Logiciel Simclimat : suggestions d'exploitation pédagogique en classe

 

Classe concernée
Terminale S  spécialité SVT

Textes de référence
•   Bulletin officiel spécial n° 8 du 13 octobre 2011
Thème 2 Enjeux planétaires contemporains
Atmosphère, hydrosphère, climats du passé à l'avenir
•    B2i Lycée
L.3.5 Je sais produire une représentation graphique à partir d'un traitement de données numériques
L.3.6 Dans le cadre de mes activités scolaires, je sais repérer des exemples de modélisation ou de simulation et je sais citer au moins un paramètre qui influence le résultat.


Compétences  
L.3.6 Dans le cadre de mes activités scolaires, je sais repérer des exemples de modélisation ou de simulation et je sais citer au moins un paramètre qui influence le résultat.

Les acquis
Les mécanismes astronomiques agissant sur les climats ont été étudiés

Problématique
Comment peut-on expliquer les variations climatiques passées sur de grandes échelles de temps ?

Situation initiale
On cherche à comprendre les variations climatiques entre le Carbonifère où il y a eu des phénomènes importants de glaciations et le Crétacé supérieur où le climat était beaucoup plus chaud.
Au Carbonifère les forêts étaient très développées (gisements de charbon abondants) et les calottes glaciaires s'étendaient sur de grandes surfaces tandis qu'au Crétacé supérieur les océans recouvraient de nombreux continents et les fossiles marins comme les coraux attestent de mers chaudes.
Actuellement le climat se réchauffe et on attribue ce phénomène en partie à une augmentation de la concentration en CO₂.

Hypothèse
 Le CO₂  peut être responsable des variations climatiques de ces deux  périodes géologiques.

Question
Comment le CO₂  peut- il agir sur le climat sur de grandes échelles de temps ?

Activité 1 : Rôle du CO₂

1.    Régler la durée de simulation sur 2000 ans et valider.
2.    Dans l'onglet Paramètres Rubrique « Concentrations ou émissions de CO2 », cliquer sur « fixer la concentration en CO₂».
3.    Faire varier la concentration de CO₂  en déplaçant le curseur vers la droite.
4.    Nommer la simulation « le monde avec x ppm de CO₂ ».
5.    Lancer la simulation.
6.    Changer la concentration et recommencer.
7.    Superposer une nouvelle simulation..
8.    Lancer la simulation.
9.    Comparer les simulations et conclure sur le rôle du CO₂

Activité 2 : Rôle du volcanisme

Faire les mêmes simulations que dans l'activité 1 mais en faisant varier l'intensité du volcanisme en observant bien l'évolution des calottes glaciaires et de la concentration en CO₂.

Activité 3 : Rôle de l'altération continentale

1.    Régler la durée sur 50 000 ans.
2.    Aller dans l'onglet Concentration ou émissions de CO₂ et régler les émissions anthropiques à 0.
3.    Faire une première simulation avec l'état du monde en 1750 qui servira de référence.
4.    Aller dans l'onglet Concentration ou émissions de CO₂  et  doubler l'altération continentale.
5.    Lancer la simulation.
6.    Recommencer avec différentes valeurs.
7.    Conclure sur le rôle de l'altération continentale.

Activité 4 : Rôle du stockage biologique

1.    Garder la même durée que dans l'activité 2.
2.    Faire des simulations avec différentes valeurs de stockage.
3.    Conclure.

Réaliser une synthèse en mettant en relation les résultats des 4 activités.

 

Classe concernée : Terminale S  spécialité SVT

Textes de référence
•    SVT TS enseignement de spécialité - BO hors série n°5 volume 10 du 30 août 2001
Thème 1 - Du passé géologique à l'évolution future de la planète
•    B2i Lycée
L.3.5 Je sais produire une représentation graphique à partir d'un traitement de données numériques
L.3.6 Dans le cadre de mes activités scolaires, je sais repérer des exemples de modélisation ou de simulation et je sais citer au moins un paramètre qui influence le résultat.


Compétences  
L.3.6 Dans le cadre de mes activités scolaires, je sais repérer des exemples de modélisation ou de simulation et je sais citer au moins un paramètre qui influence le résultat.


Les acquis
Les mécanismes astronomiques agissant sur les climats ont été étudiés.

Problématique
Comment peut-on expliquer les variations climatiques passées sur des échelles de temps courtes ?

Situation initiale
On cherche à comprendre les variations climatiques sur des échelles de temps entre 2000 et 10 000 ans.

Hypothèse
Les paramètres astronomiques ont varié au cours du temps.

Questions : Comment agissent les différents facteurs astronomiques au niveau du climat ?

Activité : Réaliser des simulations en faisant varier les différents paramètres astronomiques.
        
Rédiger la conclusion de vos différentes simulations.

Si l'élève a bien compris la manipulation du logiciel on peut le laisser en autonomie faire varier les différents paramètres (excentricité, obliquité et effet de la précession).
 

 

Classe concernée
Terminale S  spécialité SVT

Textes de référence
•    SVT TS enseignement de spécialité - BO hors série n°5 volume 10 du 30 août 2001
Thème 1 - Du passé géologique à l'évolution future de la planète
•    B2i Lycée
L.3.5 Je sais produire une représentation graphique à partir d'un traitement de données numériques
L.3.6 Dans le cadre de mes activités scolaires, je sais repérer des exemples de modélisation ou de simulation et je sais citer au moins un paramètre qui influence le résultat.

Compétences  
L.3.6 Dans le cadre de mes activités scolaires, je sais repérer des exemples de modélisation ou de simulation et je sais citer au moins un paramètre qui influence le résultat.

Les acquis
Les mécanismes astronomiques agissant sur les climats ont été étudiés.

Problématique
Comment l'albédo agit-il sur le climat ?

Situation initiale
On cherche à comprendre comment la nature des sols en surface peut agir sur les climats.

Hypothèse
L'étendue de la calotte glaciaire peut modifier le bilan radiatif.

Question
Comment l'albédo peut- il agir sur le climat ?

Activité
Réaliser des simulations en faisant varier l'albédo.
Conclure.
        
Après avoir traité les trois problématiques, rédiger une synthèse des différents facteurs pouvant agir sur le climat. 

 

Le climat de ces 700 000 dernières années est caractérisé par une alternance de périodes glaciaires et interglaciaires avec une rythmicité de l'ordre de 100 000 ans. Le rythme de ces variations est d'origine astronomique. Ces variations sont amplifiées par des processus faisant intervenir le CO₂ et l'albédo.
A partir d'une situation témoin, le monde en 1750 où l'atmosphère n'était pas encore perturbée par les émissions anthropiques, nous allons tester un à un l'influence des paramètres orbitaux.  

Sur la page d'accueil, choisir «Le monde en 1750», la durée : 100 000 ans. Valider.
Choix des paramètres :
Les paramètres astronomiques. Les choisir un à un. Les valeurs qui s'affichent par défaut correspondent à la situation actuelle.

 

La concentration ou les émissions de CO₂. Choisir « Fixer les sources et les puits de CO₂ ». La concentration de CO₂ sera alors calculée automatiquement par le modèle. Les valeurs au temps t0 qui s'affichent par défaut sont résumées dans le tableau ci-dessous :

 Aux grandes échelles de temps, l'altération continentale équilibre le volcanisme. L'émission de CO₂ en Gt/an est donc nulle.

Les rétroactions climatiques : Choisir un à un les différents paramètres. Par défaut, le logiciel autorise toutes les rétroactions.

Le nom de la simulation s'affiche automatiquement en bas : « Le monde en 1750 ». Il peut éventuellement être changé.
Cliquer sur «Lancer».  Les résultats sont  sous forme de graphiques. Voir les courbes rouges ci-dessous. On constate que tous les paramètres sont constants. Les valeurs sont celles de l'époque préindustrielle :
  

On constate que le climat est en équilibre.
Par comparaison avec la situation caractérisée précédemment, le monde en 1750, faisons varier un à un chacun des paramètres orbitaux en maximum et en minimum.
 

 

Pour superposer les courbes, il suffit de cliquer sur « nouvelle simulation ». Cela permet un retour sur la page d'accueil.  Valider en conservant les mêmes conditions que précédemment : même état initial, même durée de simulation.
   
•    L'obliquité
L'inclinaison de l'axe de rotation de la Terre par rapport à la perpendiculaire au plan de l'écliptique passe d'un angle de 21,8 ° à 24,4 ° selon une période de 41 000 ans. L'angle est actuellement de 23,5 ° (23 °27 ').

1.    Sur la page d'accueil, conserver la simulation  témoin en validant «Le monde en 1750» et la durée de 100 000 ans.
2.    Choix des paramètres. Tous les paramètres choisis précédemment s'inscrivent par défaut. Ne modifier que l'obliquité dans les  paramètres astronomiques. Choisir «obliquité : valeur  minimale».
3.    Changer en bas le nom de la simulation. Par exemple «obliquité minimale». Lancer. Les résultats s'affichent.
4.    Suivre le même protocole mais en affichant cette fois «obliquité maximale».

Résultats :

Un maximum d'obliquité conduit à un climat plus chaud que l'actuel, un minimum à un climat plus froid.
La variation de l'obliquité ne modifie pas l'insolation globale mais entraîne une variation de la distribution de l'énergie solaire selon la latitude. Plus l'axe des pôles se rapproche de la perpendiculaire au plan de l'écliptique plus le contraste est grand entre les quantités d'énergie reçues aux pôles et  à l'équateur. Cette situation favorise une glaciation : les grandes quantités de vapeur d'eau équatoriales alimentent en glace les calottes polaires. Les saisons d'autre part sont moins contrastées : les étés sont moins chauds et les hivers moins froids. La neige accumulée durant l'hiver n'a pas le temps de fondre complètement durant l'été. Elle s'accumule d'une année sur l'autre favorisant l'englacement.

•    L'excentricité
L'orbite de la Terre passe très lentement en 100 000 ans d'un cercle (excentricité nulle) à une ellipse légèrement aplatie (excentricité maximale de 6 %).

1.    Supprimer tout. Nouvelle simulation. Valider les paramètres précédents  concernant la simulation  témoin  « à partir de 1750 » « durant 100 000  ans ».
2.    Superposer une nouvelle simulation. Choix des paramètres- paramètres astronomiques- excentricité : maximale.
3.    Troisième simulation. Choix des paramètres- paramètres astronomiques- excentricité : minimale.

Une faible excentricité conduit à un réchauffement, alors qu'une forte excentricité induit par rapport à l'actuel un refroidissement. Dans sa position actuelle la Terre est la plus éloignée du Soleil durant l'été, saison chaude  de l'hémisphère nord.
L'excentricité minimale correspond à une orbite de la Terre circulaire et donc à un flux solaire global constant au cours de l'année, ce qui n'est pas le cas lorsque cette orbite est une ellipse. Pour la valeur maximale de l'excentricité, de l'aphélie au périhélie  la distance  Terre-Soleil diminue de 13 % et la quantité d'énergie reçue globalement par la Terre augmente de 30 %. Mais ce qu'il faut prendre en compte est la quantité d'énergie reçue par unité de temps. Or le déplacement de la Terre est plus rapide au périhélie qu'à aphélie. Cette différence de vitesse compense la différence de distance par rapport au Soleil. En fait les paramètres orbitaux interagissent et leurs effets, soit s'ajoutent, soit se compensent. Notamment l'excentricité combinée à la précession peut avoir un rôle très important.

•    La précession des équinoxes

L'axe de rotation de la Terre décrit un cône autour de la perpendiculaire au plan de l'écliptique dans le sens inverse des aiguilles d'une montre en 26 000 ans. Ce mouvement est combiné à un mouvement de rotation de l'orbite terrestre. La conséquence de ces mouvements est que l'équinoxe d'une année précède d'environ  25 minutes celui de l'année suivante.

1.    Supprimer tout. Nouvelle simulation. Valider les paramètres précédents  concernant la simulation  témoin : « à partir de 1750 », « durant 100 000  ans ».
2.    Superposer une nouvelle simulation. Choix des paramètres- paramètres astronomiques - précession  minimale = 90°.
3.    Troisième simulation. Choix des paramètres- paramètres astronomiques- précession : maximale= 270°.

Résultats :

 Une précession maximale conduit à un climat chaud. La valeur actuelle 102,7 ° est proche de la valeur minimale 90°. Ce qui explique la proximité des résultats entre la valeur témoin et le minimum de précession. L'angle mesuré est celui entre l'équinoxe d'automne et le périhélie (point où la Terre est la plus proche du Soleil). Quand la valeur angulaire est faible, la Terre est le plus près du Soleil lors de l'hiver de l'hémisphère nord. C'est le cas actuellement. Les saisons au nord sont alors peu contrastées. La calotte glaciaire n'a pas le temps de fondre durant les étés tièdes et la glace s'accumule au pôle. Inversement, quand l'angle vaut 270 °, le solstice d'été a lieu au périhélie, ce qui favorise la fonte de la glace.
Dans la réalité, les trois paramètres orbitaux se combinent et la quantité d'énergie reçue par la Terre par unité de surface à un moment donné dépend de la combinaison de ces trois paramètres. Nous allons par exemple tester simultanément les effets combinés de l'excentricité et de la précession.

•    Combinaison de l'excentricité et de la précession

1.    Supprimer tout. Nouvelle simulation. Valider les paramètres précédents  concernant la simulation  témoin : « à partir de 1750 », « durant 100 000  ans ».
2.    Superposer une nouvelle simulation.
Choix des paramètres- paramètres astronomiques-  excentricité : maximale- précession : maximale
3.    Nouvelle simulation
Choix des paramètres- paramètres astronomiques - excentricité : maximale- précession : minimale
4.    Nouvelle simulation
Choix des paramètres- paramètres astronomiques - excentricité : minimale- précession : maximale
5.    Nouvelle simulation
Choix des paramètres- paramètres astronomiques - excentricité : minimale- précession : minimale

On constate que la seule combinaison qui conduit à une baisse de la température par rapport à l'actuel et à une augmentation des calottes polaires est l'excentricité maximale combinée à la précession minimale, c'est-à-dire une situation hivernale dans l'hémisphère nord quand la Terre est la plus proche du Soleil donc des saisons peu contrastées.

Ainsi les modifications des paramètres orbitaux au cours du temps entraînent-elles des variations rythmiques de l'énergie solaire  reçue par la Terre qui sont à l'origine de l'alternance de périodes glaciaires et interglaciaires. Ces variations seraient inefficaces si elles n'étaient amplifiées.

 

Nous étudierons deux exemples, le rôle de l'albédo et du dioxyde de carbone.

•    L'albédo de la glace

Nous avons vu qu'une faible obliquité était un facteur favorable à l'entrée en période glaciaire. Comment l'albédo intervient-il dans ce processus ?
Après avoir choisi une obliquité minimale, testons les deux possibilités : avec ou sans la rétroaction positive de l'albédo.
1.    Réaliser une nouvelle simulation  à partir de 1750 durant 40 000 ans.
Choisir l'obliquité minimale.
Dans « Rétroactions climatiques», désactiver la rétroaction de l'albédo. La choisir à 33, c'est-à-dire comme actuellement.
2.    Superposer une nouvelle simulation.
Choisir l'obliquité minimale.
Réactiver la rétroaction de l'albédo.

Résultats :

 Lorsque l'obliquité est au minimum, et la rétroaction de l'albédo non activée, la température reste constante : ceci est en accord avec le fait qu'un changement d'obliquité ne modifie pas l'insolation globale. Cependant  les calottes glaciaires augmentent de volume et le niveau de la mer baisse. La faible obliquité augmente l'énergie solaire  reçue à l'équateur et la diminue aux pôles.
Lorsque la rétroaction de l'albédo est rebranchée, on observe une baisse très nette de la température, une augmentation importante du volume des calottes polaires et de la baisse du niveau de la mer : 37 m au lieu de 6. Le phénomène de glaciation amorcé par la modification de l'obliquité s'est emballé sous l'effet de la rétroaction positive  de l'albédo des glaces. La glace réfléchit le rayonnement solaire, ce qui contribue à baisser la température  et donc à favoriser l'englacement.
Le réchauffement a des effets inverses. C'est ce que l'on  peut constater en choisissant l'obliquité maximale.
1.    Réaliser une nouvelle simulation  à partir de 1750 durant 40 000 ans.
Choisir l'obliquité maximale.
Désactiver la rétroaction de l'albédo. La choisir à 33, c'est-à-dire comme actuellement.
2.    Superposer une nouvelle simulation.
Choisir l'obliquité maximale.
Réactiver la rétroaction de l'albédo.

Résultats :

 Comme vu précédemment, la forte obliquité induit des saisons contrastées : la neige ne s'accumule pas aux pôles durant l'été et la banquise fond, ce qui diminue l'albédo et donc provoque une augmentation de la température  moyenne de la Terre. Plus la température augmente, plus la glace fond et plus l'albédo continue de décroître. Il s'agit encore d'une rétroaction positive, amplifiant le phénomène initial.

 

•    Rétroaction du CO₂

La simulation précédente montre que lorsque l'albédo n'est pas pris en compte, la température reste constante quelle que soit l'inclinaison. Il en est de même de la concentration de CO₂. Par contre lorsque l'on tient compte de l'albédo, la température décroît pour une faible obliquité ainsi que le CO₂. Il existe une corrélation entre les variations de CO₂ et de température. La solubilité du CO₂ dans l'océan dépend de la température. Une augmentation de la température induit un dégazage de CO₂ vers l'atmosphère tandis qu'une diminution de la température induit un pompage de CO₂ de l'atmosphère vers l'océan. Plus le CO₂ est dissout dans l'eau, moins il y en a dans l'atmosphère donc plus l'effet de serre est faible et plus il fait froid. Il s'agit là encore d'une rétroaction positive amplifiant un mécanisme amorcé. Vérifions cette hypothèse :

1.    Réaliser une nouvelle simulation  à partir de 1750 durant 40 000 ans.
Choisir l'obliquité minimale.
Dans « Rétroactions climatiques», «Océan», «Rétroaction liée à la solubilité du CO₂ », choisir « Ne pas considérer les flux océaniques de CO₂».
2.    Superposer une nouvelle simulation.
Choisir l'obliquité minimale.
Dans « Rétroactions climatiques», «Océan», « Les flux de CO₂ dépendent de la température».

Résultats :

Comme la rétroaction de l'albédo n'est pas débranchée, on constate une baisse de la température correspond à la faible obliquité. Mais cette  baisse de température est plus forte lorsque les échanges de CO₂ avec l'océan sont pris en compte. La baisse de température entraîne un refroidissement des eaux océaniques donc une solubilité plus grande du CO₂ dans l'eau. Le CO₂ atmosphérique est absorbé en plus grande quantité par l'océan. L'effet de serre diminue, ce qui amplifie la baisse de température. 

 

 

 

Au cours de l'histoire de la Terre, le climat a changé évoluant entre des périodes froides marquées par la persistance de calottes glaciaires aux pôles, comme au Permo-Carbonifère, il y a 300 Ma (-360à -245 Ma),  et des périodes chaudes comme au Crétacé, entre -248 et -65 Ma, où les températures aux pôles ont été de 30 à 50°C supérieures à l'actuel. Les variations de l'insolation engendrées par les modifications orbitales évoquées précédemment ne suffisent pas pour expliquer des périodes chaudes ou froides qui durent  des dizaines de millions d'années. Les causes sont à rechercher parmi les paramètres qui influencent l'effet de serre : les modifications de l'albédo de la planète et les variations de concentration en dioxyde de carbone de l'atmosphère.
Quels sont, aux grandes échelles de temps, les mécanismes responsables des variations du taux atmosphérique de CO₂ ?  

L'altération continentale

Dès qu'ils rentrent en contact avec l'air ou l'eau, les matériaux de la croûte continentale sont soumis à des phénomènes d'altération. Les roches silicatées et carbonatées subissent des réactions chimiques impliquant le CO2.
Quelles sont les conséquences  d'un doublement de l'altération continentale par rapport à l'actuel ?

1.    Sur la page d'accueil, choisir «Le monde en 1750», la durée : 50 000 ans. Valider.
Choix des paramètres : les valeurs qui s'affichent par défaut correspondent à la situation actuelle.
2.    Superposer une nouvelle simulation.
Pour superposer les courbes, il suffit de cliquer sur « nouvelle simulation ». Cela permet un retour sur la page d'accueil.  Valider en conservant les mêmes conditions que précédemment : même état initial, même durée de simulation.
Choix des paramètres : dans « Concentration ou émissions de CO₂ », « Fixer les sources et les puits de CO₂», «Puits de CO₂ », «Altération continentale», cocher « autre ». Puis afficher « 200 % » ou une valeur proche avec le curseur ou les flèches.

On constate qu'une altération deux fois plus importante qu'actuellement entraîne une baisse importante des températures et du CO₂ atmosphérique.
L'altération d'une mole d'un minéral silicaté, plagioclase ou pyroxène par exemple, se traduit globalement par la consommation d'une mole de CO₂ qui se trouve ainsi soustraite à l'atmosphère. La baisse de CO₂ atmosphérique diminue l'effet de serre et donc la température globale. Le Permo-Carbonifère, qui est une période froide,  correspond à la mise en place de la chaîne hercynienne et à son démantèlement, c'est-à-dire une période d'érosion intense.

Le stockage biologique

Actuellement, le stockage biologique est négligeable. La matière organique fabriquée par photosynthèse par les producteurs est détruite par les décomposeurs et le bilan carbone est équilibré : le CO₂ consommé par la photosynthèse équilibre le CO₂ rejeté par la respiration et la fermentation des êtres vivants.
Les grands gisements de charbon d'Amérique du Nord et d'Europe datent  du Carbonifère. Ils résultent de l'enfouissement de végétaux des forêts alors sous climat équatorial. Voyons comment le stockage biologique  du carbone influence le climat.

1.    Supprimer tout. Nouvelle simulation. Valider les options précédentes : « à partir de 1750 » « durant 50 000  ans ». Les paramètres sont par défaut les valeurs actuelles. Lancer la simulation.
2.   Superposer une nouvelle simulation.
Choix des paramètres : «  Concentration ou émissions de CO2 »-« Stockage biologique : comme au Carbonifère » (0,71 Mt/an/ppm).

On constate que le stockage de la matière organique s'accompagne d'une chute très importante du CO₂ atmosphérique et d'un climat froid très prononcé. Lorsque la matière organique est soustraite à l'action des décomposeurs, le CO₂ n'est pas restitué à l'atmosphère, l'effet de serre diminue et la température globale baisse.

Le volcanisme

Le Crétacé est marqué par une intense activité volcanique aussi bien en intraplaques qu'au niveau des dorsales. Il s'est accompagné d'un dégagement important de CO₂ soit directement dans l'océan, soit dans l'océan puis dans l'atmosphère.  
Quel est l'effet, par rapport à l'actuel  d'un doublement de l'activité  volcanique ? D'une absence de volcanisme ?

1.    Supprimer tout. Nouvelle simulation. Valider les options : « à partir de 1750 » « durant 50 000  ans ».Les paramètres sont par défaut les valeurs actuelles. Lancer la simulation.
2.    Superposer une nouvelle simulation. Valider les mêmes options.
Choix des paramètres : «Volcanisme » : choisir « autre : 0,16 tonne/an », c'est-à-dire le double d'aujourd'hui.
Lancer la simulation.
3.    Superposer une nouvelle simulation. Valider les mêmes options.
Choix des paramètres : «Volcanisme » : choisir « autre : 0,00 tonne/an ». Lancer la simulation.

Résultats

 Dans la situation « Le monde en 1750 », (voir « Situation témoin ») lien  le climat est stable. On considère que le CO₂ consommé par l'altération des roches compense le CO₂ rejeté par le volcanisme. En cas de volcanisme intense comme au Crétacé, le CO₂ issu de l'activité interne du globe s'accumule dans l'atmosphère, augmente l'effet de serre et par conséquent la température globale moyenne.
L'absence de volcanisme signifie une planète sans activité interne comme Mercure ou la Lune. Dans le cas de la Terre qui possède une atmosphère et de l'eau, l'altération continentale n'est alors plus  compensée par le volcanisme : le CO₂ décroît dans l'air.

La Terre boule de neige ?

Les facteurs que l'on étudie un à un en réalité se conjuguent. Bien que la puissance solaire ait été plus faible qu'actuellement,  pendant quatre  milliards d'années la Terre a connu un climat chaud, voire très chaud sous l'influence des gaz à effet de serre. Cette période a été interrompue par trois glaciations ayant conduit à « la Terre boule de neige » :
-    la glaciation huronienne de 2,6 à 2,3 milliards d'années, synchrone d'une chute du méthane liée à l'oxygénation de l'atmosphère.
-    les glaciations néoprotérozoïques à 750 et 570 millions d'années que l'on attribue à une chute du CO₂.
Quelles sont les conditions susceptibles de provoquer il y a 750 millions d'années une chute importante du CO₂ atmosphérique ? C'est à cette époque que se fragmente le supercontinent Rodinia  avec la particularité d'être centré sur l'équateur et de se fragmenter selon une cassure est-ouest. Ainsi les plaques plus petites résultantes restent dans la zone équatoriale où les phénomènes d'altération sont les plus puissants. D'autre part,  la multiplicité des points chauds continentaux conduit à d'importantes productions de basalte dont l'érosion est six fois plus rapide que celle du granite. Simulons cette situation, en tenant  compte d'une activité solaire il y a 750 millions d'années 6% plus faible qu'actuellement.


Nouvelle simulation. Valider les options : « à partir de 1750 » « durant 50 000  ans ».
Choix des paramètres :
-    Paramètres astronomiques – puissance solaire : 94 %.
-    Concentration et émissions de CO2 – altération continentale : 300 %.
-    Rétroactions climatiques- Ne pas considérer les flux de CO₂ liés à la végétation.
Lancer la simulation.

Pendant 15 000 ans la température décroît jusqu'à atteindre -10°C. Les calottes glaciaires augmentent de volume et atteignent 30° de latitude. Puis un phénomène d'emballement se produit par rétroaction positive de l'albédo. La température chute plus rapidement (-110°) et la Terre se retrouve complètement englacée. La concentration de  CO₂ dans l'atmosphère diminue au début suite à l'altération très forte programmée puis  le recouvrement total de la Terre par la glace  supprime l'altération des roches. Par contre le volcanisme se poursuit réalimentant l'atmosphère en CO₂.

Comment sortir de la boule de neige ?

Laissons le CO₂ s'accumuler dans l'atmosphère tandis que la Terre est toujours englacée. En programmant différentes échelles de temps, on constate qu'à un moment donné l'effet de serre dû à l'accumulation du CO₂ issu du volcanisme, s'accompagne d'une augmentation de température propice à la fonte de la glace.

1.   Conserver les résultats précédents.
Nouvelle simulation.
Choisir l'option « L'état final de la précédente simulation » « durant 4 750 000 ans ».
Choix des paramètres :
-    Paramètres astronomiques – puissance solaire : 94 %.
-    Concentration et émissions de CO2 – altération continentale : 0 %
-    Volcanisme : 0,20
-    Rétroactions climatiques- Ne pas considérer les flux de CO₂ liés à la végétation.
Lancer la simulation.
2.    Poursuivre l'enregistrement  sur 100 000 ans
Nouvelle simulation.
Choisir l'option « L'état final de la précédente simulation » « durant 1 00 000 ans ».
Les paramètres qui s'affichent sont les mêmes que précédemment.
Lancer la simulation.

  3.    Cliquer sur la dernière courbe puis sur « zoomer ».

Le CO₂ s'accumule dans l'atmosphère durant près de 5 millions d'années. Lorsque sa teneur dépasse ici 280 000 ppm, le système bascule très rapidement, en moins de 13 000 ans,  vers les processus de déglaciation. Sans atteindre la situation extrême de la modélisation, les archives géologiques témoignent de climats très chauds et riches en CO₂ après les boules de neige. Les mécanismes de consommation du CO₂ se remettent alors en route, ramenant la concentration de CO₂ et la température à leurs valeurs initiales. 

 

 

Les travaux des chercheurs au sein du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (Giec)  paru en 2007 aboutissent à un consensus sur la réalité du réchauffement climatique au cours des cent dernières années et sur le fait que sa cause est très vraisemblablement – avec une probabilité supérieure à 90 % – et essentiellement due à une augmentation des gaz à effet de serre d'origine humaine.

Mise en évidence du rôle des gaz à effet de serre

Voyons, à partir de la situation en 1750 où les émissions anthropiques étaient inexistantes, quels sont les effets des variations de concentrations du  CO₂ et de la vapeur d'eau dans l'air sur la température moyenne de la planète.


1.     Nouvelle simulation. Choisir : « à partir de 1750 » « durant 500 ans ».
Les paramètres sont par défaut les valeurs actuelles. Lancer la simulation.
2.    Superposer une nouvelle simulation. Valider les mêmes options.
Choix des paramètres : « Concentration ou émission de CO₂ »- « Fixer la concentration de CO₂ -autre : 0»
3.    Superposer une nouvelle simulation. Valider les mêmes options.
Choix des paramètres : « Rétroactions climatiques »-«Vapeur d'eau  - Débrancher la rétroaction –autre : 0»

En absence de CO₂ la température de l'atmosphère décroît  rapidement : de 20°C en 100 ans. Le CO₂ a donc un effet réchauffant.
En absence de vapeur d'eau la décroissance de température est supérieure. La contribution de la vapeur d'eau à l'effet de serre est plus importante que celle du CO₂. (L'effet de serre naturel est dû pour 15% aux nuages, 55% à la vapeur d'eau et pour 30% aux autres gaz).

Le climat du futur

Testons trois hypothèses :
1.    Les émissions anthropiques de CO₂ continuent à être émises au même rythme durant les 100 prochaines années.
2.    Elles n'augmentent plus à partir de 2007.
3.    Elles sont multipliées  par deux à partir de 2007.

1.    Nouvelle simulation. Choisir : « à partir de 1750 » « durant 100  ans ».
Les paramètres sont par défaut les valeurs actuelles. Lancer la simulation.
2.    Superposer une nouvelle simulation. Valider les mêmes options.
Choix des paramètres : « Concentration ou émission de CO₂ »- « Fixer les sources et les puits de CO₂»-«Sources de CO₂ : émissions anthropiques nulles ».
3.    Superposer une nouvelle simulation. Valider les mêmes options.
Choix des paramètres : « Concentration ou émission de CO₂ »- « Fixer les sources et les puits de CO₂»-«Sources de CO₂ : émissions anthropiques : deux fois plus fortes qu'aujourd'hui ».

Un arrêt immédiat des émissions de CO₂ permettrait de conserver une température moyenne du globe quasiment identique à l'actuelle : 15,3°C en 2007, 15,5°C en 2100. Continuer à émettre la même quantité de CO₂ qu'actuellement produirait  une augmentation du CO₂ atmosphérique qui atteindrait 536 ppm en 2100, soit  une augmentation de température de 1°C. Si les émissions de CO₂ doublaient, la concentration atmosphérique de CO₂ atteindrait dans 100 ans 705 ppm et la température globale moyenne serait de 16,9°C soit +1,6°C par rapport à 2007. L'élévation concomitante du niveau de la mer serait selon les cas de 40 à 70 cm.  
Ces valeurs se situent dans la gamme d'incertitude des modèles du GIEC