Climatologie

Climatologie

  La climatologie est l'étude du CLIMAT, c'est-à-dire des conditions moyennes et extrêmes du TEMPS, sur une longue période de temps. On peut aussi la définir comme l'étude des échanges énergétiques dans le système Terre-atmosphère. En raison de la multitude d'éléments en interaction sur la Terre (p. ex. énergie solaire, OCÉANS, GLACIERS, RÉGIONS DE VÉGÉTATION, composition atmosphérique), la climatologie moderne est une science multidisciplinaire. La complexité du climat de la Terre est presque certainement due à la coexistence des trois phases de l'EAU (vapeur, liquide et GLACE) et à la manière dont elles interagissent avec le rayonnement. Les deux principales branches de cette science sont la climatologie physique, qui cherche à comprendre les principes des échanges de masse et d'énergie entre la Terre et son atmosphère, et la climatologie dynamique, qui examine les facteurs influant sur le climat.

L'étude de la climatologie moderne se fait essentiellement dans une perspective planétaire. Les principaux outils qu'utilisent les climatologues sont les modèles informatiques de l'atmosphère, des océans et des terres émergées, et les données provenant d'observations par satellites (voir SATELLITE ARTIFICIEL). Les autres branches comprennent la climatologie descriptive, la climatologie synoptique, qui analyse les OBSERVATIONS MÉTÉOROLOGIQUES prises simultanément à différents endroits, et la climatologie appliquée, qui rend les renseignements climatiques (voir CLIMAT, INFORMATION SUR LE) accessibles aux ingénieurs, planificateurs, vacanciers, etc. Les climatologues s'intéressent également à la possibilité que l'activité humaine influe, délibérément ou non, sur le climat.

Climatologie physique

La climatologie physique examine les processus, l'amplitude et les directions des échanges d'énergie et de masse dans l'atmosphère, à la surface de la Terre et en son sous-sol, et en effectue une modélisation numérique. Ces processus servent à déterminer toutes les échelles de climat, qu'elles soient régionales ou globales, diurnes ou millénaires.

La variabilité dans l'absorption du rayonnement solaire par le système Terre-atmosphère constitue le moteur du climat. Annuellement, le système absorbe environ 70 p. 100 du rayonnement solaire et émet une quantité équivalente de rayons infrarouges dans l'espace. Ce quasi-équilibre subit des modifications mineures mais cumulatives causées, entre autres, par des changements dans les émissions solaires, la géométrie orbitale de la Terre ou la composition atmosphérique de celle-ci. Il en résulte parfois des réactions en chaîne (principe de la rétroaction) qui provoquent des changements climatiques. Les effets des variations sur la géométrie orbitale sont négligeables à court terme, mais, à l'échelle de temps géologique, elles produisent des changements dans les cycles d'irradiation solaire qui seraient à l'origine des ÉPOQUES GLACIAIRES. Par ailleurs, la combustion des réserves énergétiques fossiles modifie la capacité de l'atmosphère à émettre et à transmettre le rayonnement thermique (amplification de l'effet de serre) et pourrait provoquer des changements climatiques accélérés au cours du XXI^e siècle.

En ce moment, la portion du système terrestre qui se situe autour de l'équateur entre les deux parallèle à 40° de latitude constitue une source d'énergie, puisque dans cette région les gains d'énergie rayonnée dépassent les pertes; par contre, les deux portions de la terre comprises entre ces latitudes et les pôles émettent plus de rayonnement qu'elles n'en absorbent. Les VENTS et les COURANTS MARINS transportent l'énergie vers les pôles pour rectifier ce déséquilibre méridien, diminuant ainsi les écarts de température entre les tropiques et les pôles. De plus, la surface de la planète a un surplus annuel d'énergie radiante, tandis que l'atmosphère a un déficit énergétique. Ce déséquilibre est en grande partie causé par l'effet d'isolation thermique de la vapeur d'eau dans l'atmosphère, le gaz à effet de serre le plus abondant et le plus important de la planète. Le transport de chaleur par convection de la surface de la Terre vers l'atmosphère empêche le réchauffement excessif du sol ainsi que le refroidissement de l'atmosphère. De même, à l'échelle planétaire, les NUAGES refroidissent l'ensemble grâce à leurs propriétés réfléchissantes du rayonnement solaire qui l'emportent sur leurs propriétés d'isolants thermiques.

Climatologie dynamique

La climatologie dynamique est l'étude du climat en tant que branche de la physique. Le système climatique est un système régi par des lois physiques relativement bien connues (dynamique des fluides, thermodynamique, transfert radiatif, etc.). Il est constitué de cinq composants principaux : l'atmosphère, l'hydrosphère (c'est-à-dire les océans et les lacs), les terres émergées, la cryosphère (glace marine, CALOTTES GLACIAIRES permanentes, neige) et la biosphère. Les interrelations dans le système planétaire sont nombreuses et complexes, et l'étude de la climatologie dynamique exige la connaissance de nombreuses sciences ainsi que des données provenant de tous les coins du globe.

Quelques aspects importants du système climatique peuvent être évalués à partir de systèmes théoriques plus simples. Une Terre sans mouvement de rotation, ni topographie, ni océans jouirait d'un climat très différent de celui que nous observons. Dans cette atmosphère statique, le climat ne varierait pas selon la longitude mais uniquement selon la latitude; par exemple, les températures seraient élevées aux latitudes équatoriales, et basses aux latitudes polaires. La structure des températures qui en résulterait, tant à la surface qu'aux différents niveaux de l'atmosphère et à différentes latitudes, pourrait être calculée en utilisant les équations de la thermodynamique et des transferts radiatifs. Par contre, si l'atmosphère se déplaçait autour de cette Terre statique, l'air chaud des régions équatoriales s'élèverait et se dirigerait vers les pôles, se refroidirait, redescendrait et reviendrait vers l'équateur, engendrant une circulation de Hadley. L'écart de température entre les pôles et l'équateur, qui fournit la force motrice des mouvements, y serait réduit à cause du courant.

Si la planète se mettait alors à tourner, la nature du courant (donc le climat) serait extrêmement différente. Il n'y aurait plus une simple circulation de Hadley, mais plutôt un courant d'ouest en est aux latitudes moyennes et un courant d'est en ouest aux latitudes plus basses. De grandes ondulations et des tourbillons se superposeraient à ce courant général. Sans les océans, la froideur hivernale et la chaleur estivale seraient extrêmes et les périodes les plus froides et les plus chaudes de l'année se retrouveraient aux solstices. Si l'humidité était introduite dans le système, sous forme d'océans et de vapeur d'eau dans l'air, le climat, encore là, changerait radicalement; un des changements serait l'apparition d'importantes asymétries climatiques d'est en ouest. Les océans ont un effet majeur sur le climat puisqu'ils emmagasinent et transportent la chaleur. La topographie, la glace et la neige, entre autres, ajoutent à la complexité du système.

Modèles climatiques

Ce système global tridimensionnel complexe est étudié au moyen de l'observation et de la « modélisation climatique ». Les approches observationnelles ou diagnostiques reposent sur l'accumulation et l'étude de millions d'observations de l'atmosphère et des océans, non seulement en surface mais aussi en hauteur et en profondeur. Ces études tentent de saisir le fonctionnement du système physique et d'en découvrir les mécanismes dominants. Elles cherchent aussi à interpréter les variations climatiques antérieures et à détecter et à comprendre les variations du climat actuel.

Les modèles du système climatique de la Terre (aussi appelés modèles de circulation générale ou MCG) sont de plus en plus utilisés pour étudier le climat et son évolution passée et future. Les MCG sont des modèles mathématiques basés sur des lois de la physique qui tentent de déduire le climat et ses variations à partir des « principes de base » traduits par les équations principales. Ces équations mathématiques sont calculées par approximation sur une grille de points répartis sur le globe et à de nombreux niveaux dans l'atmosphère et dans les océans. Les processus physiques, comme la convection, les transferts radiatifs à courtes et à longues longueurs d'onde, la formation et la dissipation des nuages, les précipitations et l'évaporation, et la formation et la fonte de la glace, sont calculés pour chaque section du quadrillage. De nouvelles valeurs simulées de température, de vent, de précipitation, de couverture neigeuse, de salinité des océans, d'épaisseur de GLACE MARINE et de toutes les autres variables qui définissent l'état de l'atmosphère, des terres et des océans dans le modèle sont calculées pour des temps espacés de 30 minutes. Une moyenne sur plusieurs années et d'autres statistiques de ces variables en évolution permettent ainsi une simulation du climat.

Effets des activités humaines sur le climat

Les activités humaines peuvent modifier localement certains aspects du climat. Certains changements sont volontaires, comme l'utilisation d'arbres ou de haies comme brise-vent pour empêcher les poches de gelée ou réduire l'amoncellement de neige. D'autres sont accidentels, comme le réchauffement des quartiers centraux des villes en expansion ou l'augmentation des précipitations en aval des villes causée par la libération accrue de chaleur et de polluants provoquant de la condensation (voir POLLUTION DE L'AIR; CLIMAT, INCIDENCE DU DÉVELOPPEMENT URBAIN SUR LE).

Les données semblent s'accumuler en faveur de la thèse voulant que les activités humaines affectent le climat sur une grande échelle. L'évaluation scientifique récente par le Groupe intergouvernemental d'experts sur l'évolution du climat précise que : « Le réchauffement planétaire observé au cours des 100 dernières années est plus important que nos meilleures estimations de l'amplitude de la variabilité naturelle du climat au cours des 600 dernières années au moins. Qui plus est, les données climatiques historiques révèlent des changements pouvant être interprétés comme une réaction du climat face aux forçages par les gaz à effet de serre et les aérosols sulfatés. Les données en questions proviennent des profils géographiques, saisonniers et verticaux des changements de température. Considérés dans leur ensemble, les résultats indiquent une influence humaine décelable sur le climat planétaire ».

Un de ces gaz à effets de serre, le dioxyde de carbone (CO₂), est produit par la combustion du CHARBON, du pétrole et du gaz pour chauffer les maisons, faire fonctionner des machines et produire de l'ÉLECTRICITÉ. De 1880 à 1994, la concentration de CO₂ dans l'atmosphère a augmenté d'à peu près 25 p. 100, et plus de la moitié de cette augmentation s'est produite au cours des 25 dernières années. Même si la proportion de CO₂ s'élève à moins de 1 p. 100 du volume total de l'atmosphère, sa présence suffit à perturber le flux de chaleur émanant de la Terre. Les modèles numériques climatiques suggèrent que si le volume de CO₂ dans l'atmosphère doublait par rapport à celui de la période préindustrielle, la température moyenne de l'air de surface s'élèverait de 2 à 3°C environ. Un changement de cet ordre serait sans précédent historique et serait accompagné de changements climatiques régionaux beaucoup plus marqués. La concentration atmosphérique des gaz de serre autres que le CO₂ (comme les chlorofluorocarbures et le méthane) est aussi en hausse. Si les tendances actuelles se maintiennent, on prévoit que l'effet de réchauffement total de ces gaz sera comparable à celui du CO₂. Par contre, les aérosols provenant de la combustion de l'énergie fossile et de l'ÉNERGIE DE LA BIOMASSE et qui s'accumulent dans les basses couches de l'atmosphère produisent un effet de refroidissement.

La possibilité de modifier délibérément le climat à grande échelle est fascinante, mais un simple examen de la question montre que l'énergie mise en jeu dans le système climatique est tellement considérable qu'une intervention directe serait impossible. Ainsi, l'énergie captée lors d'un ORAGE d'une heure pourrait alimenter les besoins du Canada en énergie électrique pour toute une journée. L'énergie convertie en une journée par un seul système de basse pression est 10 000 fois plus grande que celle d'un orage. Il est donc improbable qu'une action directe pourrait modifier nos climats même si on connaissait des méthodes pour y arriver. Une de ces méthodes pourrait consister à influencer le climat en plaçant des nuages de poussières résistantes dans la haute atmosphère : il est en effet prouvé que les volcans affectent le climat en projetant de grandes quantités d'aérosols sulfatés à de hautes altitudes. On ne connaît pas les effets que pourraient avoir une modification intentionnelle de ce genre sur le climat de la surface terrestre. La compréhension actuelle du système climatique laisse toutefois planer de nombreuses incertitudes quant à l'amplitude du changement involontaire du climat dû à l'amplification de l'effet de serre; des interventions intentionnelles seraient vraiment risquées.

Voir aussi MÉTÉOROLOGIE.

P.E. MERILEES

Auteurs ayant contribué à cet article:

Changement climatique

Les MCG sont utilisés pour étudier le fonctionnement normal du système climatique, mais leur autre utilisation principale est la simulation des changements climatiques (voir CLIMAT, CHANGEMENT DE). Ils montrent par exemple que l'augmentation des gaz à effet de serre dans l'atmosphère peut provoquer un RÉCHAUFFEMENT PLANÉTAIRE. Le MCG « traduit » le changement de la composition atmosphérique en estimations portant sur l'amplitude, la répartition tridimensionnelle et le moment d'un changement climatique potentiel. Les effets des aérosols atmosphériques, de l'activité volcanique, de la variabilité de l'activité solaire et d'autres changements dans le « forçage climatique » sont aussi examinés, de même que les changements dans le forçage effectués à des époques antérieures et leurs conséquences en paléoclimatologie.

Le système climatique a subi de profonds changements au cours des époques géologiques, puis des fluctuations réelles mais moins extrêmes à l'échelle du temps historique. Ces changements sont provoqués par des phénomènes naturels (variabilité naturelle, VOLCANS, changements solaires, entre autres) et des facteurs anthropiques (augmentation des gaz à effet de serre, aérosols, déforestation, notamment). Des simulations récentes sur l'évolution du climat à partir de la période préindustrielle jusque dans les années futures, de 1850 environ jusqu'à 2050 et au-delà, basées sur les effets projetés du forçage des gaz de serre (réchauffement) et des aérosols (refroidissement) sont conformes aux observations enregistrées et indiquent la possibilité d'une amplification du réchauffement dans un proche avenir.

Le système climatique est global et doit être étudié dans une telle perspective. À cette fin, l'Organisation météorologique mondiale (OMM) a mis sur pied un programme mondial de recherche sur le climat. L'OMM et le Programme des Nations unies pour l'environnement ont mis à contribution la communauté scientifique internationale au sein du Groupe intergouvernemental d'experts sur l'évolution du climat. Celui-ci a récemment effectué une évaluation scientifique des changements climatiques rassemblant les connaissances actuelles sur le système climatique et les changements qu'on y prévoit. Au Canada, la recherche en climatologie dynamique et sur la modélisation et l'analyse climatologiques relève de la Direction de la recherche sur le climat et l'atmosphère du Service de l'environnement atmosphérique. D'autres laboratoires gouvernementaux et des universités y participent également.

GEORGE J. BOER

Bilan énergétique

Un bilan énergétique peut être formulé pour toute surface ou tout volume du système Terre-atmosphère. La composante rayonnement de ce bilan dépend avant tout des radiations solaires reçues, qui à leur tour sont régies par les saisons, la nébulosité et l'albédo de surface. La modélisation des nuages et des transferts radiatifs pour des atmosphères ennuagées dans les modèles de climat numériques compte parmi les domaines de recherche les plus difficiles et les plus importants en climatologie. Au Canada, pendant l'hiver, le faible rayonnement solaire, la nébulosité fréquente et l'albédo élevé de la neige produisent partout un bilan radiatif négatif. Au milieu de l'été, le bilan radiatif devient partout positif, parce que le rayonnement solaire est plus fort, qu'il y a moins de nuages et que la neige est absente presque partout. Le bilan du milieu de l'été est remarquablement constant entre la frontière des États-Unis et l'Arctique. Dans le Nord, de longues périodes de clarté compensent la faiblesse du SOLEIL, proche de l'horizon.

Les amplitudes des variations saisonnières et géographiques des autres composantes du bilan énergétique sont peu connues, bien que les transferts de chaleur latente et de chaleur sensible soient les principales composantes. La chaleur sensible est l'énergie des molécules en mouvement, qui se mesure par la température. La chaleur latente est l'énergie nécessaire pour effectuer les changements de phase, comme le passage de la glace à l'état liquide, puis de l'état liquide à la vapeur lors de l'évaporation de l'eau. Au printemps et au début de l'été, dans presque tout le Canada, la fonte de la neige et de la glace consomme une quantité importante d'énergie. Le transfert d'énergie latente domine (de 80 à 90 p. 100 du bilan radiatif) sur les plans d'eau, les terres humides et les surfaces boisées ou cultivées. Dans les endroits plus secs, ou lorsque les terres humides s'assèchent, le transfert de chaleur sensible prend plus d'importance. Les modification de la surface peuvent modifier radicalement l'amplitude relative des composantes d'un bilan énergétique. Ainsi, dans de nombreuses villes, le remplacement de la végétation par le béton et les briques diminue le transfert d'énergie latente et augmente le transfert de chaleur sensible. L'exploitation des terres a aussi ses effets : par exemple, dans les régions sèches, l'IRRIGATION produit des oasis humides et fraîches résultant d'une augmentation du transfert de la chaleur latente et d'une diminution du réchauffement par convection.

Données satellites

Au cours de la dernière décennie, l'utilisation de données satellites en climatologie a donné des résultats concrets. Il est non seulement possible de faire des relevés du bilan énergétique de la haute atmosphère, mais on peut aussi connaître de nombreuses autres propriétés du système, comme les températures atmosphériques et superficielles, la nébulosité totale et le contenu en eau des nuages, ainsi que les conditions à la surface, comme l'humidité, l'abondance de la végétation et l'albédo. Comme la zone de couverture d'un satellite peut varier de quelques dizaines de mètres carré à des continents entiers, les valeurs obtenues sont devenues essentielles pour juger de la capacité des modèles numériques à représenter le climat. De même, les données obtenues par satellite seront sans doute déterminantes pour évaluer les changements environnementaux et climatiques.

HOWARD BARKER