Thème 1 : Science, climat et société

Sommaire du thème en bas.

En juin 2022, les normales saisonnières (références climatiques) 1991-2020 remplacent celle de 1981-2010.

Une nouvelle science, la science climatique

La science climatique est née il y a deux siècles avec Joseph Fourier (1768-1830). Il s’interroge sur l’équilibre de la Terre. Qu’est-ce qui détermine sa température moyenne de sa surface ? Il imagine que l’atmosphère joue un rôle essentiel dans cet équilibre. C’est à Grenoble qu’il conduit des expériences sur la diffusion de la chaleur, qui lui permettront de modéliser l’évolution de la température au travers de séries trigonométriques. Ces travaux — compilés dans un mémoire qu’il présente à l’Académie des sciences en 1811 — qui apportent une grande amélioration à la modélisation mathématique de phénomènes, contribueront aux fondements de la thermodynamique.

Il est probablement l’un des premiers à avoir proposé, en 1824, une théorie selon laquelle les gaz de l’atmosphère terrestre augmentent la température à sa surface — c’est une première ébauche de l’effet de serre. Ses travaux sur la chaleur le poussèrent à étudier les équilibres énergétiques sur les planètes : elles reçoivent l’énergie sous forme de rayonnement à partir d’un certain nombre de sources — ce qui augmente leur température — mais en perdent également par radiation infrarouge (ce qu’il appelait « chaleur obscure ») d’autant plus que la température est élevée — ce qui tend à diminuer cette dernière. On atteint donc un équilibre, et l’atmosphère favorise les températures plus élevées en limitant les pertes de chaleur.

Après lui, cette idée d’effet de serre sera poursuivit tout au long du 19eme siècle.

Au début du 20eme siècle Svante Arrhenius (1859-1927), est le pionnier de l’étude de l’effet de l’augmentation du dioxyde de carbone dans l’atmosphère sur le climat et sur l’effet de serre. Il émet l’idée que ce gaz a une certaine capacité à absorber les infra rouges émis par la terre. Ce gaz protège la Terre d’une température trop basse qu’elle aurait en absence d’atmosphère.

Du scientifique au politique

Les recherches progressent au 20eme siècle et aboutissent en 1979 à un résultat fondamental : l’académie des sciences  aux États Unis publient le rapport Charney. Ce rapport explique que l’équilibre thermodynamique de la Terre est extrêmement sensible à la quantité de CO2 contenu dans l’atmosphère. En évaluant la quantité total de ce gaz émis par combustion, on peut calculer une augmentation substantielle  de la température au rythme de la croissance et de la consommation de carburant. Cette projection de l’avenir est confirmée aujourd’hui.

A cette même époque, l’observation spatiale de la Terre est possible grâce aux satellites équipées d’ordinateurs qui peuvent récupérer des données sur une grande période de temps. Il devient possible à la fin du 20 eme siècle de parler du climat global de la Terre sans acception aux climats régionales, tempérés, tropicales dont on parlait au 20 ème siècle.

Nous entrons dans le 21eme siècle, le climatologue Neerlandais, Paul Crutzen (prix nobel de chimie en 1995) propose de donner comme nom à cette nouvelle époque, d’anthropocène : ère où les êtres humains ont un impact global sur notre planète. La science climatique doit continuer à progresser très vite portant sur son passé et sur ses indicateurs :

• utiliser les bulles d’air fossiles emprisonnées dans les glaces antarctiques
• utiliser les données du climat présent prises par satellites
• projeter le climat futur grâce aux modélisations.

La préoccupation climatique devient sociétale et politique. En 1988, création d’un groupe intergouvernemental pour l’étude du climat, le GIEC. Il collecte l’ensemble des travaux fait dans le monde pour en faire une synthèse des probabilités d’évolutions : évolution du niveau de la mer, l’intensité des évènements extrêmes, la fusion des glaces de l’arctique. Tous les 5 ou 6 ans, ils produisent des rapports sur l’évolution des connaissances. Une élévation globale de la température est à envisager.

En quoi 1 degrés ou 3 degrés peut-il changer quelque chose ?

La Terre est un système très complexe dans lequel des sous systèmes, l’océan, la biosphère, l’atmosphère et la lithosphère,  interagissent en permanence en échangeant de la matière et de l’énergie. L’équilibre de ce système Terre est fragile. De petites perturbations peuvent le changer de manière profonde en l’amplifiant.

Un autre système en équilibre est le corps humain. 37 °C c’est la santé. 2 degrés de plus c’est la fièvre et 4 degrés de plus c’est la mort.

La source de ses variations thermiques de la Terre est dû au dioxyde de carbone produit par l’humanité. Jamais cet équilibre n’a été perturbé aussi rapidement (150 ans).

Atténuation et adaptation : société décarbonée et gestion des risques

Pour évaluer l’impact de ses changements avenir, le GIEC a introduit l’adaptation et l’atténuation. Il faut inclure la démographie, l’économie, la capacité de l’industrie à réagir aux besoins énergiques.

Si certains éléments climatiques sont inéluctables, il faut s’y préparer pour s’adapter aux risques qu’ils entrainent. La vie d’une forêt s’étend sur un siècle. Les forestiers préparent nos forêts à des étés avec des températures supérieures à 50 °C.

Puisque le CO2 est la cause de tous nos malheurs, trouvons d’autres solutions pour produire de l’énergie. L’énergie la plus flexible à l’usage mais la plus difficile à stocker, est celle que fournit électricité. Cette atténuation doit nous aider soit à accroitre moins vite nos besoins, ou produire cette énergie nécessaire de manière décarbonée.

Nous avons guère de temps. Les échéances sont à 2 ou 3 décennies. Les transformations sont urgentes.

Nous dépendons de chose qui dépendent de nous (Michel Serre). Nous sommes entrés dans l’anthropocène.

La jeunesse attend beaucoup de ses enseignants

Pour faire face aux changements climatiques, chacun sait que des changements considérables de changements de vie et de productions seront nécessaire. Les 8 milliards de personnes le subiront très inégalement. Les pays développés ont des chances de pouvoir s’adapter mais les 3 milliards d’êtres humains les plus pauvres souffrent déjà et souffriront davantage de ce changement.

L’accord de Paris de 2015 nous a fait franchir une étape importante, celle de la prise de conscience par les systèmes éducatifs du monde et ce qui nous rassemble aujourd’hui.

Des enquêtes dans les pays développés montrent trois points importants :

• la connaissance de la science climatologique par les jeunes est très rudimentaire.
• elle sous estime souvent le consensus scientifique qui sous tend ses affirmations climatiques
• ils font autant confiance à leur professeur qu’aux réseaux socios

Ces jeunes, réunis en 2015 par le GIEC, demandaient plus de pensée et de solution en profondeur en éducation.

4 objectifs de ce thème :

• comprendre la science de manière rationnel pour être capable de comprendre l’actualité
• comprendre comment fonctionne le processus scientifique et comment il permet d’établir des énoncés solides dans lesquels ont pu avoir confiance, par l’esprit critique, par le rôle de la preuve le GIEC.
• Si nous laissons se développer la solastalgie ( éco-anxiété est une forme de souffrance et détresse psychique ou existentielle causée par exemple par les changements environnementaux actuels et attendus) avec cette projection climatique sombre, comment une jeunesse pourrait-elle s’y trouver un avenir ? Devenu adulte, toute son intelligence, toute son énergie, ne seront pas de trop pour construire la société carbonée de demain.Dans l’histoire récente, la construction de l’Europe après guerre, la conquête spatiale, ont mobilisé la jeunesse en utilisant l’intelligence collectives. Le but est que ce cours vous donne des pistes, des connaissances pour que vous n’ayez pas un sentiment d’impuissance pris entre l’espace minuscule de l’individu et l’immensité du problème global.
• Comprendre les enjeux sociétales et qu’une certaine solidarité doit se mettre en place.

 

Pierre Léna, académicien des Sciences, cofondateur de La Main à la pâte, président du comité stratégique de l’OCE (Office for Climate Education)

 

1.1 L’atmosphère terrestre et la vie

• Séance 1 : Composition de l’atmosphère primitive
• Séance 2 : Production d’O2 et indices fossiles
• TP 1 : Observation microscopique de cyanobactéries
• Séance 3 : Cycle du carbone
• TP2 : Mise en évidence expérimentale des mouvements de CO2 entre certains réservoirs

1.2 La complexité du système climatique

• Séance 4 : Climat et météorologie
• Séance 5 : indicateurs des climats passés et actuels (1)
• TP : Identifier des traces de climats passés
• Exercice d’application : le glacier de Franz Joseph
• Séance 6 : indicateurs des climats passés et actuels (2)

 

1.3 Le climat du futur

1.4 Énergie, choix de développement et futur climatique

 

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Depuis un siècle et demi, on mesure un réchauffement climatique global (environ +1°C). Celui-ci est la réponse du système climatique à l’augmentation du forçage radiatif (différence entre l’énergie radiative reçue et l’énergie radiative émise) due aux émissions de gaz à effet de serre (GES) dans l’atmosphère : CO₂, CH₄, N₂O et vapeur d’eau principalement.

Lorsque la concentration des GES augmente, l’atmosphère absorbe davantage le rayonnement thermique infrarouge émis par la surface de la Terre.

En retour, il en résulte une augmentation de la puissance radiative reçue par le sol de la part de l’atmosphère.

Cette puissance additionnelle entraîne une perturbation de l’équilibre radiatif qui existait à l’ère préindustrielle.

L’énergie supplémentaire associée est essentiellement stockée par les océans, mais également par l’air et les sols, ce qui se traduit par une augmentation de la température moyenne à la surface de la Terre et la montée du niveau des océans.

L’évolution de la température terrestre moyenne résulte de plusieurs effets amplificateurs (rétroaction positive), dont :

• l’augmentation de la concentration en vapeur d’eau (gaz à effet de serre) dans l’atmosphère ;
• la décroissance de la surface couverte par les glaces et diminution de l’albédo terrestre ;
• le dégel partiel du permafrost provoquant une libération de GES dans l’atmosphère.

L’océan a un rôle amortisseur en absorbant à sa surface une fraction importante de l’apport additionnel d’énergie. Cela conduit à une élévation du niveau de la mer causée par la dilatation thermique de l’eau. À celle-ci s’ajoute la fusion des glaces continentales.

Cette accumulation d’énergie dans les océans rend le changement climatique irréversible à des échelles de temps de plusieurs siècles.

À court terme, un accroissement de la végétalisation constitue un puits de CO₂ et a donc un effet de rétroaction négative (stabilisatrice).

 

1.3 Le climat du futur

L’analyse du système climatique, réalisée à l’aide de modèles numériques, repose sur des mesures et des calculs faisant appel à des lois physiques, chimiques, biologiques connues. Assorties d’hypothèses portant sur l’évolution de la production des gaz à effet de serre, les projections issues de ces modèles dessinent des fourchettes d’évolution du système climatique au XXIe siècle.

Les modèles climatiques s’appuient sur :

• la mise en équations des mécanismes essentiels qui agissent sur le système Terre ;
• des méthodes numériques de résolution.

Les résultats des modèles sont évalués par comparaison aux observations in situ et spatiales ainsi qu’à la connaissance des paléoclimats.

Ces modèles, nombreux et indépendants, réalisent des projections climatiques. Après avoir anticipé les évolutions des dernières décennies, ils estiment les variations climatiques globales et locales à venir sur des décennies ou des siècles.

L’analyse scientifique combinant observations, éléments théoriques et modélisations numériques permet aujourd’hui de conclure que l’augmentation de température moyenne depuis le début de l’ère industrielle est liée à l’activité humaine :

• CO₂ produit par la combustion d’hydrocarbures, la déforestation, la production de ciment ;
• CH₄ produit par les fuites de gaz naturel, la fermentation dans les décharges, certaines activités agricoles.

Les modèles s’accordent à prévoir, avec une forte probabilité d’occurrence, dans des fourchettes dépendant de la quantité émise de GES :

• une augmentation de 1,5 à 5°C de la température moyenne entre 2017 et la fin du XXIe siècle ;
• une élévation du niveau moyen des océans entre le début du XXIe siècle et 2100 pouvant atteindre le mètre ;
• des modifications des régimes de pluie et des événements climatiques extrêmes ;
• une acidification des océans ;
• un impact majeur sur les écosystèmes terrestres et marins.

 

1.4 Énergie, choix de développement et futur climatique

La consommation mondiale d’énergie fait majoritairement appel aux combustibles fossiles, principale cause du réchauffement climatique. Il est donc essentiel d’identifier, pour toute activité, individuelle ou collective, ou tout produit, l’impact sur la production de gaz à effet de serre. L’identification d’autres effets collatéraux, notamment sur la santé, est importante. Les différents scénarios de l’évolution globale du climat dépendent des stratégies que l’humanité mettra en œuvre.

L’énergie utilisée dans le monde provient d’une diversité de ressources parmi lesquelles les combustibles fossiles dominent.

http://philippe.cosentino.free.fr/productions/petrole/

La consommation en est très inégalement répartie selon la richesse des pays et des individus.

La croissance de la consommation globale (doublement dans les 40 dernières années) est directement liée au modèle industriel de production et de consommation des sociétés.

En moyenne mondiale, cette énergie est utilisée à parts comparables par le secteur industriel, les transports, le secteur de l’habitat et dans une moindre mesure par le secteur agricole.

Les énergies primaires sont disponibles sous forme de stocks (combustibles fossiles, uranium) et de flux (flux radiatif solaire, flux géothermique, puissance gravitationnelle à l’origine des marées).

La combustion de carburants fossiles et de biomasse libère du dioxyde de carbone et également des aérosols et d’autres substances (N₂O, O₃, suies, produits soufrés), qui affectent la qualité de l’air respiré et la santé.

L’empreinte carbone d’une activité ou d’une personne est la masse de CO₂ produite directement ou indirectement par sa consommation d’énergie et/ou de matière première.

Les scénarios de transition écologique font différentes hypothèses sur la quantité de GES émise dans le futur.

Ils évaluent les changements prévisibles, affectant les écosystèmes et les conditions de vie des êtres humains, principalement les plus fragiles.

Les projections fournies par les modèles permettent de définir les aléas et peuvent orienter les prises de décision. Les mesures d’adaptation découlent d’une analyse des risques et des options pour y faire face.

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Sources :

Annales de physique et de chimie -1924 page 136- REMARQUES GENERALES sur les Températures du globe terrestre et des espaces planétaires.

Article du Monde : Dès 1979, le rapport Charney annonçait le réchauffement climatique.

Enseignement spiralaire