Exercices: Le changement climatique

Observer le schéma de l'effet de serre. Expliquer ce que représente chaque flèche numérotée (1, 2 et 3), pourquoi l'effet de serre naturel est indispensable à la vie sur Terre et en quoi consiste sa perturbation d'origine humaine.

Citer trois gaz à effet de serre, indiquer la source principale de chacun et préciser lequel contribue le plus au réchauffement actuel et pourquoi.

Relier le cycle du carbone à l'augmentation du $\text{CO}_2$ atmosphérique depuis la révolution industrielle, en nommant les deux activités humaines qui contribuent le plus à cette augmentation.

Différencier temps météorologique et climat, et expliquer pourquoi une semaine de froid intense en hiver ne contredit pas la tendance au réchauffement climatique, en vous appuyant sur la différence entre une donnée ponctuelle et une moyenne à long terme.

Expliquer ce qu'est l'albédo d'une surface, quelles surfaces terrestres ont un albédo élevé et lesquelles un albédo faible, et pourquoi la fonte de la banquise arctique réduit l'albédo moyen de la planète.

Citer deux preuves du changement climatique observées en France (recul des glaciers alpins, avancée des dates de floraison, augmentation des vagues de chaleur, élévation du niveau de la mer sur le littoral) et expliquer en quoi consiste chacune.

Expliquer ce qu'est la séquestration du carbone et citer deux puits de carbone naturels (forêts, sols, océans, tourbières), en indiquant comment ils stockent le carbone et pendant combien de temps.

Qu'est-ce qu'une vague de chaleur et comment la définit-on en météorologie ? Expliquer pourquoi, dans un climat plus chaud, on s'attend à ce qu'elles soient plus fréquentes, plus longues et plus intenses même si la température moyenne n'augmente que d'un ou deux degrés.

Décrire deux conséquences du changement climatique déjà observables dans les écosystèmes de la péninsule ibérique et expliquer le mécanisme physique ou biologique qui les produit.

Différencier les stratégies d'atténuation et d'adaptation face au changement climatique et donner deux exemples concrets de chacune, en indiquant à quelle échelle (locale, nationale ou mondiale) elles s'appliquent.

La concentration de $\text{CO}_2$ atmosphérique est passée d'environ $280\ \text{ppm}$ à l'époque préindustrielle à environ $420\ \text{ppm}$ aujourd'hui. Calculer l'augmentation en pourcentage et discuter de ce qui serait arrivé aux écosystèmes si cette augmentation s'était produite sur plusieurs siècles plutôt qu'en moins de deux.

Le niveau de la mer monte pour deux causes principales : la dilatation thermique de l'eau lorsqu'elle se réchauffe et l'apport d'eau issue des glaciers et des calottes glaciaires continentales. Expliquer ces deux mécanismes et justifier, à l'aide du principe d'Archimède, pourquoi la fonte de la banquise flottante ne contribue pratiquement pas à cette hausse.

La température moyenne de la péninsule Ibérique a déjà augmenté de plus de $1{,}5\ \text{°C}$ depuis l'époque préindustrielle. Expliquer les conséquences de ce réchauffement sur le manteau neigeux des montagnes espagnoles et la façon dont change le régime des débits des cours d'eau qui y prennent leur source (plus d'eau en hiver, moins en été).

Le GIEC travaille avec des scénarios d'émissions, allant du très ambitieux au très élevé. Expliquer ce qu'est un scénario climatique, pourquoi la science ne peut pas annoncer une seule température future et quel rôle jouent les décisions humaines (énergie, économie, démographie) dans la fourchette des résultats.

De nombreux pays se sont engagés à atteindre la « neutralité carbone » d'ici 2050. Expliquer ce que signifie atteindre des émissions nettes nulles, quel rôle jouent dans le bilan les absorptions par les puits de carbone et pourquoi cela n'équivaut pas à cesser complètement d'émettre.

Les marais littoraux et les herbiers de posidonie stockent de grandes quantités de carbone dans leurs sédiments (« carbone bleu »). Expliquer pourquoi ce sont des puits de carbone particulièrement efficaces et durables, et justifier ce qui arrive à ce carbone lorsqu'un marais est asséché ou qu'un herbier est détruit par les mouillages et les travaux.

Lors d'un débat sur le changement climatique, une personne affirme : « Le climat a toujours changé pour des causes naturelles. De plus, comme l'eau chaude retient moins de gaz dissous, l'augmentation actuelle du $\text{CO}_2$ atmosphérique est une conséquence du réchauffement naturel des océans et non des activités humaines ».\na) Comparer la vitesse du réchauffement actuel avec celle des transitions climatiques du passé géologique (comme les déglaciations du Quaternaire) et en déduire pourquoi la rapidité du changement actuel écarte les cycles orbitaux de Milankovitch comme cause principale.\nb) Utiliser l'équilibre du système des carbonates marins et les données d'acidification des océans (baisse continue du pH marin) pour réfuter l'idée selon laquelle le $\text{CO}_2$ proviendrait du dégazage océanique.\nc) Expliquer comment l'observation d'un réchauffement de la troposphère associé à un refroidissement de la stratosphère permet d'écarter l'hypothèse d'un changement causé par une augmentation de l'activité solaire et confirme le rôle de l'effet de serre.

Concevoir un plan d'atténuation pour votre commune : choisir trois secteurs (par exemple l'énergie, les transports et les puits de carbone) et justifier, pour chaque action proposée, comment elle réduit les émissions ou augmente les absorptions et quels co-bénéfices elle apporte.

Imaginer que le réchauffement climatique dépasse le seuil de $+1{,}5\ \text{°C}$, déclenchant des processus accélérés aux hautes latitudes boréales.\na) Modéliser, à l'aide d'un diagramme de causes et d'effets, l'interaction entre la fonte estivale de la banquise arctique et le bilan radiatif océanique. Prévoir l'impact de cette boucle sur l'absorption de chaleur par l'eau et sur la formation de glace durant les hivers suivants.\nb) Dans les tourbières et les sols de pergélisol en dégel se forment des lacs thermokarstiques. Justifier dans quelles conditions biogéochimiques la décomposition de la matière organique libérera principalement du $\text{CH}_4$ plutôt que du $\text{CO}_2$, et justifier, en fonction du forçage radiatif relatif des deux gaz, pourquoi cela aggrave le forçage à court terme.\nc) À partir des deux mécanismes, justifier ce qu'est un « point de bascule » (tipping point) et expliquer pourquoi, une fois celui-ci franchi, l'arrêt total des émissions anthropiques pourrait ne pas suffire à stopper le réchauffement.

Pour déterminer les causes du réchauffement climatique récent, une équipe de recherche analyse les observations empiriques suivantes :\n1. L'irradiance solaire totale oscille selon des cycles de 11 ans mais montre une légère tendance à la baisse depuis 1980, tandis que la température moyenne globale augmente de façon continue.\n2. Les grandes éruptions volcaniques provoquent des baisses de température globales de $0{,}2$ à $0{,}5\ \text{°C}$ qui durent entre 1 et 3 ans, après lesquelles le réchauffement reprend.\n3. Les modèles climatiques ne parviennent à reproduire le réchauffement observé à partir de 1970 que lorsqu'ils intègrent les émissions anthropiques de gaz à effet de serre et d'aérosols.\n4. Le rapport isotopique $^{13}\text{C}/^{12}\text{C}$ ($\delta^{13}\text{C}$) du $\text{CO}_2$ atmosphérique diminue en même temps que se dilue la concentration de l'isotope radioactif $^{14}\text{C}$ (effet Suess).\na) Définir le forçage radiatif (en $\text{W/m}^2$) et, à partir des données 1 et 2, en déduire le signe net du forçage solaire et volcanique au cours des quatre dernières décennies.\nb) À partir de la donnée 3, justifier pourquoi les simulations climatiques démontrent que le forçage anthropique est le facteur causal déterminant et non une corrélation fortuite.\nc) À l'aide de la donnée 4, déduire quel type de source de carbone (émissions volcaniques, biomasse végétale vivante ou combustibles fossiles) est dépourvu de $^{14}\text{C}$ et appauvri en $^{13}\text{C}$, démontrant ainsi l'origine de l'excès de $\text{CO}_2$.

Analyser les disparités géographiques du réchauffement à partir de la situation suivante :\nCes dernières années, la péninsule Ibérique a connu en été des vagues de chaleur historiques liées à des dorsales anticycloniques stationnaires, tandis que l'Arctique se réchauffait à un rythme presque trois fois supérieur à la moyenne mondiale (amplification arctique).\na) Expliquer la succession de rétroactions physiques (bilan radiatif, albédo de la glace et de la neige, absorption océanique) responsable du fait que l'Arctique connaît un réchauffement bien plus intense que le reste de la planète.\nb) Le courant-jet polaire (jet stream) dépend du gradient thermique entre le pôle et les latitudes tempérées. Prévoir comment l'amplification arctique affecte la vitesse et l'ondulation du jet, et en déduire pourquoi cela favorise des situations météorologiques extrêmes et persistantes (blocages anticycloniques, gouttes froides ou dépressions isolées en altitude) aux moyennes latitudes.\nc) Dans un bassin méditerranéen semi-aride, analyser la boucle sol-atmosphère : prévoir ce qui se passe pour la répartition entre chaleur sensible et chaleur latente lorsque le sol épuise son humidité au printemps et justifier comment ce phénomène amplifie les températures extrêmes estivales.

Une station de ski située à $1800\ \text{m}$ d'altitude dans les Pyrénées a vu la durée moyenne de sa saison de neige naturelle passer de 120 à 75 jours au cours des trente dernières années. Pour maintenir l'activité économique, l'entreprise gestionnaire prévoit de construire un bassin de $200\,000\ \text{m}^3$ d'eau et d'installer des canons à neige artificielle pour couvrir $80\ \%$ du domaine skiable.\na) Justifier pourquoi cette solution technique peut être considérée comme un exemple de « maladaptation », en analysant son bilan énergétique, son empreinte carbone et son impact sur la disponibilité en eau des écosystèmes fluviaux en aval.\nb) Si l'isotherme de $0\ \text{°C}$ en hiver monte de $150\ \text{m}$ supplémentaires au cours des prochaines décennies, évaluer les limites thermodynamiques de la production de neige de culture (température du thermomètre mouillé) et prévoir la viabilité de la station à moyen terme.\nc) Concevoir une proposition alternative d'adaptation socio-économique et écologique pour la vallée, qui remplace la monoculture de la neige, en justifiant comment elle diversifie l'emploi et protège la biodiversité alpine.

Pour avoir $50\ \%$ de chances de limiter le réchauffement à $1{,}5\ \text{°C}$, le budget carbone mondial restant est estimé à environ $250\ \text{Gt}$ de $\text{CO}_2$. Actuellement, l'humanité émet environ $40\ \text{Gt}$ par an.\na) Démontrer mathématiquement que, si les émissions mondiales diminuaient de façon linéaire à partir d'aujourd'hui jusqu'à atteindre la neutralité nette, le temps disponible pour atteindre la neutralité sans épuiser le budget de $250\ \text{Gt}$ ne serait que de $12{,}5$ ans (contre $6{,}25$ ans si elles restaient constantes). En déduire l'implication de ce décalage temporel pour les politiques d'atténuation immédiates.\nb) Expliquer pourquoi le réchauffement cumulé dépend des émissions historiques cumulées et non du flux d'émission annuel, et en déduire pourquoi stabiliser les émissions à une valeur constante ne freine pas la hausse des températures.\nc) De nombreux scénarios d'atténuation prévoient un « dépassement » (overshoot), en supposant que nous dépasserons le budget puis refroidirons la planète grâce à des technologies d'absorption du $\text{CO}_2$. Évaluer de façon critique deux risques biophysiques ou écologiques liés au fait de confier la stabilité climatique à ces technologies.

Analyser les données suivantes concernant deux pays lors d'un sommet international sur le climat :\n• Pays A (pays développé) : population : 40 millions ; émissions historiques cumulées (1850-2020) : $18\ \%$ du total mondial ; émissions actuelles par habitant : $12\ \text{t}$ de $\text{CO}_2$/an ; PIB par habitant : $42\,000\ \text{€}$.\n• Pays B (petit État insulaire en développement) : population : 1 million ; émissions historiques cumulées : $<0{,}05\ \%$ ; émissions actuelles par habitant : $1{,}2\ \text{t}$ de $\text{CO}_2$/an ; PIB par habitant : $3\,000\ \text{€}$ ; son territoire subit la salinisation des aquifères et une érosion côtière irréversible due à la montée du niveau de la mer.\na) Appliquer le principe de « responsabilités communes mais différenciées et capacités respectives » pour justifier quelles obligations concrètes de financement et d'atténuation le pays A doit assumer envers le Fonds pour les pertes et préjudices au bénéfice du pays B.\nb) Le pays A propose de fixer une réduction identique de $40\ \%$ des émissions de tous les pays par rapport à leurs niveaux actuels d'ici 2035. Évaluer, selon des critères de justice climatique et de développement socio-économique, l'impact asymétrique de cette proposition sur le pays B.\nc) Concevoir un critère équitable de répartition de l'effort d'atténuation qui pondère les émissions historiques cumulées, les émissions par habitant et l'indice de développement humain, en justifiant pourquoi l'équité est une condition indispensable à l'efficacité des accords climatiques.