Thème 4 : Les climats de la Terre : comprendre le passé pour agir aujourd’hui et demain
Rappel de 1ère enseignement scientifique
Activité 1: Evolution du climat depuis 150ans
Interprétation des documents :
A l’échelle mondiale, la température moyenne de l’atmosphère au niveau du sol a augmenté de 1°C depuis 1850. Cette augmentation n’est pas régulière, alors que l’augmentation de la proportion en CO2 atmosphérique l’est.
En France, les relevés météorologiques montrent que la température de l’atmosphère a augmenté d’environ 3°C depuis les années 1900 (augmentation importante depuis 1990).
La proportion de CO2 atmosphérique augmente depuis 1850. Elle est passée de 280ppm à environ 405 ppm. Cette augmentation est en grande partie liée à la combustion des carburants fossiles et s’est intensifiée depuis 1960.
Les modèles permettent de démontrer que le CO2 d’origine anthropique est en partie responsable de l’augmentation de la température depuis 1850 (+1° en 150ans).
Le CO2 produit par les activités humaines (combustion d’énergies fossiles) étant un gaz à effet de serre, il provoque un forçage radiatif (augmentation du retour des infrarouges) responsable de l’augmentation de température depuis la révolution industrielle. Les scientifiques qualifient ce phénomène d’ « effet de serre additionnel ». D’autres phénomènes naturels (volcanisme, activité solaire…) peuvent également influencer le forçage radiatif et donc le climat.
Bilan
Depuis la révolution industrielle, les activités humaines libèrent des gaz à effet de serre dans l’atmosphère, comme le CO2. L’augmentation de sa proportion dans l’atmosphère est responsable d’un forçage radiatif supplémentaire à l’origine de l’augmentation de la température mondiale (+1°C en 150 ans).
Point vocabulaire
Gaz à effet de serre (GES) : gaz ayant la capacité d’absorber le rayonnement thermique infrarouge émis par le sol terrestre. Ces gaz sont à l’origine de l’effet de serre.
Réchauffement climatique : tendance de la température moyenne terrestre à augmenter rapidement depuis le milieu du XIXème siècle
Comment reconstituer les variations climatiques à plus ou moins grande échelle de temps ?
Chapitre 1 : Reconstituer et comprendre les variations climatiques passées
Echelle avec noms et dates à connaître!
I - Variations climatiques au Quaternaire
Activité 2: Comprendre le concept de thermomètres isotopiques
Q1 - Plus la quantité de 18O est importante par rapport à celle de 16O dans l’échantillon, plus δ18O augmente.
Q2 - Plus les températures augmentent, plus δ18O augmente, donc plus il y a d’18O par rapport à 16O
Q3 - Quand l’eau s’évapore, ce sont les éléments légers qui s’évaporent en premier donc H216O. L’eau des nuages est donc enrichie en 160 par rapport à 18O.
Lorsqu’on va vers les pôles, l’eau précipite. Dans ce cas, ce sont les éléments lourds qui précipitent, soit H218O, donc l’eau résiduelle, est, quant à elle enrichie en 160 => donc plus on va vers les pôles, plus δ18O est faible
Q4 - δ18O a une valeur qui dépend de la température (dans les glaces, il augmente quand la température ambiante augmente, dans les carbonates, il augmente quand la température diminue) donc connaitre le δ18O permet de connaitre la température « globale » sur Terre
Q5- cf image ci-dessous
Q6 - Il faut avoir des carottes de glace ou des carottes de sédiments marins et mesurer δ18O en fonction du temps.
Point vocabulaire
Carotte : échantillon cylindrique de sédiments ou de glace, prélevé par forage afin d’être étudié
δ18O : rapport entre la concentration des isotopes 18O et 16O de l’oxygène. Le δ18O de l’eau liquide ou de la glace permettent de reconstituer des températures passées
Rapport isotopique : rapport entre la concentration de deux isotopes d’un même élément dans un échantillon (exemple : 18O/16O)
Thermomètre isotopique : Utilisation des rapports isotopique de l’oxygène (δ18O) par exemple permettant de reconstituer les températures passées
Activité 3: Evolution climatique au Quaternaire
Equipe 1 : Etude du climat de l’Holocène
Diminution du delta18O dans les carbonates océaniques de -10 000 à aujourd'hui (attention à l'axe des abscisses) donc réchauffement
Je vois que l’échantillon de pollen datant de l’Holocène contient des grains de pollen de chêne et de pin.
Je sais que les espèces de chênes préfèrent les climats chauds et ensoleillés, les pins supportent la chaleur
J’en déduis que le climat régnant sur Terre durant l’Holocène était plutôt un climat chaud (climat actuel)
Equipe 1 : Etude du climat du Pléistocène
Variations cyclique du delta18O dans les glaces mais globalement valeurs faibles de -700 000 à -10 000 donc période froide (beaucoup de périodes glaciaires entre-coupées de périodes interglaciaires).
Présence de peintures représentant des animaux de toundra + pingouins => période froide
Peinture dans des grottes dont l'accès est maintenant sous le niveau de la mer => la mer était plus basse car l'eau était sous forme de calotte au niveau des pôles car il faisait un climat très froid.
Je vois que l’échantillon de pollen datant de l’Holocène contient des grains de pollen d’aulne, d’épicéa et de graminées
Je sais que ces trois espèces sont résistantes au froid et sont plutôt caractéristiques d’étage montagnard (pour aulne et épicéa)
J’en déduis que le climat régnant sur Terre durant le Pléistocène était plutôt un climat froid.
Activité 4 : Les indices géologiques d’un climat froid au Pléistocène
Point vocabulaire
Diagramme pollinique : représentation graphique de l’évolution de l’abondance relative des pollens de différentes espèces en fonction de la profondeur dans les sédiments, donc de l’âge
Période glaciaire : période de quelques dizaines de milliers d’années durant laquelle la température moyenne baisse fortement et l’extension des calottes glaciaires augmente. Deux périodes glaciaires sont séparées par une période interglaciaire
Principe d’actualisme : principe postulant que les processus observés aujourd’hui opéraient de la même façon dans le passé
Transgression marine : envahissement durable de zones littorales par la mer, dû à un affaissement des terres émergées et/ou à une élévation générale du niveau des mers
Bilan
A l’échelle du Quaternaire, différentes données (préhistoriques, isotopiques, géologiques…) attestent d’une alternance de période glaciaire et interglaciaire (de réchauffement) durant les derniers 800 000ans.
En effet, sur la période s’étendant entre -120 000 ans et -12 000 ans, les indices glaciaires (moraines), les données isotopiques des carottes de glaces notamment (δ18O), l’étude des grains de pollens (Epicéa…) témoignent d’une glaciation ; c’est-à-dire une période de temps où la baisse planétaire des températures conduit à une vaste extension des calottes glaciaires.
Entre -12 000 ans et l’actuel (Holocène), le changement de la végétation (chênes…), le δ18O dans les carbonates ou encore la montée des eaux (grottes préhistoriques) indiquent un réchauffement global de la planète.
Qu’est ce qui est à l’origine de ces variations climatiques?
II - Causes des variations climatiques du Quaternaire
Les variations climatiques coïncident avec les variations périodiques des paramètres orbitaux de la Terre.
Activité 5 : Causes des variations climatiques du Quaternaire
Point vocabulaire
Albédo : proportion de lumière renvoyée par un corps qui est éclairé. L’albédo varie entre 0 et 100%
Cycles de Milankovitch : Variations cycliques de trois paramètres orbitaux de la Terre : excentricité de l’orbite, inclinaison de l’axe de rotation, précession de l’axe de rotation
Modélisation : Conception d’un modèle, c’est-à-dire d’une représentation simplifiée d’un système
Rétroaction : Action en retour d’un système suite à la modification d’un paramètre. Si la réponse du système amplifie la modification du paramètre, on parle de rétroaction positive. Si elle l’atténue, on parle de rétroaction négative.
Bilan
L’énergie solaire incidente reçue au sommet de l’atmosphère dépend des paramètres orbitaux de la Terre et de l’activité solaire qui varient cycliquement.
L’albédo correspond au rapport entre énergie réfléchie et énergie reçue. L’énergie solaire est réfléchie au niveau des systèmes nuageux et du sol. Une variation de l’albédo peut être à l’origine de rétroaction positive sur la température de surface. De plus, lorsque la température augmente, la solubilité du CO2 diminue, ce qui augmente la quantité de GES dans l’atmosphère et renforce le réchauffement climatique.
Tous ces facteurs sont à l’origine des entrées et sorties de glaciation.
Qu’en est-il des climats plus anciens ?
III - Variations climatiques des 500 derniers millions d’années
Comment reconstituer et expliquer les variations climatiques sur cette longue période de temps ?
Activité 6 : Variations climatiques des 500 derniers millions d’années
A. Variations climatiques au Cénozoïque
Production d'élèves (perfectible ;) ) :
Bilan
L’énergie solaire incidente reçue au sommet de l’atmosphère dépend des paramètres orbitaux de la Terre et de l’activité solaire qui varient cycliquement.
L’albédo correspond au rapport entre énergie réfléchie et énergie reçue. L’énergie solaire est réfléchie au niveau des systèmes nuageux et du sol. Une variation de l’albédo peut être à l’origine de rétroaction positive sur la température de surface. De plus, lorsque la température augmente, la solubilité du CO2 diminue, ce qui augmente la quantité de GES dans l’atmosphère et renforce le réchauffement climatique.
Tous ces facteurs sont à l’origine des entrées et sorties de glaciation.
B. Variations climatiques au Mésozoïque et au Paléozoïque
Production d'élèves (perfectible ;) ) :
Détails pour le Crétacé :
Sur les grandes durées, les traces de variations climatiques sont essentiellement enregistrées dans les roches sédimentaires (en fonction de leur nature, des fossiles qu’elles contiennent, ainsi que les données isotopiques). Des conditions climatiques très éloignées de celles présentes actuellement ont existé sur terre, tant lors de périodes très chaudes que de périodes très froides. Ces conditions extrêmes sont à rapprocher de contextes géodynamiques très différents de l’actuel, de par la position des continents et l’activité volcanique essentiellement.
On reconstitue les climats des époques très anciennes en étudiant la répartition latitudinale de certaines roches sédimentaires qui se forment dans des conditions climatiques précises (charbons, évaporites, bauxites et tillites). On applique ainsi le principe d’actualisme : on postule que les conditions de formation d’une roche donnée sont restées les mêmes au cours des temps géologiques.
Les roches indicatrices de climat chaud se retrouvent à de hautes latitudes (Nord et Sud)
L’analyse de l’indice stomatique des feuilles fossiles indique que le taux de CO2 était beaucoup plus important au Crétacé (effet de serre donc plus important). Le δ18O des carbonates montre que la température de l’eau était plus importante à cette époque.
=> Le climat était donc globalement plus chaud au Crétacé qu’aujourd’hui
La présence accrue de CO2 dans l’atmosphère est liée au contexte géodynamique du Crétacé. L’intense activité magmatique des dorsales et des points chauds s’accompagne d’une forte libération de CO2.
Tous ces phénomènes ont produit une énorme quantité de CO2 ce qui a réchauffé le climat en augmentant l’effet de serre à cette époque.
Bilan
Les nombreux fossiles et indices géologiques attestent que le Crétacé, durant le Mésozoïque, était une période très chaude de l’histoire de la Terre. La forte activité des dorsales océaniques à cette période serait à l’origine d’une concentration élevée en CO2 dans l’atmosphère et donc d’un fort effet de serre.
Le climat au Carbonifère – Permien (Paléozoïque) est caractérisé au contraire par une glaciation de grande ampleur (indices géologiques et fossiles). Cette glaciation est liée à l’altération chimique des roches de la chaîne hercynienne et à une très importante fossilisation de matière organique, responsables d’une chute de la teneur en CO2 de l’atmosphère et donc d’une diminution de l’effet de serre.
Point vocabulaire
Altération : modification chimique ou physique d’une roche sous l’action d’un agent naturel de surface comme l’eau
Circulation océanique : ensemble des courants qui brassent les océans
Orogenèse : ensemble des mécanismes aboutissant à la formation d'une chaîne de montagnes
Piégeage du CO2: processus consistant à séparer le CO2 de ses sources et à l’isoler de l’atmosphère sur le long terme
Sédimentation détritique : accumulation puis consolidation de sédiments d’origine continentale
Tectonique des plaques : modèle scientifique expliquant la dynamique globale de la lithosphère terrestre
Fin du programme des écrits
Chapitre 2 : Faire face au réchauffement climatique
Activité du chapitre :
Vous êtes chargé.e de mission sur le climat. Vous vous préparez à animer la future COP 26 à Glasgow en Ecosse en novembre 2021. C’est une conférence qui réunit de nombreux représentants d’états du monde entier centrée sur les changements climatiques. Connaissant vos talents d’orateur-rice, on vous a sollicité pour rédiger et prononcer un discours pour sensibiliser le plus grand nombre à l’urgence climatique.
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1ere partie :
A partir de vos connaissances solides sur le sujet, et de l’étude des documents envoyés par vos confrères, rédigez votre début de discours, votre introduction. Cette introduction ne doit pas excéder 60 secondes lors de votre passage à l’oral. Elle doit être captivante, sincère, juste et basée sur des données précises.
Vous préciserez ce qu’est réellement le climat et mettrez en évidence quelques dates qui sont à l’image d’une réelle et consensuelle prise de conscience de l’accélération du réchauffement climatique.
Consensus : accord entre personnes
Point vocabulaire
Anthropisation : transformation d’espaces, de paysages, d’écosystème-mes ou de milieux semi naturels sous l’action des humains
Climatologie : science qui a pour objet d’étude les climats et leur évolution sur des échelles de temps pouvant aller de quelques décennies à plusieurs millions d’années
Consensus scientifique : opinion collective des scientifiques qui travaillent sur un domaine particulier d’étude. Le consensus implique un accord général, mais pas nécessairement à l’unanimité
GIEC : Groupe d’experts Intergouvernemental sur l’Evolution du Climat
Bilan
A la fin du XIXe siècle, certains scientifiques envisageaient déjà que les rejets anthropiques de gaz à effet de serre (GES) puissent provoquer un réchauffement climatique. Il faudra cependant attendre la fin du XXe siècle pour qu’un consensus scientifique mondial s’établisse, s’appuyant sur des décennies de mesures et de modélisation du système climatique. Au niveau politique comme à l’échelle du citoyen, de nombreuses difficultés liées entre autres à une méconnaissance des données scientifiques doivent encore être surmontées pour accepter la réalité du réchauffement climatique et agir pour y faire face.
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2ème partie :
Avec l’aide d’un collègue dont vous n’avez pas l’habitude de travailler, vous tentez de convaincre votre auditoire aux effets de ce changement climatique. Après concertation, détaillez les deux exemples les plus pertinents à vos yeux qui montreront d’une part des effets sur la biodiversité et d’autre part des effets sur la santé humaine.
Point vocabulaire
Agrosystème : écosystème aménagé et géré par les humains afin d’y produire des matières animales ou végétales à des fins alimentaires, industrielles ou énergétiques
Biodiversité : diversité du monde vivant. Elle se définit à trois échelles : biodiversité des écosystèmes, biodiversité des espèces et biodiversité génétique
Biomasse : ensemble de la matière organique ayant pour origine des êtres vivants
Ecosystème : un écosystème est formé par un ensemble d’êtres vivants (biocénose) et un milieu de vie (biotope). Le biotope et la biocénose sont en interaction permanente
Productivité primaire : Production de matière organique (biomasse) issue de la photosynthèse, par des organismes autotrophes, dits producteurs primaires
Bilan
Conséquences sur la biodiversité :
Le réchauffement climatique est reconnu comme une cause aggravante de l’effondrement actuel de la biodiversité dû aux activités humaines. Le réchauffement influence directement la physiologie des organismes et perturbe leur capacité à se reproduire et à se développer, ce qui réduit les effectifs des populations et dégrade leur état sanitaire. Certaines espèces migrent vers des régions plus favorables, modifiant leur répartition à la surface du globe. Elles deviennent parfois des espèces invasives.
Conséquences sur la santé humaine :
L’être humain est concerné par le réchauffement climatique, qui aggrave certaines pathologies, nous expose à des phénomènes climatiques extrêmes et à de nouveaux agents pathogènes. Le fonctionnement des agrosystèmes est aussi affecté : si l’augmentation de la teneur atmosphérique en CO2 favorise la productivité, cette dernière est menacée par la désertification ou la montée du niveau marin, par la diffusion de pathogènes et de ravageurs des cultures. En conséquence, le réchauffement du climat dégrade la sécurité alimentaire à l’échelle mondiale.
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3ème partie :
A partir de l’étude des documents mais aussi de vos connaissances, vous rédigez la fin de votre discours. Elle doit être tout aussi percutante et doit laisser, à tous ces représentants de pays, des stratégies concrètes à mettre en place pour lutter au mieux contre le réchauffement climatique.
Point vocabulaire
Adaptation (stratégie) : ensemble de mesures qui visent à diminuer les conséquences du changement climatique en réduisant la vulnérabilité sociale et écologique
Atténuation (stratégie) : ensemble de mesures qui visent à traiter les causes du changement climatique en limitant les émissions de gaz à effet de serre
Cycle biogéochimique du carbone : ensemble des échanges de carbone entre l’atmosphère, la lithosphère, l’hydrosphère et la biosphère
Bilan
Les nations se réunissent chaque année (COP) et s’appuient sur les rapports du GIEC pour proposer différentes stratégies d’atténuation du changement climatique. Ces dernières visent à réduire les émissions de GES ou à absorber le CO2 atmosphérique (ex : méthodes de stockage du carbone sont à l’étude). Selon le GIEC, il est impératif de limiter le réchauffement climatique à 2°C par rapport à 1850, ce qui impose une réduction des émissions de GES de 20% d’ici 2030 et leur arrêt total en 2075. Compte tenu de l’inertie climatique et des engagements actuels de réduction, les modèles climatiques prévoient un réchauffement moyen de 3 à 4 °C d’ici 2100. Il est donc nécessaire d’envisager des stratégies d’adaptation, de l’échelle internationale jusqu’à celle du citoyen.
