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Thème 1 : LE SYSTEME TERRE

Sommaire :

1. INTRODUCTION : Changements globaux et climat du passé

1.1 Outils pour faire état du changement climatique

1.2 Observations

2. La Terre en tant que système

3. Changements globaux : court terme

3.1

3.2

3.3

4. Changements globaux : long terme

4.1

4.2

4.3

1. INTRODUCTION : Changements globaux et climat du passé

 
La Terre change plus rapidement aujourd’hui qu’elle ne l’a fait durant la plupart de son histoire, vieille de 4.6 milliards d’années. La cause de cette accélération dans la vitesse de changement est simple: l’activité humaine. La population humaine a crû en nombre et sa capacité technologique est telle que nous exerçons maintenant une influence significative, de portée globale, sur notre planète. Les effets de nos actions sont le plus
clairement identifiables sur la fine enveloppe de gaz qui nous entoure, l’atmosphère, mais ils sont également observables dans d’autres environnements, telles les forêts, montagnes, lacs, rivières et les océans.

1.1 Outils pour faire état du changement climatique :

- Forrage de carottes de :

Glace dans l'Antarctique

Sédiments des fonds marins

-

-

1.2 Observations :

-

-

-

Carotte de glace

Sédiment: couche de matériel solide non consolidé transporté par le vent et par l’eau

 
Les grandes tendances du climat d’une planète et son évolution dans le temps
sont à l’heure actuelle l’exemple le plus médiatisé de changement
environnemental global. Le climat est altéré par l’addition de gaz à effets de
serre dans l’atmosphère, qui réchauffe la Terre en absorbant du rayonnement
infrarouge. L’effet de serre est un processus physique naturel qui est actif dans
toutes les atmosphères planétaires. Sur Terre, certains gaz comme la vapeur
d’eau sont entièrement naturels, alors que d’autres sont partiellement ou
totalement anthropogénïques (d’origine humaine).
Le gaz à effet de serre anthropogénïques le plus abondant sur Terre est le
dioxyde de carbone, CO 2 , qui est produit par la combustion de combustibles
fossiles (combustibles composés des restes d’organismes fossilisés tels que le
charbon, le pétrole et le gaz naturel) ainsi que par la déforestation. Lorsque les
arbres sont coupés, ils se décomposent, et le carbone présent dans leurs
troncs, branches et feuilles est relargué sous forme de CO 2 . Le dioxyde de
carbone est également un composé présent dans les émissions volcanïques; il
est par ailleurs recyclé rapidement par les plantes et les animaux. Son
abondance est donc contrôlée par une combinaison complexe de facteurs
naturels et anthropiques.
 

 
Les prédictions indiquent que le climat sur Terre devrait
se réchauffer au cours des prochaines décennies ou
siècles à venir suite à l’accumulation de CO 2 et d’autres
gaz à effet de serre dans l’atmosphère. Il est cependant
crucial de distinguer les tendances climatiques à court
terme liées à l’activité humaine de l’évolution naturelle à
long terme.
Des informations particulièrement précieuses sur le
climat passé peuvent être obtenues en forant les
sédiments des fonds marins. Les résultats indiquent que
nous sommes au milieu d’une période interglaciaire (un
intervalle climatique chaud marqué par une retraite des
calottes glaciaires dans l’hémisphère Nord) relativement
courte intercalée entre deux périodes glaciaires (un
intervalle climatique froid caractérisé par la formation de
calottes glaciaires).
En l’absence d’influence anthropique, notre planète
devrait évoluer, au cours des millénaires à venir, vers un
nouvel âge glaciaire.
Sédiment: couche de matériel
solide non consolidé transporté par
le vent et par l’eau
 
Laquelle de ces deux tendances, un réchauffement global ou la transition vers
une période glaciaire, sera dominante? Aux échelles de temps courts, il est
raisonnable de penser que le réchauffement sera probablement plus important,
car le taux d’accroissement en CO 2 atmosphérique et des autres gaz à effets de
serre est plus rapide que l’évolution géologique du changement climatique
glaciaire-interglaciaire. Comprendre comment et pourquoi le climat a évolué dans
le passé peut cependant nous aider à comprendre comment il pourrait changer
dans le futur...

2. La Terre en tant que Système
 
Nous souhaitons aborder les sciences de la Terre dans le contexte du fonctionnement de systèmes et, plus particulièrement, celui du système Terre. De manière simplifiée, nous définissons un système comme un groupe d’entités en interaction.
Les entités du Système Terre :

 
L’atmosphère est la fine enveloppe de gaz qui entoure la Terre.
L’hydrosphère est composée des différents réservoirs d’eau, et elle englobe donc la glace. Parfois, celle-ci est cependant individualisée en tant qu’entité propre, la cryosphère.
La biosphère inclut tous les organismes vivants.
La Terre solide inclut toutes les roches qui sont composées d’un mélange de matériaux cristallins appelés minéraux, et qui existent sous forme  consolidée ou de fragments. La Terre solide est divisée en trois parties:

  
Le noyau est la partie centrale et consiste en un mélange dense de fer et de
nickel métallique, en partie solide et en partie liquide.
Le manteau est une épaisse couche de roches entre le noyau et la croûte qui
contribue pour une large part à la masse de la Terre.
La croûte est la fine pellicule externe composée de matériaux rocheux légers
en contact avec l’atmosphère et l’hydrosphère
 

Un des objectifs du cours est d’étudier comment les différentes entités du système Terre interagissent en fonction de différentes influences internes ou externes, appelées forçages.
Un exemple de forçage bien connu dans la vie de tous les jours est la variation d’intensité lumineuse reçue au cours du temps. Mais il y bien sûr beaucoup d’autres forçages plus subtils pouvant impliquer les 4 entités du système Terre. 
 

3. CHANGEMENTS GLOBAUX: COURT TERME

 
Abordons les changements contemporains. 

Le problème du réchauffement global est extrêmement complexe, car il implique un grand nombre d’aspects différents du système Terre. Il est controversé car il est difficile de séparer les influences anthropiques des contrôles naturels et parce que son origine est profondément ancrée dans notre développement industriel, le rendant donc difficile à éliminer.

Bien que les termes ‘effet de serre’ et ‘réchauffement global’ soient parfois utilisés indistinctement, les deux phénomènes sont fondamentalement différents et doivent donc être distingués. L’effet de serre est un processus naturel qui se déroule à coup sûr et qui maintient la surface de la Terre (ainsi que d’autres planètes) à une température plus élevée que celle que l’on aurait en absence de toute atmosphère. Le réchauffement global consiste en l’accroissement de la température de la surface terrestre dû à l’action combinée des activités industrielles et agricoles. Ces activités relarguent des gaz qui stimulent l’effet de serre.

    
Variations de concentration du CO 2

Courbe de Keeling: interprétation
•  5-6 ppm de cycle saisonnier
•  “Photosynthèse” (G-D) et
“Respiration” (D-G) forêts de
l’hémisphère Nord
CO 2 + H 2 O ↔ CH 2 O + O 2
•
5-6 ppm
Hawaii est situé a 19 o N:
–  CO 2 est faible en automne, suite à la
photosynthèse estivale
Graphique Wikkipedia
–  CO 2 est élevé au printemps, suite à
la respiration hivernale
 
En plus de l’oscillation saisonnière, les niveaux de CO 2 ont augmenté de manière
significative depuis 1958. La valeur moyenne cette année-là était d’environ 315
ppm, soit 71 ppm en moins que la valeur moyenne de 2008.
Le taux d’accroissement annuel est donc d’environ 1.4 ppm/an.
Une analyse plus détaillée de la courbe révèle que cet accroissement n’est en fait
pas constant et est de l’ordre de 0.6 ppm/an dans les années 60 pour atteindre
1.9 ppm/an au cours de la dernière décennie. L’essentiel de cet accroissement en
CO 2 est causé par la combustion du charbon, du pétrole et du gaz naturel, ainsi
que par la déforestation tropicale. L’accroissement du CO 2 atmosphérique est
une observation irréfutable. Des mesures similaires ont été effectuées en
différents points du globe, et l’accroissement du CO 2 à l’échelle décennale est
visible dans chaque série de mesures, de façon similaire à celle observée à
Mauna Loa.


Carottes de glace

La composition de l’atmosphère dans le passé (récent) peut-être déterminée en analysant la composition des bulles d’air piégées dans la glace polaire. L’âge de la glace est déterminé en comptant les couches annuelles d’accumulation de neige. Nous pouvons ensuite comparer la concentration en CO 2 des bulles d’air piégées dans la glace avec une courbe ‘lissée’ de Keeling.

CO 2 carottes glaciaires
Emissions CO 2
Données carottes glaciaires
Source: Climate Change 1994 (IPCC)
Mesures
atmosphériquesI.
CO 2 : valeur pré-industrielle
L’accroissement en CO 2 atmosphérique commence au
début du 19 ème siècle, bien avant le début de l’ère
industrielle (environ 1850).
L’augmentation entre 1800 et 1850 a été imputée à la
déforestation en Amérique du Nord durant la conquête
de l’Ouest (‘effet pionnier’). Les mesures de carottes de
glace montrent que la concentration en CO 2 pré-
industrielle était d’environ 280 ppmv.
L’activité humaine est donc responsable d’un accroissement d’environ
40 % en CO 2 atmosphérique au cours des deux derniers siècles.
17Global Carbon Budget

 

Autres gaz à effet de serre

CH 4
Le dioxyde de carbone n’est pas le seul gaz à effet de serre dont la concentration croit actuellement. Le méthane (CH 4 ) et l’oxyde nitreux (N 2 O) ont également augmenté suite à l’influence des activités humaines, principalement l’agriculture. Collectivement, ces gaz présents en concentrations très faibles dans l’atmosphère, appelés gaz en traces, contribuent de manière significative à l’augmentation de l’effet de serre ...
Molécule de CH 4 gazeuse: Effet de serre 18 x plus puissant que celui du CO 2 !I.
23
Clathrates de CH 4 : Bombe à retardement?
Clathrate: composé chimique formé d'une ou plusieurs molécules hôtes (H 2 O, glace)
qui emprisonnent une autre molécule (CH 4 )
-  Réservoir naturel de C énorme (permafrost et sédiments des fonds océa***s)
-  Stable à basse température (T) et haute pression (P)
-  Très sensible à une faible augmentation de T (par ex. changement climatique)
-  Bombe à retardement: Déstabilisation et relargage massif de CH 4 vers le système
océan-atmosphèreI.

Températures de surface : tendances

 
Des mesures précises de température atmosphérique sont effectuées depuis plus
d’un siècle à différentes stations autour du globe. Des bateaux traversant les
océans ont par ailleurs mesuré en routine les températures des eaux de surface
durant l’essentiel de cette période.
Ces données pour l’ensemble du globe ont ensuite été collectées, et leur évolution représentée soustraction de la valeur moyenne pour la période 1960-1991.

 
La température de surface moyenne globale était environ 0.3° en dessous de cette
moyenne avant 1900 et atteint aujourd’hui une valeur environ 0.5° supérieure.
L’augmentation au cours du 20 ème siècle est donc de l’ordre de 0.8°.
Cette valeur est globalement cohérente avec les prédictions d’un réchauffement dû à
une augmentation de 40 % du CO 2 atmosphérique.

La température de surface ne croît pas de manière aussi uniforme, ou à la même
vitesse, que le CO 2 atmosphérique.
D’autres facteurs doivent donc influencer le climat et nous ne pouvons toujours pas
affirmer en toute certitude que le réchauffement global est causé par les activités
humaines. Cette attribution est cependant « extremely likely » (IPCC AR5).
Par exemple, les données de température montrent un ralentissement ou peut-être
même un arrêt complet du réchauffement entre 1940 et 1970.Une explication plausible consiste en une réflexion accrue du
rayonnement solaire (et donc, une décroissance d’absorption par la
surface terrestre) par des aérosols de sulfate présents dans
l’atmosphère. Ces minuscules particules atmosphériques sont
formées à partir de l’oxydation du dioxyde de soufre (SO 2 ) émis lors
de la combustion du charbon (émissions maintenant éliminées au
niveau des cheminées d’émissions afin de limiter les pluies acides).

Aérosols

La combustion du charbon relargue du CO 2 , ce qui va en sens opposé de l’effet des
émissions de SO 2 .... Cet exemple illustre la nécessite d’une compréhension détaillée,
mais néanmoins intégrée du fonctionnement du Système Terre.
Les aérosols de sulfate sont par ailleurs éliminés de la basse atmosphère par les
précipitations en quelques semaines, alors que le CO 2 reste dans l’atmosphère durant
des décennies, des siècles et même des millénaires. En conséquence, l’effet du CO 2
sur le climat est ‘cumulatif’, alors que l’effet des aérosols ne l’est pas. Il est donc
essentiel de prendre en compte les échelles de temps caractéristiques des processus
qui opèrent au sein du système Terre.
An aerosol is a suspension of fine solid particles or liquid droplets in a gas.I.
Températures: Tendances régionales
En certains points du globe, et plus
particulièrement dans les régions aux
alentours du Pôle Nord, la température
semble augmenter beaucoup plus rapidement
que l’accroissement global.
Dans le centre de l’Alaska, par exemple, le
réchauffement durant le dernier siècle a été
proche de 3° C, environ 4 fois supérieur à la
valeur moyenne globale.
Ce réchauffement pourrait avoir des effets
dramatiques sur la quantité de glace de mer
(de la glace flottant sur l’eau) dans l’océan

4. CHANGEMENTS GLOBAUX: LONG TERME

 
Les enregistrements géologiques peuvent fournir des indications précieuses
concernant les changements globaux du passé. Trois exemples sont introduits
ici:
 
- Les cycles glaciaires-interglaciaires,
- les extinctions de masse,
- les changements d’intensité du rayonnement solaire.

 
Pour placer ces événements dans le temps, il est utile d’introduire l’échelle des
temps géologiques. Le temps géologique est divisé à plusieurs niveaux
hiérarchiques en différents intervalles:
Les Eons constituent le niveau hiérarchique le plus élevé. Ceux-ci sont ensuite subdivisés en Eres, puis en Périodes, et enfin, en Epoques.
Une période dure typiquement des dizaines de millions d’années et constitue
une unité du temps géologique généralement plus longue qu’une époque.
 
4.1 Le temps géologique

Les cycles glaciaires-interglaciaires brièvement abordés ici se placent entre 2.5 millions d’années et 10000 ans, durant les époques Pliocène et Pléistocène.
L’extinction de masse que nous discuterons ici se place à la limite des Périodes Crétacé et Tertiaire, il y a environ 65 millions d’années. Enfin, les changements d’intensité
du rayonnement solaire durent depuis les 4.6 milliards d’années d’existence de la Terre.

Image résumant les temps géologiques : CLIC

 
4.2 Cycles glaciaires-interglaciaires : température et CO 2
 
Une série de carottes glaciaires forées à Vostok et à Dome C en Antarctique ont fourni un grand nombre d’informations concernant les glaciations Pleistocène.  
Le Deutérium, D, est un isotope de l’hydrogène (un isotope est caractérisé par un nombre de neutrons variant et un nombre de protons fixe, puisque cha que élément de tableau périodique a un nombre Z fixe) dont le noyau contient un proton et un neutron.
(L’hydrogène, H, contient seulement un proton). Il peut être utilisé comme "proxy" pour la température. On peut estimer grâce à lui les températures. 

 
Durant les derniers 2.5 millions d’années, le climat sur Terre a fluctué entre des
périodes glaciaires particulièrement froides durant lesquelles la couverture
glaciaire a avancé au travers de l’Amérique du Nord et l’Europe et des périodes
interglaciaires relativement chaudes telles que celle que nous vivons aujourd’hui,
durant lesquelles les glaciers ont reculé. Sur base des valeurs de température, la
période interglaciaire actuelle – et donc le dernier ‘Age Glaciaire’ - s’est terminée il y
a environ 11000 ans. Il y a 21000 ans, la Terre était soumise à des conditions
glaciaires maximales, alors qu’il y a 130000 ans elle se trouvait à nouveau au milieu
d’une autre période interglaciaire.

Vostok est une station de recherche russe installée en Antarctique depuis 1957

  
Pourquoi le CO 2 atmosphérique covarie-t-il de cette manière avec la température?
Une partie de la réponse se trouve dans l’effet de serre: Quand les concentrations en
CO 2 augmentent, l’ampleur de l’effet de serre augmente à son tour, et le climat
devient plus chaud. Mais quelle fut dans un premier temps la cause de l’augmentation
du CO 2 ? En particulier, pourquoi les concentrations ont-elles augmenté de manière si
abrupte, il y a 140000 et 21000 ans ?

4.3 Changements de circulation océanïque

Un mécanisme pouvant conduire à une telle variation des niveaux de CO 2 est un
changement de la circulation générale océanïque. Comme nous le verrons plus tard,
l’océan ‘circule’, la force motrice principale étant les variations de densité des masses
d’eau en différents points du globe. L’océan profond contient de grandes quantités de
CO 2 dissous, dont une partie est relarguée vers l’atmosphère quant ces eaux sont
ramenées en surface. Donc, la vitesse à laquelle l’océan profond est renouvelé peut
affecter les concentrations en CO 2 atmosphérique. A son tour, la circulation générale
de l’océan profond dépend du climat, qui est contrôlé par les changements de
température et les vitesses d’évaporation à la surface des océans. Il est donc
probable que les concentrations en CO 2 atmosphérique affectent le climat, mais que
le climat, à son tour, affecte les niveaux de CO 2 atmosphérique.
Le Système Terre est un système dont les différents composants sont, de manière
particulièrement intriquée, étroitement couplés

  
4.4 Extinctions de Masse

 
Les dinosaures ont été abondants durant plus de 150 millions d’années durant l’Ere Mésozoïque, qui se termine il y a 65 millions d’années et qui correspond au moment où ils disparaissent de manière abrupte. Beaucoup d’autres espèces s’éteignent également - 60 à 80 % des espèces marines, ainsi qu’un grand nombre de plantes et d’animaux terrestres. Des raisons multiples furent invoquées pour expliquer cette perte majeure de biodiversité, et les arguments comprennent des facteurs climatiques, des changements de végétation, des maladies, la destruction de la couche d’ozone, l’activité volcanïque, et un impact météoritique.
Aucune de ces hypothèses ne bénéficia d’un consensus large jusqu’en 1980, date à laquelle L. et W. Alvares de l’Université de Berkeley en Californie publièrent un article consacré à une couche d’argile provenant de roches des montagnes des environs de Gubbio en Italie. L’argile datait précisément de la limite K-T, vieille de 65 millions d’années. ‘Limite K-T’ indique une transition entre deux intervalles de temps: la période Crétacée, abréviée ‘K’ (pour la distinguer de la période Cambrienne, abréviée ‘C’) et la période Tertiaire, abréviée ‘T’. La période Crétacée marque la fin de l’Ere Mésozoïque et est suivie par la période Tertiaire qui appartient à l’Ere Cénozoïque. Les dinosaures et les
autres espèces disparurent à (ou juste en dessous) de la limite entre ces deux périodes.
 
La couche d’argile, de seulement quelques centimètres d’épaisseur, se trouve entre deux épaisses couches de roches carbonatées (des roches formées par les restes de coquilles d’organismes marins). La présence de cette couche d’argile à la limite K-T a intrigué les géologues pendant des décennies. Elle avait en effet été non seulement observée à Gubbio mais également à nombreux autres endroits de par le monde, toujours à la limité entre des roches des périodes Crétacée et Tertiaire.

Extinctions de Masse: Iridium
 

Afin de déterminer le temps nécessaire pour que la couche d’argile se dépose, les chercheurs proposèrent de mesurer l’abondance en Iridium (Ir) de la couche. L’Iridium est un métal du groupe des éléments du platine, qui est extrêmement rare dans les roches de la croûte terrestre, car il est essentiellement présent sous forme dissoute dans le noyau de fer en fusion. L’Ir dans les roches provient exclusivement de petits débris de matière extraterrestre retombant de manière continue sur Terre.
 

Extinctions de Masse: Impact majeur

 
L’abondance en iridium dans la couche d’argile atteint des valeurs de au moins 100 fois
la quantité pouvant provenir des petits débris de matière extraterrestre. L’iridium doit donc provenir de l’impact d’un objet extraterrestre beaucoup plus large, tel un astéroïde (ou une
comète). On estime que la masse d’un tel objet devait être de l’ordre de 10 15 kg, ce qui correspond à un astéroïde rocheux d’environ 10 km de diamètre.

Un astéroïde est un petit corps du Système solaire composé de roche, de métaux et de glace, de forme irrégulière et dont les dimensions varient de quelques dizaines de mètres à plusieurs kilomètres. Une grande partie évolue sur une orbite située entre Mars et Jupiter : la ceinture d’astéroïdes. Un autre groupement important est situé au-delà de l’orbite de Neptune : la ceinture de Kuiper.

 
 
L’énergie libérée par l’impact d’un tel objet est énorme et il est plausible qu’un événement de ce type soit à l’origine d’une extinction majeure. Depuis, d’autre indices en faveur d’un impact météoritique majeur à 65 millions d’années ont été identifiés, en particulier la découverte d’un cratère de 200 km de diamètre, profondément enfoui dans la région de
Chicxulub (péninsule du Yucatan, Mexique).

  
Par le passé, le système Terre a expérimenté des perturbations globales particulièrement abruptes dont il s’est remis, bien que lentement et sous une forme
différente. 

 
4.5 Variations de luminosité solaire

 
Tous les exemples de changements globaux discutés jusqu’à présent étaient basés sur des données observationnelles. Les observations, au bout du compte, sont la pierre fondatrice de la science, mais tout n’est cependant pas observable. Par exemple, on ne peut pas voir à l’intérieur du Soleil. Nous sommes cependant confiants que celui-ci produit son énergie par la fusion nucléaire, qui consiste en l’association de deux ou de plusieurs noyaux légers pour former un noyau plus lourd. Spécifiquement, 4 noyaux d’hydrogène ( 1 H) fusionnent pour former un noyau d’hélium ( 4 He). Ce processus, que l’on pense en activité permanente au sein du Soleil, libère de très grandes quantités d’énergie. Bien que nous ne pouvions pas observer ce processus directement, nous sommes confiants que le concept fondamental sous-jacent est correct.

Disque jaune=proton ; disque bleu=neutron

Le fait que le Soleil produise de l’énergie de cette manière a d’importantes conséquences pour son évolution à long terme. Sans entrer dans les détails, et peut-être de manière contre-intuitive, il est possible de calculer que, l’énergie émise par le Soleil ainsi que sa luminosité, croissent en fonction de la décroissance en combustible d’hydrogène. 

 
De combien la luminosité solaire a-t-elle crû au cours de l’histoire du Soleil ? Quand le Soleil s’est formé il y a environ 4.6 milliards d’années, il aurait été 30% moins lumineux qu’aujourd’hui. La luminosité solaire a ensuite crû d’abord lentement, ensuite plus rapidement. Aujourd’hui, la luminosité solaire augmenterait de 1% par 100 millions d’années. Quand le Soleil arrivera en fin de vie en tant qu’étoile normale, dans environ 5 milliards d’années, sa brillance devrait être un facteur 2 a 3 fois plus élevé qu’aujourd’hui.

 
De quelle manière une luminosité solaire réduite a-t-elle affecté la Terre primordiale? A tout autre facteur constant, la Terre primordiale aurait dû être plus froide qu’elle ne l’est aujourd’hui et les calculs démontrent qu’en conséquence les océans auraient dû être couverts de glace jusqu’il y a 2 milliards d’années. Nous savons, cependant, que de l’eau liquide était déjà présente à la surface de la Terre, au moins depuis 3.8 milliards d’années parce que des roches sédimentaires (qui se forment à partir de sédiments présents dans l’eau liquide) sont en formation depuis lors. Par ailleurs, des organismes vivants - qui ont besoin d’eau liquide pour survivre - existent probablement depuis environ 3.5 milliards d’années. La Terre primordiale ne pouvait donc pas être une sphère complètement glacée, du moins pas depuis que nous disposons d’enregistrements géologiques. Cette incohérence apparente est appelée le ‘Paradoxe du Jeune Soleil’. Comme pour l’analyse du CO 2 de Dome C, il s’agit la d’un problème qui ne peut être résolu qu’en considérant le système Terre dans sa globalité. La solution la plus probable est que les niveaux de gaz à effets de serre dans l’atmosphère terrestre primitive étaient significativement plus élèves qu’aujourd’hui. Mais pourquoi était-ce le cas et pourquoi ont-t-ils ensuite déclinés alors que le Soleil devenait plus brillant ?
On en dit plus au chapitre IV, page 2 et suivantes

Le système climatique sur Terre aurait-il un mécanisme propre lui permettant de maintenir sa température de surface dans un domaine où la vie est possible ?

 

4.6 L’hypothèse de Gaia

 
James Lovelock, un biochimiste britanïque, et Lynn Margulis, une biologiste américaine, ont argumenté que c’est le fait même de l’existence de la vie qui est responsable de la stabilité climatique sur Terre. Durant le processus de photosynthèse, les organismes tels les plantes utilisent la lumière, le CO 2 et l’H 2 O pour produire de la matière organïque et de l’O 2 (la matière organïque est le matériau riche en carbone qui compose les organismes). Par la photosynthèse, puis l’enfouissement du carbone dans les sédiments, la biosphère serait capable de réduire les niveaux de CO 2 atmosphériques à la vitesse nécessaire pour contrecarrer l’accroissement graduel de luminosité solaire.
Par ailleurs, la biosphère affecte également la vitesse à laquelle le CO 2 atmosphérique est séquestré dans les roches carbonatées. Ces roches se forment par réaction entre le CO 2 et des éléments (principalement le calcium et le magnésium) provenant d’autres roches.
Ces processus seront discutés en détail plus tard. Dans les deux cas, l’hypothèse de Lovelock et Margulis (Gaia) suggère que la Terre est restée habitable précisément parce qu’elle est en quelque sorte ‘vivante’.

Une forme d’auto-régulation doit exister pour que le climat reste stable aux longues échelles de temps. Des concentrations plus élevées en gaz à effets de serre par le passé sont, par exemple, l’explication la plus plausible au ‘Paradoxe du Jeune Soleil’. Mais le fait d’attribuer à la biosphère un rôle essentiel en tant que facteur de contrôle reste controversé. Des rétroactions abiotiques (non biologiques) pourraient également avoir stabilisé le climat terrestre même si la vie n’y était pas présente.
Expliquer comment de tels mécanismes régulateurs du climat peuvent opérer est un sujet récurrent dans les leçons à venir.
Avant d’y revenir, nous devons cependant d’abord décrire de manière plus
détaillée les modes de fonctionnement des différentes entités du système Terre.

PLANETE TERRE: Balance énergétique - L’effet de serre


 

4. 7. Pourquoi la Terre a-t-elle juste la ‘bonne’ température ?

• L’existence de la vie sur Terre est en grande partie due à son climat tempéré
• La présence d’eau est indispensable à la vie. La Terre est la seule planète du système solaire ayant de l’eau liquide en surface
• Vénus ? Température de surface de 460 °C
• Mars ? Température de surface de – 55 °C
• Terre ? Température de surface de 15 ° CII.

États de l'eau en fonction de la température (T) et de la pression (P)

Avec la position de : Mercure, Mars, Terre vivante, Vénus

La température de surface d’une planète est non seulement déterminée par la distance qui la sépare du Soleil (et donc de l’intensité du rayonnement qu’elle reçoit), mais également par l’effet de serre de son atmosphère, qui absorbe de la chaleur. Température de surface de la Terre sans effet de serre? Elle serait de 33°C inférieure à la valeur observée aujourd’hui, soit -18°C: la Terre serait entièrement gelée

Transport d’énergie

 
Question: Comment l’énergie est-elle transportée?
Il existe trois mécanismes de transferts thermiques : le rayonnement, la conduction, la convection.
 
* Rayonnement :

Définition

L’énergie est transférée par des ondes électromagnétiques. L’énergie radiative inclut les rayons X, les ondes radio, la lumière visible, les ondes micro-ondes... Ces noms sont donnés en fonction de la longueur d'onde de la lumière.

En bref, voici le spectre de la lumière.

Un rayonnement ionisant est une rayonnement qui arrache des électrons aux atomes et fait donc d'eux des ions (positifs s'ils ont perdu des électrons, négatifs s'ils ont gagné des électrons).

Plus la longueur d'onde est petite, plus le rayonnement est énergétique. Les rayons gamma sont donc les plus énergétiques. En astronomie, par ëxemple, ce sont des événements très énergétiques qui produisent ces ondes, comme l'explosion d'une étoile.

Rayonnement électromagnétique: onde électrique et magnétique se déplaçant, quelle que soit sa nature, à vitesse constante.

Propriétés:

- La lumière est à la fois une onde et un flux de particules, les photons (de petits paquets d'énergie).

- Toutes les ondes électromagnétiques se déplacent à la même vitesse, la vitesse de la lumière (3 x10 8 m/s dans le vide), qu'on appelle c. Pour t'en souvenir, rappelle-toi la célèbre förmule "E=mc²". Elle signifie "énergie = masse x VitesseLumière x VitesseLumière".
- L’énergie d’une onde (photons) caractérise la manière dont elle interagit avec la matière. En particulier, des ondes (photons) de hautes énergies peuvent briser des molécules et, donc, provoquer des réactions chimiques alors que des ondes (photons) d’énergie plus faibles affecteront seulement les vitesses de rotation ou l’intensité des vibrations des molécules.

Une onde peut être définie par 3 caractéristiques fondamentales:

- Vitesse : c'est la constante c

- Longueur d'onde : c'est la longueur d'un seul cycle

- Fréquence : c'est le nombre de cycles (de crêtes ou de "sommets") par seconde

L'énergie solaire

Le rayonnement solaire représente 99.9% du flux total d’énergie sur Terre (Flux = quantité d’énergie passant perpendiculairement à une unité de surface par unité de temps).

Le soleil émet la plupart de son énergie dans les portions IR (infrarouge)-Visible-UV(ultraviolet) du spectre :
~50% de l’énergie est émise
dans la région visible
~40% dans le proche-IR
~10% dans l’ UV

On va considérer pour notre modèle que le soleil est un corps noir, c'est-à-dire un corps qui émet parfaitement à toutes les longueurs d'onde. Ce n'est cependant pas une réalité puisque les atomes du soleil (principalement l'hydrogène et l'hélium) absorbent des longueurs d'onde bien précises. Les atomes ont une sorte de signature : chacun absorde un ensemble de longueurs d'onde différent. Cette énergie sous förme de longueurs d'onde de lumière est aborbée par les électrons (de charge négative) des atomes et est utilisée par ceux-ci pour échapper à la gravité du noyau (de charge positive).

C'est d'ailleurs pour ça que l'on sait de quoi est fait le soleil : on a analysé la lumière qu'il émet (son spectre). On a décomposé sa lumière et on a observé des lignes noires, lesdites longueurs d'onde absorbées :

Lois fondamentales du rayonnement 

Lois fondamentales du rayonnement:
1) Tous les objets émettent de l’énergie radiative.

2) Des objets chauds émettent plus d’énergie que des objets froids. (Loi de Stefan-Blotzmann : F = s T ^4)

3) Au plus chaud est l’objet, au plus court est la longueur d’onde à laquelle le flux d’énergie maximal est émis. (Loi de Wien : l max = 3000/T)

Bilan énergétique de la planète Terre

Equilibre radiatif :
La quantité d’énergie reçue par la Terre est égale à l’énergie émise par celle-ci.
La Terre est à l’état stationnaire, sa température est constante.

Il y a une partie réfléchie par la surface de la Terre, en fonction de sa réflectivité en divers endroit (par exemple les surfaces blanches en Antarctique... ) La réflectivité d’une surface est appelée albédo. L’albédo est généralement exprimé comme la fraction de l’énergie incidente totale qui est réfléchie par la surface. On peut démontrer mathématiquement que la température dépend de la constante solaire (lumière reçue par la Terre par unité de surface) et de l'albédo (énergie réfléchie et donc pas absorbée par la Terre).

Conclusion : si la Terre est un corps noir, température de surface de -18°C

Démonstration --> température de la surface en fonction de l'abédo et de la constante solaire si la Terre se comporte comme un corps noir

L'effet de serre résulte du réchauffement de la surface terrestre dû à l’absorption du rayonnement (IR) émis par la Terre et ré-émis en partie par des molécules de l’atmosphère, vers la surface terrestre. La chaleur est absorbée ou “piegée” par les gaz de l’atmosphère et renvoyée en partie vers la Terre.

L'effet de serre est dû à la composition de l'atmosphère :
L'air est composé d’un mélange de gaz, en la concentration (% en volume) des gaz les plus présents :
Diazote : 78
Dioxygène : 21
Argon : 0.9

Constituants mineurs, maix ce sont eux les gaz à effet de serre (à la surface) :

Eau : variable

CO 2 : 0.037 %

Méthane : 1.7 ppmv (1.7 particule par million dans une unité de volume)

Protoxyde d'azote : 0.3

Ozone (Trioxygène) : 1 à 0.01

Différence entre un gaz à effet de serre et un autre : cf. cours chimie : présence d'un dipôle, pas de symétrie dans la molécule.

* Conduction

* Convection

LA TERRE DYNAMIQUE: Systèmes de circulation globaux

  Le Système Terre est en mouvement permanent. Des mouvements de circulation globaux répartissent l’énergie et la matière de façon à tendre vers un état d’équilibre dynamique au plan thermique et chimique.
  Exemples de mouvements: vent, nuages & pluie, mais également le mouvement nettement moins perceptible des continents et des océans.
Les mouvements circulatoires globaux contribuent à la
régulation de la température du globe: Au sein de la Terre fluide, les vents et les courants océa***s redistribuent l’énergie solaire. Les mouvements de la Terre solide redistribuent quant à eux le carbone, régulant par là les niveaux de CO 2 atmosphériques et la température.
  Différentes ‘pompes’ conditionnent le fonctionnement des systèmes de circulation, chacun caractérisée par un mécanisme circulatoire spécifique et une vitesse qui lui est propre.
Aux échelles de temps les plus courtes (1-10 ans), la pompe la plus importante trouve son origine dans les océans tropicaux. Celle-ci est responsable des mouvements atmosphériques et des courants marins de surface autour de larges portions du globe. La source d’énergie de cette pompe est le rayonnement solaire.
  Aux échelles plus longues (1000-10000 ans), une deuxième
pompe contrôle la circulation océa*** profonde. La source
d’énergie de cette 2 ème pompe est ici encore le Soleil.
  La pompe opérant aux échelles de temps les plus longues (>
10 6 ans) est responsable du mouvement des continents. La
source d’énergie provient de la radioactivité qui produit de la
chaleur à l’intérieur du globe terrestre.
  Le système Terre ne peut se maintenir dans un état de
relative stabilité (propice au maintien de la vie) qu’au travers du
fonctionnement permanent de ses systèmes circulatoires.
- Nous nous intéresserons principalement au fonctionnement et
à l’évolution à long terme du système Terre. Une attention
particulière sera donc portée au fonctionnement des pompes
opérant aux échelles de temps longues (1000 ans et plus).

A. Cycle de l’énergie:
Distribution spatiale d’énergie radiative

Température moyenne globale: déterminée par l’équilibre
radiatif entre énergie solaire absorbée et énergie IR émise
vers l’espace par la Terre.
Cependant, ni l’énergie solaire reçue, ni les émissions IR
terrestres ne sont distribuées de manière uniforme autour du
globe.
III
.
7Variation spatiale de l’intensité du rayonnement solaire
Régions près de
l’équateur reçoivent
la lumière à 90 o
Terre
A cause de la courbure
de la Terre, les hautes
latitudes reçoivent la
lumière sous un angle
faible
III
.
8Variation spatiale de l’intensité du rayonnement solaire
Régions près de l’équateur
reçoivent la lumière à 90 o
A cause de la courbure de
la Terre, hautes latitudes
reçoivent la lumière sous
un angle faible (1) .
L’énergie lumineuse est
plus
concentrée
aux
environs de l’équateur. En
d’autres termes, le flux
d’énergie par unité de
surface (W/m 2 ) est plus
grand à l’Equateur (2) .
1
2
Terre
1
III
.
9le flux d’énergie par unité de surface (W/m 2 ) selon la latitude
III
.
10Inclinaison de la Terre (23.5 °):
Variations saisonnières
Image: Netherlands Center for Climate Research
III
.
11Distribution latitudinale d’énergie solaire absorbée
Energie solaire
absorbée
Energie absorbée:
Energie reçue – (Albédo + Absorption atm.)
90°
45°
0°
Latitude
45°
90°
Premier facteur de contrôle du climat et de la température sur
Terre, plus chaude à l’équateur qu’aux pôles
III
.
12Distribution latitudinale d’énergie IR émise
énergie solaire
absorbée
Energie IR
émise f(T)
90°
45°
0°
Latitude
45°
La quantité d’énergie (IR) émise augmente avec la température
90°
III
.
13Equateur: Plus d’énergie absorbée qu’émise
Pôles: Plus d’énergie émise qu’absorbée
énergie solaire
absorbée
Energie IR
émise
90°
45°
0°
Latitude
45°
90°
III
.
14surplus radiatif
net (+)
déficit radiatif
net (-)
90°
45°
0°
Latitude
45°
90°
III
.
15Conclusion
L’excès d’énergie dans les régions équatoriales est
transféré vers les pôles par la convection ...
Le gradient latitudinal d’énergie conduit à des différences
de température et de densité qui initient des mouvements
dans l’atmosphère, puis à la surface des océans. Les
circulations atmosphériques et océa***s de surface sont
le résultat de la distribution inégale d’énergie à la surface
du globe. L’énergie est transférée de l’équateur vers les
pôles par le vent et les courants océa***s
III

B.  La Terre Fluide : Circulation atmosphérique

Structure de l’atmosphère
- Composition: voir II.
- Pression: force par unité de surface (N.m -2 ), exercée par
exemple par une colonne de gaz ou de liquide
Au niveau de la mer:
P = 1 atmosphère (atm)
= 1.013 bar (ou 1013 mbar)
Dans le SI : 1 N.m -2 = 1 Pa = 10 -5 bars
- Température
III
.
18Pression: décroit exponentiellement en fonction de l’altitude
100
80
Altitude
(km)
60
40
90 % de la masse de
l’atmosphère se trouve en
dessous de 16 km
20
50 % de la masse de
l’atmosphère se trouve en
dessous de 5.6 km
10 -3
1
10 3
Pression (mbar)
III
.
19Thermosphère
90 + km 100
+ 1000 °C
Mésosphère 80
50-90 km
60
Absorption rayonnement
UV
par
la
couche
d’ozone
Stratosphère 40
10-50 km
Absorption rayonnement
solaire par la surface
terrestre
20
Troposphère
0-10 km
200
250
300
Température (K)
Température: structure complexe en fonction de l’altitude
III
.
20Troposphère
- Détermine la météo (vent, pluie, nuages, etc.)
- Chaude à la base, plus froide dans la région supérieure
- INSTABLE
- Circulation par convection
- Couche turbulente (agitations), mélange
- Eau est importante
Stratosphère
- Froide à la base, plus chaude dans la région supérieure
- STABLE, “Stratifiée”
- Non-convective
III
.
21Chaleur latente
voir II page 6
Convection: processus par lequel la chaleur est transportée par le mouvement
d’un fluide (gaz ou liquide)
Pour être complet, le 3 ème mode de transport de chaleur est la Conduction:
chaleur est transférée par contact direct entre les molécules
III
.
22- La température contrôle la circulation atmosphérique à cause de la
relation inverse entre température et densité (masse volumique) d’un
gaz: au plus la température augmente, au plus sa densité diminue. Les
différences de température génèrent donc des variations de densité (et
de pression) de l’air.
- Les mouvements verticaux convectifs sont caractérisés par l’ascension
de masses d’air de plus faibles densités. Une particule de fluide chauffée
à la base devient moins dense du fait de sa dilatation thermique et
remonte sous l'action de la poussée d’Archimède.
III
.
23Circulation Atmosphérique: Forcée par l’énergie solaire
Froid
Cellule de Circulation ( Hadley )
Chaud
équateur
Froid
III
.
24Complication: H 2 O
Chaleur latente: énergie nécessaire
pour réaliser un transfert de phase
La circulation atmosphérique (vents) transporte de la chaleur de l’équateur vers les
pôles sous forme d’air chaud. La source principale d’air chaud est la région tropicale
entre 10 °N et 10 °S, qui correspond à la zone de surplus maximum d’énergie
radiative. De plus, la circulation atmosphérique transporte de la chaleur latente vers
les pôles sous forme de vapeur d’eau. De grandes quantités de chaleur latente sont
injectées dans les zones subtropicales (15-30°N-S), où l’évaporation est plus
importante que les précipitations. La chaleur latente est ensuite transportée en
direction des pôles et est libérée par condensation, en particulier aux latitudes
III 25
intermédiaires.
.Complication: La rotation de la Terre
La Terre aurait deux larges cellules de circulation
si elle n’était pas en rotation.
-- ex: Vénus (qui tourne très lentement)!
La Rotation de la Terre conduit à l’effet de Coriolis
La force de Coriolis dévie les vents (et tous les objets mobiles):
- vers la droite (par rapport à la direction originale du mouvement)
dans l’Hémisphère Nord
- vers la gauche (par rapport à la direction originale du mouvement)
dans l’Hémisphère Sud
A l’équateur l’effet est négligeable
Sens de rotation
de la Terre
Pôle Nord
Trajectoire réelle
déviée à droite
Trajectoire théorique
III
.
26Les alizés convergent vers les zones de basse pression de l’équateur, où l’effet
Coriolis est négligeable, en se déviant dans la direction E - O. C’est dans la
Zone de convergence tropicale (ZITC) que ces vents chauds et humides
s’élèveront et s’écarteront de l’équateur au sein de cellules de circulation.
Les deux grandes cellules de circulation dans chaque
hémisphère sont instables et brisées en plusieurs petites
cellules.
Credit: NASA
 
La Terre Fluide : Le cycle hydrologique

28L’eau est le plus important constituant
chimique du système Terre. C’est
également une molécule indispensable à
l’existence de la vie.
70 % de la surface de la Terre est
recouverte par les océans (eau liquide).
L’eau est présente sous forme solide au
niveau des pôles, la glace flottant soit sur
l’océan ou formant des glaciers de
plusieurs km d’épaisseur sur les
continents.
L’eau
est
également
abondamment
présente
dans
l’atmosphère, soit dans les nuages
(vapeur d’eau condensée) ou directement
sous forme gazeuse (vapeur d’eau).
III
.
29H 2 O
- U*** au sein du système Terre, entre autres parce que c’est la seule
substance existant naturellement sous forme solide, liquide et
gazeuse aux conditions de T et P de la surface terrestre.
- Passe facilement d’une phase à l’autre, ce qui favorise sa mobilité entre
les différents compartiments du système Terre.
- Joue un rôle primordial dans beaucoup de processus, tel que l’effet de
serre, l’albédo, l’altération des roches ou le transport d’éléments
essentiels à la vie (nutriments) au sein du système Terre
- L’eau constitue l’agent principal par lequel l’énergie et la matière
circulent entre les différents compartiments du système Terre.
III
.
30H 2 O: Transferts de phases et énergie
Energie absorbée
Figure 4.23
Energie libérée
Chaleur latente de
vaporisation: énergie
nécessaire pour convertir
l’eau liquide en vapeur
d’eau: 2260 kJ/kg à 100 °C
III
.
31L’eau au sein du système Terre est présente dans différents réservoirs:
- Océans (97 %): sous forme d’eau salée;
- Continents (3 %): en surface sous forme de calottes de glace polaire (>
2%), glaciers, neige, lacs, rivières et plus profondément sous forme d’eaux
souterraines. Ce dernier réservoir représente l’essentiel de l’eau
continentale restante. Il comprend l’ensemble de l’eau qui s’infiltre dans les
sols et les roches pour circuler sous la surface. La quantité d’eau stockée
dans les rivières, lacs et les sols est bien moindre puisqu’elle représente
moins de 1 % des eaux continentales (2/3 pour les lacs et réservoirs; 1/3
pour les sols et une fraction minime pour les rivières).
- Atmosphère (<0.001%): sous forme de vapeur d’eau et de nuages.
Les réservoirs et les mouvements d’eau entre ceux-ci caractérisent ce que
l’on appelle le cycle hydrologique
III
.
32Cycle hydrologique
III
.
33(3.1) Circulation océa*** de
surface
III
.
34La circulation atmosphérique dans la troposphère résulte principalement de
différences de température dues à une distribution latitudinale non-uniforme du
rayonnement solaire.
La surface des océans est également chauffée par le rayonnement solaire,
mais ce réchauffement conduit à une situation dynamique stable puisque ce
sont les couches supérieures qui sont chauffées (comme dans la stratosphère).
L’effet de température à lui seul ne peut donc conduire à un phénomène de
convection océa***.
Océan de surface (50-300 m)
3.5 % du volume total des océans
Océan profond
La circulation océa*** de surface ne résulte donc pas directement du
réchauffement des masses d’eau par le rayonnement solaire. L’effet est
indirect: la température de surface des océans influence la circulation
atmosphérique et la distribution globale des vents qui résulte de celle-ci
détermine à son tour la circulation océa*** de surface .
III
.
35Par effet de friction, le vent génère des mouvements d’eau
au sein de la couche de surface (typiquement 50-100 m). Un
schéma extrêmement simplifié de la circulation océa*** de
surface peut donc être obtenu sur base de la circulation
globale des vents en tenant compte du fait que la circulation
est ici limitée (les courants sont déviés) par les continents.
Les vents génèrent de larges structures circulaires
océa***s appelées gyres (ou gyres océa***s).
III
.
36Géométrie simplifiée
Basin océa***
60°
Westerlies
(Vents d’ouest)
30°
0°
Easterlies
(Vents d’est)
30°
Westerlies
(Vents d’ouest)
: Vent
60°
Continents
III
.
37Les courants océa***s forment de grandes GYRES
courant océa***:
60°
30°
0°
30°
60°
:vent
Gyre
III
.
38The subtropical gyres are shown in red. The subpolar gyres and the equivalent current in the southern
hemisphere in dark brown. Tropical currents are shown in orange. Note that the figure does not indicate the
strength of the current; western boundary currents are much stronger than all other currents.
http://www.es.flinders.edu.au/~mattom/IntroOc/notes/figures/fig2a2.html
III
.
39Traçage de la circulation océa***:
Distribution spatiale du phytoplancton
Le phytoplancton constitue un puits biologique du gaz carbo*** atmosphérique dans les océans.
http://www.ccpo.odu.edu/~arnoldo/ocean405/globalcolor.gif
III
.
40(3.2) Circulation océa***
profonde
III
.
41Quelles sont les causes de la
circulation océa*** profonde ?
• Résulte de différences de densité
• Quels sont les facteurs contrôlant la
densité de l’eau ?
- Température
- Salinité
III
.
42Composition chimique de l’océan global – salinité
Salinité: contenu en sel d’une masse d’eau. Les ions majeurs
sont les chlorures, le sodium, les sulfates le magnésium, le
calcium et le potassium. A l’exception du calcium, leurs
concentrations sont quasi constantes en différents points du
globe.
Dans l’océan ouvert, l’essentiel de la variabilité en composition
chimique est attribuable à l’utilisation de certains constituants
par les organismes marins.
III
.
43Table 5-1
III
.
44Apport de sels à l’eau de mer
Les sels contenus dans l’eau de mer proviennent principalement de
l’altération des roches crustales (roches de la croûte terrestre).
L’altération des roches est à la fois un processus physique et chimique.
En particulier, lorsque l’eau s’écoule sur ou au travers des roches, elle
emporte des matériaux solubles (ions). Les rivières transportent ensuite
une partie de ces ions solubles vers les océans.
Flux: 2.5-4 10 12 kg d’ions solubles par an
Les océans sont beaucoup plus salés que les rivières parce que
l’évaporation élimine l’eau sans emporter de sel, augmentant par là sa
concentration dans le réservoir marin. Comme indique par le cycle
hydrologique, une partie de l’eau douce évaporée retombe ensuite sur
les continents, puis est éventuellement (re)-transportée vers les océans
par les rivières. Cette eau altère à nouveau les roches et fournit un
apport supplémentaire de sel qui s’accumule progressivement dans
l’océan.
III
.
45Elimination du sel de l’eau de mer
Différents processus éliminent cependant le sel de l’eau de mer:
1 . Evaporation d’eau dans les mers peu profondes. Les sels restants
sont progressivement concentrés jusqu’à ce qu’ils précipitent
chimiquement sous forme de dépôts d’évaporites, tels que la halite
(NaCI) ou le gypse (CaSO 4 .2H 2 O).
Mer Morte, Israël. Dépôts de NaCl
III
.
46Paléo bassin évaporitiques
Carrière de Gypse, bassin parisien (Tertiaire)
Gypse
III
.
47Question: Quelle concentration en Na + et Cl - doit-t-on atteindre avant précipitation
chimique? Déterminons la solubilité de la halite (NaCl) dans l’eau pure
REACTION: NaCl(s) = Na + (aq) + Cl - (aq)
THERMODYNAMIQUE: K halite = a Na+ x a Cl- = [Na + ] x [Cl - ]
1) Constante d’équilibre: K halite = 10 1.5855 à 25°C et 1 atm [ln K halite = - (DG of )/RT]
2) Sur base de la stoechiométrie de la réaction, nous avons: [Na + ] = [Cl - ]
3) Concentration en Na + et Cl - (en moles/kg) avant d’atteindre la saturation en halite:
[Na + ] = [Cl - ] = (10 1.5855 ) 1/2 = 6.2 moles/kg
4) Masse Molaire: Na + = 23 g/mol
Cl - = 35.45 g/mol
5) Concentration en Na + et Cl + (en g/kg) avant d’atteindre la saturation en halite:
[Na + ]: 23 x 6.2 = 142.6 g/kg [Cl - ]: 35.45 x 6.2 = 219.6 g/kg
6) Ces concentrations sont beaucoup plus élevées que celles mesurées dans l’océan.
Celui-ci est donc sous-sature en halite ....
7) En réalité, le calcul pour l’eau de mer est un peu plus compliqué !
III
.
48Elimination du sel de l’eau de mer
Différents processus éliminent cependant le sel de l’eau de mer :
2 . Processus biologiques. Certains organismes utilisent les éléments
chimiques tels le calcium (Ca) ou le silicium (Si) pour former leurs
coquilles, une partie pouvant ensuite être déposée dans les sédiments
des fonds océa***s.
Falaises d’Etretat
Coccolithophoridés (CaCO 3 )
- Actuel
Coccolithophoridés (CaCO 3 )
Falaises de Craie - Crétacé
III
.
49Elimination du sel de l’eau de mer
Différents processus éliminent cependant le sel de l’eau de mer :
3. Réactions chimiques entre l’eau de mer et les roches volca***s se
formant sur les fonds océa***s.
Pillow lavas flows
III
.
50Elimination du sel de l’eau de mer
Différents processus éliminent cependant le sel de l’eau de mer :
4 . Formations d’aérosols marins. De petites gouttes d’eau de mer sont
emportées par l’atmosphère, éliminant des ions tels que Na + ou Cl - par
déposition sur le continent
III
.
51Contenu en sel de l’eau de mer et ‘âge de la Terre’
A l’échelle des temps géologiques (millions d’années), le sel
est éliminé de l’eau de mer à un taux essentiellement égal à
son taux d’apport. En d’autres mots, la composition chimique
des océans n’est pas le résultat d’un apport continu en sel,
mais résulte d’un équilibre dynamique entre flux d’apport et de
consommation.
Notons qu’en 1715, Halley proposa de calculer l’âge de la
Terre en utilisant l’apport annuel en sel et son contenu
océa***. Sur base des estimations actuelles, l’âge de la
Terre ne serait que de 13 millions d’années !
Les variations spatiales de salinité à l’échelle régionale
résultent de différences entre évaporation et précipitation; gel
et fusion de glace ou encore d’apports importants en eaux
III
douces.
.
52Quelles sont les causes de la
circulation océa*** profonde ?
• Résulte de différences de densité
• Quels sont les facteurs contrôlant la
densité de l’eau ?
III
.
53• Température
• Salinité
En général, la densité (r) augmente lorsque la température (T) diminue et la salinité
(S) augmente. Leur distribution dans l’océan conduit à une structure verticale stable
Structure verticale stable:
- Limite les mouvements verticaux (pas ou peu de convection). La circulation dans l’océan
profond est principalement horizontale.
- Isole les eaux profondes (80 % du volume sous la pycnocline) des changements dans la couche
bien mélangée de surface.
- Thermocline, halocline et pycnocline sont les zones où de forts gradients de T, S et r sont
observés
III 54
.Formation d’eau profonde
Atlantique
Des eaux froides sont présentes en surface aux
hautes latitudes dans l’Atlantique Nord et en
bordure de l’Antarctique.
III
.
55La formation d’eau profonde a lieu en deux endroits spécifiques (NADW, en bordure
de Groenland et AABW dans la Mer de Weddell ). Dans ces zones, l’évaporation et la
formation de glace de mer augmentent encore la densité des eaux de surface. Celles-
ci peuvent occasionnellement devenir plus denses que les eaux sous-jacentes. Elles
plongent alors vers les fonds océa***s pour s’écouler ensuite en tant qu’eaux
profondes dans l’entièreté des océans, générant la circulation thermohaline.
Antarctic Bottom Water (AABW)
*
*
North Atlantic Deep Water (NADW)
III
.
56Cycle global de la circulation thermohaline
Les eaux profondes peuvent remonter graduellement (et
lentement) vers la surface un peu partout dans l’océan, mais
plus particulièrement dans des zones d’upwellings. Elles
circulent ensuite à nouveau en surface en direction des
hautes latitudes, formant ainsi un cycle global de circulation
thermohaline (‘Conveyor Belt’). Cette circulation, principa-
lement horizontale, est générée par les variations de densité
des masses d’eau.
Upwelling: Phénomène physique par lequel des eaux profondes froides
remontent pour remplacer des eaux chaudes de surface qui sont
poussées vers le large par une interaction complexe entre le vent et les
courants. Ces zones d’upwelling ou de divergence sont particulièrement
bien établies le long des bords ouest des continents.
III
.
57Circulation thermohaline
IPCC, 2001
III
.
58Traçage de l’âge des eaux profondes:
III
.
59Age des eaux profondes
= temps durant lequel l’eau n’est pas en contact avec la surface
En années
Plus vieilles
masses d’eau
300
1700
1200
1500
600
300
Vitesse des courants profonds: circa 1 km/jour
IPCC, 2001
III
.
60Circulation océa*** et climat
La circulation océa*** a une influence profonde sur les températures du globe.
Le transport d’eau chaude par les courants de surface en direction des pôles, pour
remplacer l’eau profonde qui s’y forme, transfère environ la même quantité de
chaleur que la circulation atmosphérique
III
.
61Circulation océa*** et climat
Toute modification de la circulation thermohaline, dont
l’échelle de temps caractéristique est le millénaire, peut avoir
une influence profonde sur le climat.
III
.
62Circulation océa*** et climat
• Question: La circulation thermohaline a-t-elle été interrompue?
– Durant la ‘Younger Dryas Period’ (circa 1000 ans) à la fin de
l’âge glaciaire, suite à l’apport massif d’eau douce (donc peu
dense) générée par la fonte de la calotte glaciaire Laurentide
...
Younger Dryas
III
.
63Circulation océa*** et climat
• Question: Cela pourrait-t-il se reproduire
dans un futur proche?
– Peut-être!, dû à l’effet combiné d’une
pluviosité accrue en Atlantique Nord et de
l’apport d’eau de fonte des glaciers du
Groenland
– Dans certaines simulations climatiques, la
circulation thermohaline s’interromprait dans
environ 75 ans!
III
.
64Circulation océa*** et climat
Crétacé (100 millions d’années) ...
Paléogéographie
Paléoclimat
III
65
Ruddiman (from Barron and Washington,
. 1985)Circulation océa*** et climat
Crétacé (100 millions d’années) ...
Ruddiman (from Barron and Washington, 1985)
paléocirculation
La circulation thermohaline fonctionnait-elle en sens inverse ?
III
.
66
 

Thème 2 :

Sommaire :

1.

1.1

1.2

2.

3.

3.1

3.2

3.3

4.

4.1

4.2

4.3