Le climat et les mouvements de la Terre

1. A propos de la séquence

2. Le mouvement autour du soleil et le cycle des saisons

Commençons par nous échauffer les méninges en nous remémorant nos cours de physique ou nos visites au planétarium...

2.1. Pourquoi avons-nous des saisons ?

L'axe de rotation de la Terre n'est donc pas vertical. Il garde toujours la même direction dans l'espace, et cette direction fait un angle d'environ 23° avec la verticale.

C'est à cause de cette inclinaison que nous avons des saisons.

En effet, pendant la moitié de l'année, un des hémisphères sera penché vers le Soleil, et durant l'autre moitié, ce sera l'autre. La période où un des hémisphères est orienté vers le Soleil sera la période chaude dans cet hémisphère. Le milieu est le moment où l'axe de rotation est dirigé vers le Soleil : c'est le solstice, et il marque l'été dans cet hémisphère. Il y a donc deux solstices sur l'orbite terrestre, dont l'un marque l'été pour l'hémisphère Nord (et donc l'hiver pour l'hémisphère Sud) et l'autre l'été pour l'hémisphère Sud (et donc l'hiver pour l'hémisphère Nord).

Domaine Public

Les saisons sont certainement l'exemple qui nous est le plus familier de la dépendance du climat aux mouvements astronomiques.

2.2. L'atmosphère

Il nous faut introduire un dernier facteur-clé pour comprendre le climat. Quelques indices : elle est constituée de molécules en suspension, principalement de diazote (duos d'atomes d'azote), d'une part non négligeable de dioxygène (duos de deux atomes d'oxygène) mais aussi de molécules d'eau, de dioxyde de carbone, de méthane...

Eh oui ! C'est l'atmosphère. L'atmosphère est une couette gazeuse qui entoure la Terre, constituée à 

• 78% de molécules de diazote
• 21% de dioxygène
• 0,93% d'argon
• et moins de 0,05% d'autres gaz comme le dioxyde de carbone (le fameux CO₂).

Source Ekeland et BenDhia / Licence CC BY SA

Beaucoup de planètes du système solaire ont des atmosphères. Mais leurs compositions sont très différentes de celle de la Terre. Par exemple, l'atmosphère de Mars contient principalement des molécules de dioxyde de carbone et presque pas du tout de dioxygène. Celle de Vénus est surtout faite de dioxyde de carbone. Sur l'une comme sur l'autre, impossible pour les animaux terrestres de respirer.

2.3. Le brassage de l'atmosphère par les vents

Si vous demandez la météo de demain à Paris, quelles informations souhaitez-vous obtenir exactement ? La température au sol bien sûr. C'est le premier élément de la météo.

Quel est le second ? Le vent. Qu'est-ce que le vent ? Rien d'autre que les fameuses molécules en suspension (diazote, diozygène, ...) qui se déplacent ensemble dans l'atmosphère.

Mais cela, me direz-vous, ne dépend pas des mouvements astronomiques ! Et pourtant si. Si l'on monte dans un satellite et qu'on observe les grands déplacements d'air à l'échelle planétaire pendant une année, on va s'apercevoir qu'il y a une grande régularité et que ces déplacements peuvent être expliqués par les mouvements astronomiques de la Terre.

Vous aussi vous connaissez certainement des mouvements d'air réguliers et prédictibles.

Lorsque vous faites bouillir de l'eau liquide dans une casserole (c'est-à-dire qu'en chauffant des molécules d'eau sous forme liquide, vous les faites passer sous forme gazeuse), que se passe-t-il ? Les molécules se détachent les unes des autres et l'eau liquide se transforme en eau gazeuse, aussi appelée vapeur d'eau. Dans quelle direction vont ces molécules d'eau sous forme gazeuse ? Vers le haut ! Car dans un gaz, ce qui est chaud monte et ce qui est froid descend.

Voici un autre exemple pour illustrer l'impact de la rotation de la Terre sur le sens des vents : si vous tenez votre casserole bouillante sur le bord d'un manège qui tourne vite, est-ce que la vapeur d'eau qui se dégage en hauteur va vous chauffer les yeux ou bien viendra-t-elle se déposer sur le visage de votre voisin ? À cause du manège qui tourne, elle va atterrir sur la personne derrière vous dans le manège.

Ce genre de règles mécaniques s'applique aussi à l'échelle planétaire (les courants d'air chaud montent, ils sont déviés vers l'Ouest car la Terre tourne comme un manège d'Est en Ouest, etc.). Cela explique pourquoi les vents soufflent régulièrement d'un point à l'autre du globe.

La figure ci-dessous donne une représentation schématique du régime des vents sur la Terre, avec les flux chauds en rouges et les flux froids en bleus. L'essentiel ici n'est pas de connaître chacun des mouvements mais de comprendre que ces mouvements d'air sont aussi prédictibles et réguliers que l'air chaud qui monte dans un sauna.

Source : ESA Traduction UVED/ Licence CC BY SA 3.0

Arrêtons-nous un instant pour noter un second point capital. Cette figure montre que l'atmosphère terrestre est brassée en permanence. Cela veut dire que si l'on envoie une molécule persistante en suspension dans l'atmosphère, elle restera en suspension mais ne restera pas sur place. Elle sera déplacée d'un point à l'autre du globe au gré des vents.

Ainsi si une entreprise émet du CO₂, le gaz émis ne stagne pas au-dessus d'elle. Si tel était le cas, elle en souffrirait elle-même, et elle prendrait sans doute bien vite les mesures nécessaires pour y remédier. C'est parce que le gaz est dispersé qu'elle peut le négliger et le laisser se répandre sur la planète. Faute d'être réglée localement, la pollution devient alors un problème global.

2.4. Le climat

Température, humidité, vent en un point donné à un instant donné : voilà les trois composantes de la météo.

Ces composantes varient d'instant en instant et de place en place. Mais si vous enregistrez ces variations sur plusieurs journées, et cela pendant des mois, vous verrez qu'elles suivent des cycles périodiques. La plupart de ces cycles nous sont devenus très familiers (on sait tous que dans l'hémisphère Nord, il fait quasiment toujours plus chaud en juillet qu'en mars, et en mars qu'en décembre ; ou bien encore qu'il pleut plus en novembre qu'en juin).

C'est pourquoi on peut faire des moyennes sur plusieurs années et parler du « climat » d'un endroit donné sans spécifier une année en particulier. Ces moyennes sont en général prises sur trente ans, elles dépendent de l'endroit où l'on se place.

Ce sont ces moyennes de températures, vents et précipitations qui constituent le « climat ».

Logiquement, si les facteurs astronomiques, comme l'orbite terrestre ou l'inclinaison de l'axe, changent, le climat change.

A l'heure actuelle, l'orbite terrestre est presque circulaire: si elle s'aplatit, et si les solstices se rapprochent du Soleil, alors les hivers s'en éloigneront, et on aura des étés plus chauds et des hivers plus froids. De même, si l'axe s'écarte davantage de la verticale, les jours d'été rallongeront et les jours d'hiver raccourciront. Effectivement, tous ces facteurs changent, suivant des cycles réguliers, appelés cycles de Milankovic : de l'ordre de 100 000 ans et 400 000 ans pour l'orbite, de 40 000 pour l'inclinaison, et de 26 000 pour les solstices. Et le climat avec. 

Mais comment le sait-on ? Comment arrive-t-on à remonter le temps et reconstituer les climats passés ? C'est l'objet de la paléoclimatologie. Il reste des traces des changements climatiques passés dans les fossiles, les pollens par exemple, qui permettent de reconstituer la végétation. Mais la grande avancée est due aux forages polaires. L'idée de base est que la composition de la neige et de la glace dépend de la température et de l'insolation au moment où elles se sont formées. En outre, elles emprisonnent des bulles d'air qui témoignent de la composition de l'atmosphère à cette époque. On dispose donc d'archives qui permettent de mettre en parallèle la température et la teneur en dioxyde de carbone (CO₂) et en méthane (CH₄). Les premiers carottages, en Arctique, ont permis de remonter 80 000 ans en arrière, et les carottages réalisés en Antarctique nous permettent de remonter dix fois plus loin !

3. Idées d'activités

• Exercice sur les courbes (températures, CO₂, CH₄) (format .docx)
• Corrigé de l'exercice sur les courbes (format .docx)

4. Ressources complémentaires

5. Crédits

Cette leçon fait partie du Socle commun de connaissances et de compétences transversales sur l'anthropocène (S3C), produit par la Fondation UVED et soutenu par le Ministère de l'Enseignement supérieur et de la Recherche.

Elle est mise à disposition selon les termes de la Licence Creative Commons - 4.0 International : Attribution - Pas d’Utilisation Commerciale - Partage dans les Mêmes Conditions

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Première édition :  octobre 2023