrélée avec le nombre de taches solaires Les variations restent très faibles Les variations restent très faibles III- Mécanisme évolution température / 1 Variation activité solaire/ a cycle de 11 ans III- Mécanisme évolution température / 1 Variation activité solaire/ a cycle de 11 ans

29 Variation énergie solaire Minimum correspond au petit age glaciaire connue en Europe. Minimum correspond au petit age glaciaire connue en Europe. III- Mécanisme évolution température / 1 Variation activité solaire/ a cycle de 11 ans III- Mécanisme évolution température / 1 Variation activité solaire/ a cycle de 11 ans

30 Au cours du cycle de 11 ans la Terre reçoit 0.2 W.m-2 de plus (par rapport au 35 W.m-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). Cycle de 11 ans ne semble pas influencer la température la Terre Cycle de 11 ans ne semble pas influencer la température la Terre La période de faible activité solaire coincide avec le petit age glaciaire en Europe. La période de faible activité solaire coincide avec le petit age glaciaire en Europe. III- Mécanisme évolution température / 1 Variation activité solaire/ a cycle de 11 ans III- Mécanisme évolution température / 1 Variation activité solaire/ a cycle de 11 ans

31 A plus long terme on se sert du 14C pour mesurée l'activité solaire III- Mécanisme évolution température / 1 Variation activité solaire/ mesure activité soleil à l'aide du 14C III- Mécanisme évolution température / 1 Variation activité solaire/ mesure activité soleil à l'aide du 14C

32 Impacte des variation solaire sur la stratosphère III- Mécanisme évolution température / 1 Variation activité solaire/ c Impact sur la stratosphère III- Mécanisme évolution température / 1 Variation activité solaire/ c Impact sur la stratosphère

33 Impacte des variation solaire sur la stratosphère Augmentation activité solaire => + UV => augmentation concentration de ~2% d'ozone => stratosphère plus chaude. Augmentation activité solaire => + UV => augmentation concentration de ~2% d'ozone => stratosphère plus chaude. III- Mécanisme évolution température / 1 Variation activité solaire/ c Impact sur la stratosphère III- Mécanisme évolution température / 1 Variation activité solaire/ c Impact sur la stratosphère

34 Les cycles de Milankovitch Milutin Milankovitch ( ) III- Mécanisme évolution température / 2 cycle de Milankovitch III- Mécanisme évolution température / 2 cycle de Milankovitch

35 Excentricité : an : la trajectoire de la Terre autour du soleil peut etre plus ou moins ellipitique Excentricité : an : la trajectoire de la Terre autour du soleil peut etre plus ou moins ellipitique Obliquité : 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 moment) Obliquité : 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 moment) Précession : ans : Le pole tourne autour d'un axe moyen Précession : ans : Le pole tourne autour d'un axe moyen III- Mécanisme évolution température / 2 cycle de Milankovitch/ a Définition III- Mécanisme évolution température / 2 cycle de Milankovitch/ a Définition

36 Excentricité : ( an) modifie la quantité d'énergie totale reçue sur Terre d'environ 1% en faisant varier la distance Terre-Soleil. Excentricité : ( an) modifie la quantité d'énergie totale reçue sur Terre d'environ 1% en faisant varier la distance Terre-Soleil. Obliquité et la précession ne change pas la quantité d'énergie total reçu sur Terre, mais influe sur sa répartition Obliquité et la précession ne change pas la quantité d'énergie total reçu sur Terre, mais influe sur sa répartition III- Mécanisme évolution température / 2 cycle de Milankovitch/ a définition III- Mécanisme évolution température / 2 cycle de Milankovitch/ a définition

37 Excentricité : ans Période ans Période ans L'excentricité varie entre -0.6 et 0 L'excentricité varie entre -0.6 et 0 Actuel : -0.2 ie l'orbite de la Terre autour du soleil est quasi-circulaire Actuel : -0.2 ie l'orbite de la Terre autour du soleil est quasi-circulaire III- Mécanisme évolution température / 2 cycle de Milankovitch/a définition III- Mécanisme évolution température / 2 cycle de Milankovitch/a définition

38 Obliquité : variation de l'inclinaison de l'axe de 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 élevées Terre+ incliné => + chaleur aux latitudes élevées => Affecte la quantité de glace présente aux poles => Affecte la quantité de glace présente aux poles Période ans Période ans Inclinaison varie entre 22 et 24.5 degré Inclinaison varie entre 22 et 24.5 degré Actuel : 23.5 (décroissant) Actuel : 23.5 (décroissant) III- Mécanisme évolution température / 2 cycle de Milankovitch/ a définition III- Mécanisme évolution température / 2 cycle de Milankovitch/ a définition

39 Précession de l'axe de rotation Période : ans Période : ans Amplitude : L'axe de rotation balaie un cone de 44 à 49 degrés Amplitude : L'axe de rotation balaie un cone de 44 à 49 degrés Affecte le contraste de température entre les saisons, mais pas la moyenne Affecte le contraste de température entre les saisons, mais pas la moyenne III- Mécanisme évolution température / 2 cycle de Milankovitch/ a définition III- Mécanisme évolution température / 2 cycle de Milankovitch/ a définition

40 Précession de l'axe de rotation La précession a d'autant plus d'impacte que l'excentricité est importante La précession a d'autant plus d'impacte que l'excentricité est importante Il y'a ans : été chaud favorise fonte des glaciers, hiver trop froid apporte peu de neige => peu de glace aux poles Il y'a ans : été chaud favorise fonte des glaciers, hiver trop froid apporte peu de neige => peu de glace aux poles Actuel : c'est l'inverse, mais la trajectoire de la Terre est quasi- circulaire Actuel : c'est l'inverse, mais la trajectoire de la Terre est quasi- circulaire Eté dans l'hémisphère nord Hiver hémisphère nord III- Mécanisme évolution température / 2 cycle de Milankovitch/ a définition III- Mécanisme évolution température / 2 cycle de Milankovitch/ a définition

41 Variation d'énergie recu sur Terre le 21 juin du au cycle de Milankovitch III- Mécanisme évolution température / 2 cycle de Milankovitch/ b variation d'énergie reçue sur Terre III- Mécanisme évolution température / 2 cycle de Milankovitch/ b variation d'énergie reçue sur Terre

42 Variation d'énergie recu sur Terre le 21 juin du au cycle de Milankovitch Les variations d'energie sont d'environ 7% aux poles et ~3% aux moyennes latitudes Les variations d'energie sont d'environ 7% aux poles et ~3% aux moyennes latitudes Source : James D. HAYS, Peter B. de MENOCAL D'après Climate Archives Lamont-Doherty Earth Observatory of Columbia University Source : James D. HAYS, Peter B. de MENOCAL D'après Climate Archives Lamont-Doherty Earth Observatory of Columbia University III- Mécanisme évolution température / 2 cycle de Milankovitch/ b variation d'énergie reçue sur Terre III- Mécanisme évolution température / 2 cycle de Milankovitch/ b variation d'énergie reçue sur Terre

43 Variation de l'énergie reçue à une latitude de 65 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%` III- Mécanisme évolution température / 2 cycle de Milankovitch/ b variation d'énergie reçue sur Terre III- Mécanisme évolution température / 2 cycle de Milankovitch/ b variation d'énergie reçue sur Terre

44 Impacte des cycles de Milankovitch sur la température de l'atmosphère Comment mesurer la température passée ?

45 Rapport isotopique Eau mer contient 98% d'oxygène 16 Eau 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

46 Comment mesurer le volume de glace présent aux poles à l'échelle de Nx ans Évaporation : plus faible dans la vapeur Évaporation : plus faible dans la vapeur Condensation : plus faible dans la vapeur restante que dans l'eau. Une température faible augmente ce fractionnement. Condensation : plus faible dans la vapeur restante que dans l'eau. Une température faible augmente ce fractionnement. Equateur : évaporation océan => nuage ayant un Equateur : évaporation océan => nuage ayant un plus faible que l'océan Nuage se déplacent vers les poles en condensant au fur et à mesure (pluies successives) => diminue dans la vapeur d'eau restante Nuage se déplacent vers les poles en condensant au fur et à mesure (pluies successives) => diminue dans la vapeur 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. III- Mécanisme évolution température / 3 Mesure température passée / a Principe III- Mécanisme évolution température / 3 Mesure température passée / a Principe

47 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 est élevé dans les océans Au fond des océans vivent des foraminifères qui forment une coquille carbonaté dont le est proportionnel à celui de l'océan Au fond des océans vivent des foraminifères qui forment une coquille carbonaté dont le est proportionnel à celui de l'océan L'analyse des carottes sédimentaires en domaine océanique permet de retrouver le des océans au cours du temps et donc le volume de la calotte polaire sur n mA L'analyse des carottes sédimentaires en domaine océanique permet de retrouver le des océans au cours du temps et donc le volume de la calotte polaire sur n mA L'analyse du dans la glace des pole permet de retrouver la température moyenne terrestre et le volume de la calotte L'analyse du dans la glace des pole permet de retrouver la température moyenne terrestre et le volume de la calotte III- Mécanisme évolution température / 3 Mesure température passée / a Principe III- Mécanisme évolution température / 3 Mesure température passée / a Principe

48 glace = thermomètre : plus il fait froid plus ce rapport est petit glace = thermomètre : plus il fait froid plus ce rapport est petit océan : indique le volume de glace aux poles : + élevé + de glace => + il fait froid océan : indique le volume de glace aux poles : + élevé + de glace => + il fait froid III- Mécanisme évolution température / 3 Mesure température passée / a Principe III- Mécanisme évolution température / 3 Mesure température passée / a Principe

49 Variation niveau des glaces aux poles => variation niveau mers => modifie le rapport 18O/16O. On le mesure dans la calcite (CaC03), dans la glace Variation niveau des glaces aux poles => variation niveau mers => modifie le rapport 18O/16O. On le mesure dans la calcite (CaC03), dans la glace III- Mécanisme évolution température / 3 Mesure température passée / a Principe III- Mécanisme évolution température / 3 Mesure température passée / a Principe

50 Comparaison des variation du l'O18 mesurés dans 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

51 Comparaison des variation du l'O18 mesurés dans les carottes sédimentaires et la glace D18O faible dans les océans coincident avec un d18O élevé dans la glace = climat chaud avec peu de glace aux poles D18O faible dans les océans coincident avec un d18O élevé dans la glace = climat chaud avec peu de glace aux poles III- Mécanisme évolution température / 3 Mesure température passée / b Résultats III- Mécanisme évolution température / 3 Mesure température passée / b Résultats

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

53

54 A) d18O dans une carotte sédimentaire dans l'océan pacifique A) d18O dans une carotte sédimentaire dans l'océan pacifique B) 2eme colonne : température surface des océans. B) 2eme colonne : température surface des 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

55 Variation du d18O dans un forage sédimentaire dans le pacifique brut et filtré autour de ans Variation du d18O dans un forage sédimentaire dans le pacifique brut et filtré autour de ans Les derniers sont dominés par le cycle de ans Les derniers sont dominés par le cycle de ans En revanche entre et ans, le cycle de ans domine En revanche entre et ans, le cycle de ans domine 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

56 Périodicité cycle glaciaire/interglaciaire est passée de à ans il y'a ~ ans Périodicité cycle glaciaire/interglaciaire est passée de à ans il y'a ~ ans Augmentation du volume de glace polaire mobilisé lors des glaciation il y'a ~ ans. Augmentation du volume de glace polaire mobilisé lors des glaciation il y'a ~ ans. 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

57 Forage du dome C ~3000 m de glace ont été prélevé => permet d'étudier le climat sur ~ ans ~3000 m de glace ont été prélevé => permet d'étudier le climat sur ~ ans III- Mécanisme évolution température / 3 Mesure température passée / b Résultats/ Forage au dome C III- Mécanisme évolution température / 3 Mesure température passée / b Résultats/ Forage au dome C

58 Variation du rapport Variation du rapport III- Mécanisme évolution température / 3 Mesure température passée / b Résultats/ Forage au dome C III- Mécanisme évolution température / 3 Mesure température passée / b Résultats/ Forage au dome C

59 Cycles de Milankovitch dans le passé lointain Les orbites planétaires sont „chaotique” Les orbites planétaires sont „chaotique” => pas possible de savoir connaitre l'excentricité, l'obliquité, et la précession de la Terre au delà de quelques mA... => pas possible de savoir connaitre l'excentricité, l'obliquité, et la précession de la Terre au delà de quelques mA... L'excentricité dépend de l'attraction gravitationnelle du Soleil, Jupiter, Saturnes, toutes les planètes.... L'excentricité dépend de l'attraction gravitationnelle du Soleil, Jupiter, Saturnes, toutes les planètes.... L'obliquité et la précession dépende de la répartition des masses au sein de la Terre (continents), du couplage Terre-Lune, vitesse de rotation de la Terre.... L'obliquité et la précession dépende de la répartition des masses au sein de la Terre (continents), du couplage Terre-Lune, vitesse de rotation de la Terre.... III- Mécanisme évolution température / 3 Mesure température passée / cycle Milankovitch passé III- Mécanisme évolution température / 3 Mesure température passée / cycle Milankovitch passé

60 Bilan sur les cycle de Milankovitch Cycles de Milankovitch modifient Cycles de Milankovitch modifient l'apport total d'energie provenant du soleil de 1% (excentricité ans) l'apport total d'energie provenant du soleil de 1% (excentricité ans) sa répartition sur Terre (~3% latitude intermédiaire) sa répartition sur Terre (~3% latitude intermédiaire) Bien que faible, les cycles de Milankovitch ont déterminé la température et le volume de glace au cours de dernières années Bien que faible, les cycles de Milankovitch ont déterminé la température et le volume de glace au cours de dernières années Comment cela est-il possible ? Comment cela est-il possible ? III- Mécanisme évolution température / 3 Mesure température passée / cycle Milankovitch passé III- Mécanisme évolution température / 3 Mesure température passée / cycle Milankovitch passé

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

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

63 Les mécanismes de l'influence des cycles de Milankovitch sur les paramètres „géologiques” (volume glace, fractionnement isotopiques carbonates,...) sont encore peu connus Les mécanismes de l'influence des cycles de Milankovitch sur les paramètres „géologiques” (volume glace, fractionnement isotopiques carbonates,...) sont encore peu connus III- Mécanisme évolution température / 4 boucle rétroaction III- Mécanisme évolution température / 4 boucle rétroaction

64 Exemples de rétroactions positives Cycle de Milankovitch influence sur la température terrestre Cycle de Milankovitch influence sur la température terrestre CO2, CH4, température varient ensemble CO2, CH4, température varient ensemble => Il existe des rétroactions positives. Par exemple elevation température => Il existe des rétroactions positives. Par exemple elevation température => diminution volume calotte polaire => albédo moins élevé => températures augmentent => diminution volume calotte polaire => albédo moins élevé => températures augmentent => CO2 moins soluble dans les océans, plus d'évaporation d'H2O => Plus de CO2, H20 atmosphère => plus d'effet de serre => CO2 moins soluble dans les océans, plus d'évaporation d'H2O => Plus de CO2, H20 atmosphère => plus d'effet de serre => influence sur les nuages ? => influence sur les nuages ? III- Mécanisme évolution température / 4 boucle rétroaction III- Mécanisme évolution température / 4 boucle rétroaction

65 Exemples de rétroactions positives III- Mécanisme évolution température / 4 boucle rétroaction III- Mécanisme évolution température / 4 boucle rétroaction

66 Exemple de rétroactions négatives Augmentation température favorise l'augmentation silicates => libération d'ions Ca2+ => piège le CO2 sous forme de CaCO3 diminuant ainsi le CO2 atmosphérique Augmentation température favorise l'augmentation silicates => libération d'ions Ca2+ => piège le CO2 sous forme de CaCO3 diminuant ainsi le CO2 atmosphérique CaSiO3 + CO2 → CaCO3 + SiO2 CaSiO3 + CO2 → CaCO3 + SiO2 Ces réactions font intervenir des l'altération des continentes et sont donc lentes Ces réactions font intervenir des l'altération des continentes et sont donc lentes III- Mécanisme évolution température / 4 boucle rétroaction III- Mécanisme évolution température / 4 boucle rétroaction

67 Exemples rétroactions positives négatives III- Mécanisme évolution température / 4 boucle rétroaction III- Mécanisme évolution température / 4 boucle rétroaction

68 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) Effet serre Principe Principe Gaz à effet de serre Gaz 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 Milankovitch Cycles de Milankovitch Mesures de la température passée à l'aide des isotopes de l'oxygène Mesures de la température passée à l'aide des isotopes de l'oxygène Boucles de rétroaction Boucles de rétroaction IV) Evolution de l'atmosphère à l'échelle des temps géologiques IV) Evolution de l'atmosphère à l'échelle des temps géologiques V) Variations actuelles des températures V) Variations actuelles des températures

69 Evolution de l'atmosphère à l'échelle des temps géologiques Comment connaitre la composition de l'atmosphère à l'échelle des temps géologique ? Comment connaitre la composition de l'atmosphère à l'échelle des temps géologique ? On s'interesse surtout au CO2 du fait de son role important sur la température On s'interesse surtout au CO2 du fait de son role important sur la température IV Evolution atmosphère échelle temps géologiques

70 Il y'a 4.5 milliards d'années 1) Le charbon et les roches carbonatés ce sont formés au cours de l'histoire de la Terre. 1) Le charbon et les roches carbonatés ce sont formés au cours de l'histoire de la Terre. On suppose qu'au moment de la formation de la Terre, tout le CO2 de ces roches était dans l'atmosphère. On suppose qu'au moment de la formation de la Terre, tout le CO2 de ces roches était dans l'atmosphère. 2) En supposant que le rapport H2O/CO2 dans les chondrites et la Terre est la meme. Connaissant le volume actuel des océans on en déduit le volume de CO2 dans l'atmosphère 2) En supposant que le rapport H2O/CO2 dans les chondrites et la Terre est la meme. Connaissant le volume actuel des océans on en déduit le volume de CO2 dans l'atmosphère CCL: il y'avait ~ x plus de CO2 qu'aujourd'hui CCL: il y'avait ~ x plus de CO2 qu'aujourd'hui IV Evolution atmosphère échelle temps géologiques/ 1 Principe des mesures/ a au moment formation de la Terre

71 De l'archéen au pré-cambrien (4.5 Ma à 600 mA) L'insolation du soleil a augmenté de 40% au cours de l'histoire de la Terre. L'insolation du soleil a augmenté de 40% au cours de l'histoire de la Terre. 3.8 Ma => présence galet au groenland => pas/peu de glace => CO2 élevé 3.8 Ma => présence galet au groenland => pas/peu de glace => CO2 élevé 3 Ma => trace de glacier => CO2 diminue 3 Ma => trace de glacier => CO2 diminue Etude de la sédimentation permet de mesurer indirectement le taux de CO2 local au moment de la sédimentation.... Etude de la sédimentation permet de mesurer indirectement le taux de CO2 local au moment de la sédimentation.... IV Evolution atmosphère échelle temps géologiques/ 1 Principe des mesures/ b de l'archéen au précambrien

72 Lors des 600 derniers mA On suppose que CO2 atmosphérique + océanique + piégés dans les roches sédimentaires = constant On suppose que CO2 atmosphérique + océanique + piégés dans les roches sédimentaires = constant CO2 océan est déduite de son pH mesuré via la sédimentation CO2 océan est déduite de son pH mesuré via la sédimentation CO2 atmosphérique dans certains cas peut etre mesuré directement via l'indice stomatique de débris végétaux... CO2 atmosphérique dans certains cas peut etre mesuré directement via l'indice stomatique de débris végétaux... (rapport nb stomate/nb cellule épidermique) IV Evolution atmosphère échelle temps géologiques/ 1 Principe des mesures// c 600 derniers mA

73 Evolution composition atmosphère depuis 4.5 Ma CO2 (/actuel) Ga 4.5 Ga à 600 Ma VENUS 60 atm IV Evolution atmosphère échelle temps géologiques/ 1 Principe des mesures//d synthèse

74 Evolution composition atmosphère depuis 4.5 Ma CO2 (/actuel) Ga 4.5 Ga à 600 Ma Condensation des océans Précipitation des carbonates + foss. VENUS 60 atm 4/5 Calcaires1/5 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

75 OROGENESE PANAFRICAINE OROGENESE HERCYNIENNE OUVERTURE ATLANTIQUE HIMALAYA ALPES ? IV Evolution atmosphère échelle temps géologiques/ 2 Role des orogénèses

76 Role de la formation des chaines de montagne sur la température Formation montagne entrainent altération roches nouvellement exposée : Formation montagne entrainent altération roches nouvellement exposée : L'altération est favorisée par les précipitations, alternance gel/dégel, faible végétation,.. L'altération est favorisée par les précipitations, alternance gel/dégel, 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 + CaO Altération de l'anorthite: Altération de l'anorthite:  CaAl2Si2O8 + 3 H2O + 2 CO2 ⇄ Al2Si2O5(OH)4 (kaolinite) +Ca HCO3 - IV Evolution atmosphère échelle temps géologiques/ 2 Role des orogénèses

77 Quantité CO2 libérée dans l'atmosphère si 100% Himalaya était altéré Volume de l'Himalaya =~ 1000 km x 100 km x 10 km = km 3 Volume de l'Himalaya =~ 1000 km x 100 km x 10 km = km 3 Densité des roches = 3000 kg/m3 => Masse himalaya = Kg Densité des roches = 3000 kg/m3 => Masse himalaya = Kg La croute terrestre coutient ~2% de silicate carbonaté : Masse des silicates carbonaté = 0.02 * Kg = kg La croute terrestre coutient ~2% de silicate carbonaté : Masse des silicates carbonaté = 0.02 * Kg = kg Masse de CO2 altérée : Masse de CO2 altérée : IV Evolution atmosphère échelle temps géologiques/ 2 Role des orogénèses

78 Dans l'atmosphère on a Kg, soit 34 fois moins que le CO2 libéré par la totalité de l'altération de l'himalaya Dans l'atmosphère on a Kg, soit 34 fois moins que le CO2 libéré par la totalité de l'altération de l'himalaya IV Evolution atmosphère échelle temps géologiques/ 2 Role des orogénèses

79 Variation C02 depuis -600 mA Source : Berner, Science, 1997 IV Evolution atmosphère échelle temps géologiques/ 3 Variations à différentes échelles de temps

80 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 Variation C02 depuis -600 mA IV Evolution atmosphère échelle temps géologiques/ 3 Variations à différentes échelles de temps

81 De 180 mA à l'heure actuelle: évolution température Refroidissement continue depuis le tertiaire Refroidissement continue depuis le tertiaire Méthode suffisament précise pour voir les cycles de Milankovitch au cours du quaternaire Méthode suffisament précise pour voir les cycles de Milankovitch au cours du quaternaire IV Evolution atmosphère échelle temps géologiques/ 3 Variations à différentes échelles de temps

82 Bilan sur l'évolution de l'atmosphère terrestre Plusieurs échelle de temps : Plusieurs échelle de temps : Variation activité solaire Variation activité solaire nx100 ans : Variations rapides de l'énergie solaire nx100 ans : Variations rapides de l'énergie solaire ~ ans : Cycle Milankovitch => cycle glaciation ~ ans : Cycle Milankovitch => cycle glaciation ~100 mA : Tectonique des plaques, formation chaines de montagnes, ouverture océans,... ~100 mA : Tectonique des plaques, formation chaines de montagnes, ouverture océans,... Dévelopement de la vie : photosynthèse augmente O2 Dévelopement de la vie : photosynthèse augmente O2

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

84 Bilan méthodes de datation Rapport isotopique oxygène, taux CO2, CH4 dans les glaces : => étude l'atmosphère sur ~ ans Rapport isotopique oxygène, taux CO2, CH4 dans les glaces : => étude l'atmosphère sur ~ ans Carottes sédimentaires : moins précis mais permet monté plus loin dans le temps Carottes sédimentaires : moins précis mais permet monté plus loin dans le temps Autres méthodes : sédiments=>ph Océan => CO2, indice stomatique,... Autres méthodes : sédiments=>ph Océan => CO2, indice stomatique,...

85 Bilan : réservoirs impliqués

86 Pas encore vu Role des océans Role des océans Role volcanisme Role volcanisme

87 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) Effet serre Principe Principe Gaz à effet de serre Gaz 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 Milankovitch Cycles de Milankovitch Mesures de la température passée à l'aide des isotopes de l'oxygène Mesures de la température passée à l'aide des isotopes de l'oxygène Boucles de rétroaction Boucles de rétroaction IV) Evolution de l'atmosphère à l'échelle des temps géologiques IV) Evolution de l'atmosphère à l'échelle des temps géologiques V) Variations actuelles des températures V) Variations actuelles des températures

88 Variations actuelles du CO2 V Variations climatiques actuelles/ 1 paramètres climatiques / a variations globaes

89

90 1 HIVER ETE : Pulsation max = 6 ppmv Hiver et été : même taux de respiratio mais pas même taux de photosynthèse Photosynthèse été > hiver ANTHROPISATION ppmv/an Biomasse importante Peu de biomasse V Variations climatiques actuelles/ 1 paramètres climatiques / a variations globaes

91 Variation CO2 en fonction du temps et de la latitude V Variations climatiques actuelles/ 1 paramètres climatiques / a variations globaes

92 Contribution anthropique à l'effet de serre CO2 N2O CH4 SF6 – HFC… Combustion C fossile, déchets, ciments déforestation combustion, déforestation élevage animal, traitement déchets, rizières agent réfrigérant, gaz propulseurs ORIGINE Contribution à l'intensification de ES 74% 13% 10% 3% Concentration en 1850 en ppmv Concentration actuelle ppmv Concentration estimée en 2030 ppmv T RES dans ATM en an V Variations climatiques actuelles/ 2 Influence anthropique

93 Rejet GES par pays Depuis 85 ans : 1920: 1GTC 1955: 2GTC 1966: 3GTC 1973: 4GTC 1980: 5GTC 2000: 6-8 GTC/an Moyenne des GES rejété par habitant/an V Variations climatiques actuelles/ 2 Influence anthropique

94 GES par activité Allez voir site officiel gouvernemental : V Variations climatiques actuelles/ 2 Influence anthropique

95 Que devient le CO2 émis dans l'atmosphère ? HUMANITE : production de 29 GT de CO2 = 8 GT de C ESTIMATION ESTIMATION : - 4 GT/an se retrouve dans l'atmosphère - 3 GT/an se dissolvent dans les océans - 1 GT/an accroit la biomasse V Variations climatiques actuelles/ 2 Influence anthropique

96 Variations CO2 et température V Variations climatiques actuelles/ 2 Influence anthropique

97 Variation niveau des mers V Variations climatiques actuelles/ 2 Influence anthropique

98 FIN

99 Role des forets sur la production d'O2/CO2 6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 (glucose ou C6(H2O)6) + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 (glucose ou C6(H2O)6) + 6 O2 Lorsque la photosynthèse produit de la matière organique contenant 12g de carbone il y'a production de 32g de O2 Lorsque la photosynthèse produit de la matière organique contenant 12g de carbone il y'a production de 32g de O2 La respiration a exactement un bilan inverse : il y'a autant d'O2 produit par la photosynthèse que consommé par la respiration. La respiration a exactement un bilan inverse : il y'a autant d'O2 produit par la photosynthèse que consommé par la respiration.

100 Role des forets sur la production d'O2/CO2 6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 (glucose ou C6(H2O)6) + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 (glucose ou C6(H2O)6) + 6 O2 La production de glucose pompe du C qui participe à la croissance des végétaux La production de glucose pompe du C qui participe à la croissance des végétaux Lorsque les végétaux meurt, ils sont décomposés → libère le carbone Lorsque les végétaux meurt, ils sont décomposés → libère le carbone

101 Variation du d18O dans des sédiments marins Variation du d18O dans des sédiments marins

102

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

107

108 Période glaciaire de ~ ans suivis de période inter-glaciaire ~ dues au cycle de Milankovitch Période glaciaire de ~ ans suivis de période inter-glaciaire ~ dues au cycle de Milankovitch

109 `

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113

114 Echange principale entre le CO2 atmosphérique et le biotope : 60 GT/an Echange principale entre le CO2 atmosphérique et le biotope : 60 GT/an Controlé par : température, pH, salinité, turbulence Controlé par : température, pH, salinité, turbulence Atmosphère/océan: 90 GT/an Atmosphère/océan: 90 GT/an Atmosphère = 760 GT Atmosphère = 760 GT Océan contiendrait = GT Océan contiendrait = GT Végétation = 2100 Gt: interagit avec l'atmosphère via la respiration et la photosynthèse Végétation = 2100 Gt: interagit avec l'atmosphère via la respiration et la photosynthèse

115

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

117 Taux de C02 dans les océans

118

119 Conséquence variations solaire sur l'atmosphère Modifie l'irradiance (ie l'energie total reçue par l'atmosphère du soleil) Modifie l'irradiance (ie l'energie total reçue par l'atmosphère du soleil) Vent solaire influe sur le CMT => conséquence sur la formation des nuage et l'abédo. Vent solaire influe sur le CMT => conséquence 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 océans Solubilité C02 dans les océans  => modifie la couverture nuageuse (albedo) et l'effet serre

120 Variation solaire et le volcanisme explique ~ 65% variation température des 1000 dernières années Variation solaire et le volcanisme explique ~ 65% variation température des 1000 dernières années Le reste s'explique par la circulation des océans Le reste s'explique par la circulation des océans 70% croissance de la température seulement pourrait s'expliquer par des forçages naturel 70% croissance de la température seulement pourrait s'expliquer par des forçages naturel

121 Evolution de l'atmosphère de la Terre en 4 Ga N2 = 78.1 % O2 = 20.9 % Ar = 0.9% CO2 = 0.04% ATMOSPHERE PRIMITIVE ATMOSPHERE ACTUELLE CO2 = 19 % H2O = 80 % (  OCEAN) N2 ~ 1% Les autres ( CH4, NH3…. =  %) en 4 Ga


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