Climatologie

La climatologie, branche de la géographie physique, est l'étude du climat, c'est-à-dire la succession des conditions météorologiques sur de longues périodes dans le temps. L'étude du temps à court terme est le domaine de la météorologie. Il n'existe pas de climatologue, mais que par abus de langage on appelle souvent les météorologues climatologues.

En règle générale, le climat ne varie pas, ou assez peu, en un endroit donné du globe, sur une durée de l'échelle du siècle. Mais sur des temps géologiques, le climat peut changer considérablement. Par exemple, la Scandinavie a connu plusieurs périodes glaciaires dans le dernier million d'années. L'étude des climats passés est la paléoclimatologie. Cette étude en fonction de l'histoire humaine s'appelle climatologie historique.

La climatologie est constituée d'une multitude disciplines scientifiques. On y retrouve entre autres les astrophysiciens qui s'intéressent à la quantité d'énergie solaire reçu par la terre, les dynamiciens de l'atmosphère qui s'intéressent au échanges d'énergie entre les différentes couches de l'atmosphère, les chimistes de l'atmosphère (aérologue) qui étudie la composition de l'air, d'océanographes, de glaciologues, de vulcanologues, des géophysiciens, des biochimiste, de biologistes... C'est l'addition du savoir de chacune de ces disciplines qui permet d'obtenir une compréhension globale de l'histoire de notre climat, ainsi que de permettre de faire des projections pour prédire statistiquement son évolution.

Carte simplifiée des climats sur terre

La connaissance de nombreux paramètres, comme la température à différentes altitudes, l'influence des gaz à effet de serre, l'humidité relative, l'évaporation océanique, est nécessaire pour produire des modèles climatiques numériques et anticiper les changements du climat que l'on peut prévoir à plus ou moins long terme (30 ans).

Si la climatologie s'intéresse essentiellement à l'étude et à la classification des climats existants sur terre, une partie de la discipline traite aussi de l'interaction entre climat et société ; que ce soit l'influence du climat sur l'Homme ou de l'Homme sur le climat.

L'Homme et le climat : histoire de la climatologie

Avant le XVII^e siècle

Avant l'observation systématique du temps, il existait déjà un sens inné du climat dans le sens d'une moyenne auquel il était possible de comparer les événements climatiques (ex : décrire une tempête comme forte sous-entend de savoir ce qu'est une tempête moyenne). L'agriculture nécessite aussi une connaissance empirique du climat, par exemple, de la mousson.

En Europe, les premières traces écrites de climatologie datent de la Grèce antique. Par exemple, Xenophon décrit précisément le climat d'Athènes dans Les Revenus et s'intéresse aux liens entre plantes et climat, Herodote s'interroge sur le mécanisme des crues du Nil et Aristote fait le lien entre une Terre sphérique et une diminution de la température vers le nord et le sud (à cause de l'angle que font les rayons du Soleil avec la Terre). En 334 avant JC, ce même auteur publie aussi Meterologica, un traité sur la météorologie qui fera autorité sur le sujet jusque dans les années 1700.

En Chine, la première mention connue du climat date de la dynastie Xia (XXI^e siècle-XVI^e siècle av. J.-C.) sous la forme d'un texte d'environ 400 mots appelé Xia Xiao Zheng. Ce texte décrit les conditions météorologiques moyennes de chaque mois de l'année

Entre le XVII^e siècle et le XIX^e siècle

L'invention du thermomètre dans les années 1600 en Italie marque le commencement de mesures de température régulières, indispensables à la climatologie moderne. L'invention du baromètre et du pluviomètre suivent rapidement en 1643 et 1639. Le premier réseau de mesures météorologiques fut créé en 1653 par Ferdinand II de Médicis en Toscane . Puis, en 1664, commence à Paris la plus longue série d'observation météorologique connue.

En 1683, Edmond Halley publie une carte mondiale des vents basé sur ses expéditions marines. Il décrit en 1686 le principe de la mousson et des Alizés. Ensuite, George Hadley lie en 1735 les Alizés et la rotation de la Terre par ce qui s'appelle aujourd'hui la/les cellule de Hadley. En Amérique, en 1785, Benjamin Franklin publie la première carte du Gulf Stream et lie ce phénomène à l'action du vent.

En 1838 Claude Pouillet puis Joseph Tyndall attribuent l'effet de serre naturel à la vapeur d'eau et au gaz carbonique. Pouillet affirme qu'une modification de leurs quantité dans l'atmosphère doit se traduire par un changement climatique.

En 1882, dans un des premiers livres sur le sujet, Julius von Hann définit la climatologie comme étant la science des états de l’atmosphère. Il sépare ainsi la climatologie de la météorologie qu'il définit comme la science de l’atmosphère (au moment présent). Dans ce traité, la climatologie se présente sous deux formes: l'étude de l'état moyen de l'atmosphère (classification des climats...) et l'étude des écarts à cette moyenne.

En 1895, Svante Arrhenius lie l'augmentation du CO₂ dans l'atmosphère et un réchauffement sensible de la Terre. Il se base pour cela sur les observations de la lune faites dans l’infrarouge qui donnent une estimation des capacités d’absorption de la vapeur d'eau et du CO₂. Malgré des calculs inexacts, il énonce un des premières lois sur l'effet de serre: Si la quantité d’acide carbonique augmente en progression géométrique, l’augmentation de la température suivra, presque avec une progression arithmétique. Il donne pour ordre de grandeur 4 °C en plus pour un doublement du CO2 dans l'air.

Depuis le XIX^e siècle

Malgré les avancées du XIX^e siècle, la climatologie n'a, au début d'une XX^e siècle, qu'un impact limité. On étudie surtout les moyennes climatiques, par exemple à travers une classification mondiale des climats.

Durant la deuxième guerre mondiale, principalement à cause du développement de l'aviation, le réseau de mesures météorologiques s'améliore. L’intérêt pour la météorologie augmente ce qui pousse aussi à un regain d’intérêt pour la climatologie. Le développement de l'informatique permet aussi la création des premiers modèles climatologiques comme, par exemple, celui de Norman Phillps en 1956.

Les domaines d'études

• Études des climats en fonctions de la taille des zones géographiques du climat régional au climat local, de leurs positions sur le globe (Classification des climats).
• Création et l'utilisation de modèles climatiques dans le but de comprendre et de prévoir le climat.
• Étude des macro phénomènes climatiques (El Nino, les moussons l'oscillation de Madden-Julian, l'oscillation nord-atlantique, ...).
• Étude de l'impact des changements climatiques sur la société et l'environnement.
• Étude des variations anciennes du climat (Paléoclimatologie).

Les grands éléments du système climatique

L'atmosphère

Coupe verticale de l'atmosphère terrestre

Atmosphère : du grec atmos -vapeur humide- et sphère On entend souvent par le terme atmosphère, la première de ses couches, à savoir la troposphère. L'atmosphère est une enveloppe gazeuse fondamentale à l'existence des êtres vivants et de la vie en milieu terrestre. Celle-ci joue également un rôle majeur dans le cycle de l'eau. (évaporation=précipitations)

L'air en son sein est défini en termes de température, pression, charge humide et mouvements ou direction(horizontaux et verticaux).

La partie de l'atmosphère la plus proche de la Terre est donc la troposphère, dans laquelle se jouent les principaux phénomènes météorologiques. Cette couche de l'atmosphère n'apparaît pas régulière dans la mesure où l'on observe une épaisseur plus importante au niveau de l'équateur (17 à 18 km).

Structure thermique atmosphérique et couches

On notera la présence de gradients thermiques qui varient sur une échelle horizontale de la troposphère jusqu'à la ionosphère. Jusqu'à environ 15 km d'altitude la température diminue (troposphère supérieure)

L'air, dans cette basse couche (8 à 9 km) est soumis à d'importantes turbulences. Cette instabilité a pour origine les reliefs ainsi que les contrastes thermiques générés par les grands ensembles continentaux et océaniques. La tropopause constitue la limite supérieure de la troposphère. La température moyenne y est de −57 °C.

La stratosphère

De 15 à 50 km. La température se remet à augmenter doucement. La cause est simple et provient de l'absorption par l'ozone des rayons Ultra Violet qu'elle contient. Le courant-jet, courant horizontal majeur trouve sa place dans cette stratosphère. La stratopause est la limite supérieure de cette couche.

La mésosphère

De 50 à 80 km.

Le gradient thermique redevient négatif. Il le devient à 80 km d'altitude d'environ −65 °C. La mésopause constitue sa limite supérieure.

L'ionosphère ou thermosphère De 80 à 100 km environ. Les températures augmentent fortement. On assiste à l'intérieur de cette couche atmosphérique au phénomène de dissociation des molécules d'hydrogène et de dioxygène. La thermopause, limite supérieure, reste floue.

Le rôle de l'énergie solaire

Répartition de l'énergie solaire reçue au sol sur le globe.

L'effet de serre

Les changements climatiques

• L'article changement climatique traite des variations climatiques périodiques (périodes de glaciation successives) observées depuis la formation de la Terre.

• L'article réchauffement climatique est dédié au phénomène contemporain, et notamment des effets induits par l'injection massive dans l'atmosphère de rejets de CO2 d'origine anthropique depuis la généralisation de la Révolution industrielle. Les effets induits sont considérables :

Plus de pluies en Europe occidentale, multiplication de mini tornades de type tropical dans des zones tempérées, risque de sécheresse et de désertification de la péninsule Ibérique, modification du Gulf stream entraînant une possible rupture de la circulation thermohaline ... les effets les moins facilement prédictibles sont les plus significatifs, à savoir : à partir de quel seuil de rupture s'enclenche une boucle de rétroaction qui, une fois lancée, échappera à toute tentative humaine pour la juguler ?

Ces aspects induisent des réflexions pour agir sur le climat, qui reviendraient à expérimenter sur ce terrain ce qui est scientifiquement confiné à une expérience de laboratoire : lire géo-ingénierie.

Risques, aléas et vulnérabilité des sociétés face au climat

La question de l'impact de l'évolution du climat sur le milieu dans lequel évolue nos société est essentielle. Une des réponses des spécialistes est d'étudier le passé climatique de la Terre (les glaciations et les périodes interglaciaires par exemple) pour en tirer des enseignements (voir paléoclimat), et d'utiliser des modèles de simulation du climat pour tenter d'extrapoler les conséquences d'évolution de certains paramètres (typiquement la température moyenne). Les risques identifiés sont principalement les conséquences d'une augmentation rapide de la température (0,5° durant le XX^e siècle, à comparer à une augmentation de 1° en 1000 ans lors des périodes de transition interglaciaire). Les conséquences de cette augmentation de température sont l'augmentation du niveau des océans (avec les risques d'inondation des zones côtières), l'accroissement de la désertification, la modification du régime des moussons, l'extinction d'espèces et la diminution de la biodiversité essentiellement.

Voir aussi

Bibliographie

• Climatologie, Jean Pierre Vigneau, Armand Colin, 2005
• Les climats: processus, variabilité et risques, Gerard Beltrando, Armand Colin, 2004
• Introduction à la climatologie, André Hufty, Broché, 2001
• Dictionnaire du climat, Gérard Beltrando et Laure Chémery, Larousse, 1995, ISBN 2-03-720233-4
• Locher, Fabien, Le Savant et la Tempête. Étudier l’atmosphère et prévoir le temps au XIXe siècle, Rennes, Presses Universitaires de Rennes, coll. « Carnot », 2008

Articles connexes

• Théorie astronomique des paléoclimats
• Météorologie
• Océanographie
• Records climatiques
• Liste de climatologues

Liens externes

• La Revue Climatologie
• Dossier Sagascience "Le climat de la Terre" du CNRS
• La complexité du climat, une animation proposée par la Fondation polaire internationale
• L'Institut Pierre Simon Laplace (IPSL) — Étude des Sciences de l'environnement
• Le premier observatoire francophone du changement climatique Un site d'Universcience destiné à tous celles et ceux qui souhaitent approfondir leur connaissance et leur compréhension du changement climatique en cours : vous y trouverez les dernières observations, projections, ainsi que l'explication des mécanismes de base.