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Les processus climatiques sont des mécanismes complexes qui régissent le fonctionnement du système climatique terrestre. Comprendre ces processus est essentiel pour appréhender les changements climatiques et leurs impacts.
La circulation atmosphérique joue un rôle crucial dans la redistribution de l’énergie et de l’humidité à l’échelle planétaire. Elle est principalement motivée par le gradient de température entre l’équateur et les pôles. Ce différentiel thermique crée trois cellules de circulation dans chaque hémisphère : la cellule de Hadley près de l’équateur, la cellule de Ferrel aux latitudes moyennes, et la cellule polaire. La cellule de Hadley est particulièrement importante, car elle influence fortement les régimes de précipitations tropicaux et subtropicaux. La rotation de la Terre (effet Coriolis) dévie ces mouvements atmosphériques, créant les vents dominants comme les alizés et les vents d’ouest. Les courants-jets, des courants d’air rapides en haute altitude, jouent également un rôle clé dans la circulation atmosphérique et influencent les systèmes météorologiques à grande échelle.
Figure 1.6.1 : Distribution de la température moyenne annuelle en surface. De wikimedia.org.
Le cycle hydrologique est un processus fondamental qui décrit le mouvement continu de l’eau sur, au-dessus et sous la surface de la Terre. Il comprend l’évaporation des océans et des surfaces terrestres, la condensation formant les nuages, les précipitations, le ruissellement et l’infiltration. L’énergie solaire est le moteur principal de ce cycle, provoquant l’évaporation de l’eau. Les océans sont la source principale de vapeur d’eau atmosphérique, représentant environ 86% de l’évaporation globale. Le cycle hydrologique est intimement lié au bilan énergétique de la Terre, car la vapeur d’eau est un puissant gaz à effet de serre et le transport de chaleur latente par l’évaporation et la condensation est un mécanisme majeur de transfert d’énergie dans l’atmosphère.
Le graphique montre les effets de la chaleur ajoutée (ΔH) sur la température d’un gramme d’eau. En partant de la glace à -30°C, environ 63 J sont nécessaires pour la réchauffer jusqu’au point de fusion (ligne A). Environ 333 J sont nécessaires pour fondre la glace (ligne B), pendant cette phase la température reste constante. Une fois que toute la glace est fondue en eau, l’ajout de chaleur fait augmenter la température de l’eau jusqu’au point d’ébullition (ligne C). La pente de la ligne C est la capacité thermique de l’eau (à pression constante) c p,eau = ΔH/ΔT = 4,2 J/(g°C). Une fois que l’eau bout, toute chaleur supplémentaire est utilisée pour vaporiser l’eau et la température reste au point d’ébullition jusqu’à ce que toute l’eau soit vaporisée. La chaleur latente de vaporisation est d’environ 2270 J/g. Ainsi, l’énergie nécessaire pour vaporiser l’eau est plus de cinq fois supérieure à celle nécessaire pour la réchauffer de 0°C à 100°C.
L’expérience sur la capacité thermique illustre la différence importante entre la capacité thermique de l’eau et celle de l’air. L’eau a une capacité thermique beaucoup plus élevée, ce qui signifie qu’elle peut absorber ou libérer beaucoup plus d’énergie que l’air pour un même changement de température. Cette propriété explique pourquoi les océans jouent un rôle crucial dans la régulation du climat terrestre. Ils absorbent une grande quantité de chaleur pendant les périodes chaudes et la libèrent lentement pendant les périodes froides, agissant ainsi comme un tampon thermique qui modère les variations de température à l’échelle globale.
Figure 1.6. 12 : Amplitude du Cycle Saisonnier des Températures de Surface. On trace la différence maximale moins la différence minimale du cycle saisonnier moyen de 1958 à 1996 à partir de la réanalyse du National Center for Environmental Prediction (NCEP). Les unités sont en degrés Celsius.
La circulation océanique est un autre processus clé du système climatique.
La circulation océanique est un processus fondamental dans le système climatique terrestre, jouant un rôle crucial dans la redistribution de la chaleur, des nutriments et du dioxyde de carbone à l’échelle planétaire. Elle se compose de deux systèmes principaux : la circulation de surface et la circulation thermohaline profonde.
La circulation de surface est principalement entraînée par les vents. Les grands gyres océaniques, vastes systèmes de courants circulaires, dominent cette circulation dans les principaux bassins océaniques. Dans l’Atlantique Nord, par exemple, le Gulf Stream transporte des eaux chaudes des tropiques vers les latitudes plus élevées, influençant significativement le climat de l’Europe occidentale. Dans le Pacifique, le courant de Kuroshio joue un rôle similaire pour l’Asie de l’Est. Ces courants de surface sont essentiels pour le transport de chaleur des régions équatoriales vers les pôles, contribuant ainsi à atténuer les différences de température entre ces zones.
La circulation thermohaline, souvent appelée “conveyor belt” océanique, est un système de circulation à l’échelle globale qui opère dans les profondeurs des océans. Elle est motivée par les différences de densité de l’eau dues aux variations de température et de salinité. Dans l’Atlantique Nord, les eaux de surface, refroidies et rendues plus salées par l’évaporation, deviennent suffisamment denses pour plonger vers les profondeurs. Ce processus, connu sous le nom de formation d’eau profonde, est un moteur clé de la circulation thermohaline globale.
Figure 1.6.16: Croquis de la Circulation de Surface de l’Océan. D’après Peixoto and Oort (1992).
Ces eaux profondes se déplacent lentement vers le sud dans l’Atlantique, puis vers l’est autour de l’Antarctique, avant de remonter progressivement dans les océans Indien et Pacifique. Ce cycle complet peut prendre jusqu’à 1000 ans. La circulation thermohaline joue un rôle crucial dans la régulation du climat global en transportant de grandes quantités de chaleur et en influençant la capacité des océans à absorber le dioxyde de carbone atmosphérique.
L’interaction entre la circulation de surface et la circulation profonde est complexe et dynamique. Par exemple, les upwellings côtiers, où les eaux profondes remontent à la surface, sont des zones cruciales pour la productivité biologique marine, apportant des nutriments essentiels dans les eaux de surface.
Le changement climatique a le potentiel d’affecter significativement la circulation océanique. Le réchauffement des eaux de surface et l’augmentation des apports d’eau douce due à la fonte des glaces polaires pourraient réduire la formation d’eau profonde dans l’Atlantique Nord, potentiellement ralentissant ou modifiant la circulation thermohaline. Cela pourrait avoir des conséquences majeures sur les climats régionaux et la capacité des océans à absorber la chaleur et le CO2 atmosphérique.
Figure 1.6.18: Cartoon of the Deep Ocean Circulation. Red and blue ribbons represent surface and deep currents, respectively. From Wikipedia.org.
Les océans ont également une grande inertie thermique, ce qui signifie qu’ils réagissent lentement aux changements de température atmosphérique. Cette propriété leur permet de modérer les variations climatiques à court terme, mais implique aussi que les effets du réchauffement climatique sur les océans pourraient se faire sentir pendant des siècles, même si les émissions de gaz à effet de serre étaient réduites immédiatement.
La compréhension de la circulation océanique et de ses interactions avec l’atmosphère et la cryosphère est essentielle pour prédire l’évolution future du climat. Les modèles climatiques s’efforcent d’intégrer ces processus complexes pour améliorer notre capacité à anticiper les changements climatiques à venir et leurs impacts potentiels sur les écosystèmes marins et terrestres, ainsi que sur les sociétés humaines.
Climate processes are complex mechanisms that govern the functioning of the Earth’s climate system. Understanding these processes is essential to understanding climate change and its impacts.
Atmospheric circulation plays a crucial role in the redistribution of energy and moisture on a global scale. It is primarily driven by the temperature gradient between the equator and the poles. This temperature differential creates three circulation cells in each hemisphere: the Hadley cell near the equator, the Ferrel cell in the mid-latitudes, and the polar cell. The Hadley cell is particularly important because it strongly influences tropical and subtropical precipitation patterns. The Earth’s rotation (Coriolis effect) deflects these atmospheric motions, creating prevailing winds such as the trade winds and westerlies. Jet streams, fast-moving air currents at high altitudes, also play a key role in atmospheric circulation and influence large-scale weather systems.
Figure 1.6.1: Distribution of annual mean surface temperature. From wikimedia.org.
The hydrologic cycle is a fundamental process that describes the continuous movement of water on, above, and below the Earth’s surface. It includes evaporation from oceans and land surfaces, condensation to form clouds, precipitation, runoff, and infiltration. Solar energy is the primary driver of this cycle, causing water to evaporate. The oceans are the primary source of atmospheric water vapor, accounting for about 86% of global evaporation. The hydrologic cycle is intimately linked to the Earth’s energy budget, as water vapor is a potent greenhouse gas and the transport of latent heat through evaporation and condensation is a major mechanism for energy transfer in the atmosphere.
The graph shows the effects of added heat (ΔH) on the temperature of a gram of water. Starting with ice at -30°C, it takes about 63 J to heat it to the melting point (line A). It takes about 333 J to melt the ice (line B), during which time the temperature remains constant. Once all the ice has melted into water, the added heat increases the temperature of the water to the boiling point (line C). The slope of line C is the heat capacity of water (at constant pressure) c p,water = ΔH/ΔT = 4.2 J/(g°C). Once the water boils, any additional heat is used to vaporize the water and the temperature remains at the boiling point until all the water is vaporized. The latent heat of vaporization is about 2270 J/g. Thus, the energy required to vaporize water is more than five times greater than that required to heat it from 0°C to 100°C.
The heat capacity experiment illustrates the important difference between the heat capacity of water and that of air. Water has a much higher heat capacity, meaning that it can absorb or release much more energy than air for the same temperature change. This property explains why the oceans play a crucial role in regulating the Earth’s climate. They absorb a large amount of heat during warm periods and release it slowly during cold periods, acting as a thermal buffer that moderates global temperature variations.
Figure 1.6. 12: Amplitude of the Seasonal Cycle of Surface Temperatures. Plot the maximum minus the minimum difference of the mean seasonal cycle from 1958 to 1996 from the National Center for Environmental Prediction (NCEP) reanalysis. Units are degrees Celsius.
Ocean circulation is another key process in the climate system.
Ocean circulation is a fundamental process in the Earth’s climate system, playing a crucial role in the redistribution of heat, nutrients, and carbon dioxide on a global scale. It consists of two major systems: the surface circulation and the deep thermohaline circulation.
The surface circulation is driven primarily by winds. Large ocean gyres, large circular current systems, dominate this circulation in the major ocean basins. In the North Atlantic, for example, the Gulf Stream transports warm waters from the tropics to higher latitudes, significantly influencing the climate of western Europe. In the Pacific, the Kuroshio Current plays a similar role for East Asia. These surface currents are essential for transporting heat from the equatorial regions to the poles, helping to smooth out temperature differences between these areas.
The thermohaline circulation, often called the ocean conveyor belt, is a global-scale circulation system that operates in the deep oceans. It is driven by differences in water density due to changes in temperature and salinity. In the North Atlantic, surface waters, cooled and salted by evaporation, become dense enough to sink to the depths. This process, known as deep water formation, is a key driver of the global thermohaline circulation.
Figure 1.6.16: Sketch of the Ocean Surface Circulation. From Peixoto and Oort (1992).
These deep waters move slowly southward into the Atlantic, then eastward around Antarctica, before gradually rising into the Indian and Pacific Oceans. This complete cycle can take up to 1000 years. The thermohaline circulation plays a crucial role in regulating global climate by transporting large amounts of heat and influencing the ability of the oceans to absorb atmospheric carbon dioxide.
The interaction between surface circulation and deep circulation is complex and dynamic. For example, coastal upwellings, where deep waters rise to the surface, are crucial areas for marine biological productivity, bringing essential nutrients into surface waters.
Climate change has the potential to significantly affect ocean circulation. Warming surface waters and increased freshwater inputs from melting polar ice could reduce deep water formation in the North Atlantic, potentially slowing or altering the thermohaline circulation. This could have major consequences for regional climates and the ability of the oceans to absorb heat and atmospheric CO2.
Figure 1.6.18: Cartoon of the Deep Ocean Circulation. Red and blue ribbons represent surface and deep currents, respectively. From Wikipedia.org.
Oceans also have a large thermal inertia, meaning that they respond slowly to changes in atmospheric temperature. This property allows them to moderate short-term climate variations, but also implies that the effects of global warming on the oceans could be felt for centuries, even if greenhouse gas emissions were reduced immediately.
Understanding ocean circulation and its interactions with the atmosphere and cryosphere is essential for predicting future climate change. Climate models strive to integrate these complex processes to improve our ability to anticipate future climate change and its potential impacts on marine and terrestrial ecosystems, as well as human societies.