Le climat de la Terre

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Le climat de la Terre




Le climat de la Terre résulte principalement de trois facteurs : l’énergie solaire, l’effet de serre et les circulations atmosphérique et océanique. La répartition géographique et saisonnière de l’énergie solaire dépend, quant à elle, de la rotondité de la Terre, de l’inclinaison de son axe de rotation et de son orbite autour du Soleil. Les différentes aires climatiques en sont la traduction ; elles conditionnent la répartition de la vie sur Terre.

1 - Soleil et effet de serre

Le Soleil est l’étoile centrale du système solaire qui est constitué de 8 planètes : Mercure, Vénus, la Terre, Mars, Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune. A la « surface » du Soleil il fait très chaud, environ 6000° Celsius. Ni trop proche, ni trop éloignée du Soleil, la Terre est la seule planète du système solaire à héberger la vie en abondance grâce à une température moyenne de surface de 15°C qui permet la présence d’eau liquide. L’énergie solaire et la présence d’une atmosphère sont les deux éléments qui conditionnent cette température. Comme les vitres d’une serre, certains gaz présents naturellement dans l’atmosphère, notamment la vapeur d’eau et le gaz carbonique, entravent l’évacuation de chaleur d’origine solaire et permettent d’obtenir cette température clémente de 15°C. C’est le phénomène de l’effet de serre naturel. Sans cet effet de serre, la température à la surface de la Terre serait de -18°C et la vie, si elle s’ y avérait possible, serait fort différente. Le Soleil nous envoie un rayonnement composé d’un peu d’ultraviolets, et surtout de lumière visible et d’infrarouge proche. 30% de ce rayonnement est directement réfléchi par les nuages, l’atmosphère et la surface de la Terre. Les 70% restants sont absorbés pour 20% par des gaz présents naturellement dans l’atmosphère et pour 50% par les océans et le sol. En définitive ce sont donc seulement 50% du rayonnement solaire initial qui arrivent au niveau de la surface de la Terre. Cette absorption du rayonnement solaire réchauffe l'atmosphère et, surtout, la surface de la Terre. En retour, l’atmosphère et la surface de la Terre vont évacuer cette énergie, convertie en chaleur, en direction de l'espace. Cette évacuation de chaleur se fait sous forme de rayonnement infrarouge moyen. Une partie de ce rayonnement infrarouge terrestre (10%) s’échappe directement vers l’espace, les 90% restants sont captés par les gaz à effet de serre présents naturellement dans l’atmosphère. Ces gaz à effet de serre, principalement vapeur d’eau et gaz carbonique, ayant capté de la chaleur d’origine solaire et de la chaleur montant de la surface du globe, réémettent cette énergie sous forme de rayonnement infrarouge. Une partie de ce rayonnement, les 2/3, retourne vers le sol, le chauffant donc une deuxième fois, après que le Soleil l’a déjà fait une première fois. Le tiers restant s’échappe vers l’espace. Cette explication simplifiée de l’effet de serre ne tient pas compte, par exemple, du phénomène d’évaporation de l’eau liquide à la surface de la Terre qui est à l’origine de la formation des nuages. Cette évaporation contribue au réchauffement de l’atmosphère, et de plus, elle joue un rôle essentiel dans le cycle de l’eau. C'est cet échange constant entre la surface de la Terre et les gaz à effet de serre qui permet à la Terre de bénéficier d’une température moyenne de +15°C. L’effet de serre naturel de notre atmosphère est donc un phénomène bénéfique sans lequel la vie telle que nous la connaissons n’aurait pas été possible. Quand dans l’actualité on parle d’effet de serre, en l’associant à une notion de danger, c’est de l’intensification de l’effet de serre naturel dont on veut parler. Elle résulte de l’augmentation des gaz à effet de serre due aux activités humaines, en particulier la combustion de carburants fossiles. On estime que cette intensification de l’effet de serre explique une partie importante du réchauffement planétaire observé ces 50 dernières années. On cherche actuellement à mieux chiffrer ce qui peut advenir d’ici la fin du 21ème siècle.


Le rayonnement solaire

Le Soleil existe depuis plusieurs milliards d’années. Les rayons solaires arrivent en permanence sur Terre et chauffent la surface de notre planète. Sans cet apport d’énergie, la Terre serait glaciale. Quel est donc ce rayonnement solaire indispensable à notre planète ? L’énergie solaire arrive sur Terre sous forme d’un rayonnement électromagnétique dont la lumière visible fait partie. Un rayonnement électromagnétique se décompose en ondes radio et millimétriques, en émissions dans l’infrarouge, le visible et l’ultraviolet et, au-delà, en rayons X et gamma. Un corps froid comme la Terre émet principalement des ondes radio, millimétriques et infrarouges. Un corps chaud comme le Soleil émet sur tout le spectre. Il nous envoie un flux d’énergie dominé par la partie visible du spectre. Une partie de ce rayonnement est absorbée par l’atmosphère. Les rayonnements ultraviolets et X sont principalement absorbés au-dessus de 100 km en altitude, tandis que les rayonnements visible et infrarouge sont en partie réfléchis par l’atmosphère et les nuages. La surface de la Terre, qui n’est pas très chaude, 15°C en moyenne, réémet une partie de l’énergie solaire qui peut être absorbée par l’atmosphère (gaz à effet de serre) et les nuages. L’énergie solaire reçue par la Terre n’est pas constante dans le temps. Le cycle solaire, d’une périodicité de 11 ans, est observé depuis des siècles à travers la variation du nombre de taches à la surface du Soleil. Le flux d’énergie émis par le Soleil ne varie cependant que d’un millième environ au cours d’un tel cycle.


L'ozone

L’ozone est un gaz dont la molécule est formée par 3 atomes d'oxygène. Il est très réactif et son abondance dans l'air résulte d'un équilibre entre processus de formation et destruction. On trouve l’ozone principalement dans deux régions atmosphériques et son rôle vis-à-vis des organismes vivants est bénéfique dans un cas et toxique dans l'autre. La première région est la stratosphère située au-dessus de 10 kilomètres d'altitude et s’étendant jusque vers 50 km. Ramenée à la pression atmosphérique de la surface de la Terre cette couche aurait une épaisseur d'environ 3 mm. L’ozone est partiellement détruit au printemps dans les zones polaires suite principalement aux conditions météorologiques particulières dans ces régions en hiver et à la présence d'atomes de chlore et de brome dans la stratosphère, lesquels résultent des émissions de chlorofluorocarbures (CFC) et de halons par l'homme. Sa destruction au-dessus du continent Antarctique, en septembre – octobre, est particulièrement marquée et conduit au fameux "trou d'ozone". Plus faible dans l'hémisphère nord, ce phénomène n'en est pas moins observé régulièrement. La destruction d’ozone qui se produit aussi à un degré moindre dans les régions de moyenne latitude, a conduit à une diminution régulière de la couche d’ozone sur les dernières décennies. Le rôle bénéfique de l’ozone stratosphérique résulte de sa capacité à absorber les rayons solaires dans une certaine gamme de l’ultraviolet, les UVB, et à protéger ainsi les cellules vivantes à la surface de la Terre de leur action destructrice. L’ozone est le seul composé atmosphérique, présent en quantité suffisante, à être capable d'absorber dans cette gamme de longueur d'onde. Ce phénomène de destruction a commencé à se manifester vers la fin des années 70. Suite au protocole de Montréal signé pour l'arrêt des émissions de CFC et de halons, la destruction de la couche d’ozone s’est arrêtée vers la fin des années 90, mais la récupération totale de cette couche ne se fera pas avant plusieurs décennies. La seconde région où l'ozone est présent, de façon plus ou moins homogène, est la troposphère située entre la surface terrestre et 10-16 km d’altitude. L’abondance d’ozone y est dix fois moindre que dans la stratosphère. Bien que s’agissant de la même molécule, l’ozone troposphérique est un polluant. Son action d'oxydant puissant en fait un gaz toxique lorsqu'il atteint des concentrations trop élevées. Les gaz d’échappements des véhicules par exemple, constitués de polluants qui à la suite de réactions chimiques forment de l’ozone, sont en partie responsables de l'augmentation de la concentration d'ozone dans la troposphère. Quand un certain seuil est dépassé, on parle du fameux pic d’ozone, des messages d’alerte sont diffusés, afin de réduire la vitesse de circulation automobile dans les grandes agglomérations.


Les gaz à effet de serre

Le principal gaz à effet de serre (GES) naturel est la vapeur d’eau. Elle contribue pour moitié à l’effet de serre naturel. L’autre GES naturel important est le gaz carbonique qui contribue au quart de l’effet de serre naturel. Le gaz carbonique représente pourtant seulement 0,03 % des molécules composant l’air. D’autres gaz, le méthane, le protoxyde d’azote, l’ozone, participent également à l’effet de serre naturel, mais de façon plus faible. Les activités humaines rejettent d’importantes quantités de gaz à effet de serre dans l’atmosphère. Ces gaz d’origine anthropique sont très probablement responsables des tendances climatiques observées depuis 1975. Ces gaz sont principalement :
- le gaz carbonique (CO2) qui provient en majorité de la combustion des énergies fossiles (pétrole, charbon, gaz naturel) utilisée pour les transports et le chauffage et, d’une façon moindre, de la déforestation;
- le méthane (CH4) abondant dans les zones humides naturelles ou anthropiques telles les rizières, également issu de la digestion des ruminants, des décharges et des pertes lors de l’extraction, du transport et de l’utilisation du gaz naturel ;
- le protoxyde d’azote (N2O) qui entre dans la composition des engrais ;
- les halocarbures, dont les célèbres CFC, qui n’existent pas à l’état naturel pour la plupart. L’industrie les a longtemps utilisés pour fabriquer certains produits, ou comme gaz réfrigérants ou propulseurs.
Le temps de présence d’un gaz dans l’atmosphère est appelé « temps de résidence ». La vapeur d’eau reste seulement quelques jours dans l’atmosphère. Mais la majorité des gaz à effet de serre reste bien plus longtemps : d’une décennie pour le méthane jusqu’à des milliers d’années pour certains halocarbures.


L'albédo

L’albédo est une valeur physique qui permet de connaître la quantité de lumière solaire incidente réfléchie par une surface. Concernant le climat, cette variable est importante car elle exprime la part de rayonnement solaire qui va être renvoyée par l’atmosphère et la surface terrestre vers l’espace et qui donc ne servira pas à chauffer la planète. L’albédo est une grandeur sans dimension. Sa valeur s’exprime soit par un pourcentage entre 0% et 100%, qui est donc le pourcentage de lumière réfléchie par rapport à la quantité reçue, soit par un chiffre entre 0 et 1, qui est la fraction de la lumière réfléchie. Ainsi une surface parfaitement blanche réfléchit toute la lumière et son albédo est de 100%. A l’inverse, une surface parfaitement noire ne réfléchit aucune lumière, donc absorbe l’intégralité du rayonnement solaire qu’elle reçoit. Son albédo est de 0%. Par exemple, les océans ont un albédo compris entre 5 et 10%; le sable entre 25 et 40%; la glace environ 60%; la neige épaisse et fraîche jusqu'à 90%. Les continents, qui ont un albédo plus élevé que celui des océans, apparaissent plus clairs sur les photos satellite que les océans qui, eux, apparaissent noirs. Toutes surfaces confondues, l'albédo moyen terrestre est de 30%. La fonte de la banquise ou les variations d’occupation des sols, comme dans les cas de déforestation massive, entraînent une modification de l’albédo, ce qui contribue à modifier les échanges d’énergie sur la planète, et donc influe sur le climat. Des changements dans la couverture nuageuse entraînent des modifications de l’albédo de la planète et de la transmission du rayonnement infrarouge, donc de l’effet de serre, ce qui contribue aussi à modifier les échanges de chaleur et d’eau sur la planète.

Le cycle de l'eau

Les mers et les océans, les eaux continentales superficielles et souterraines, l’atmosphère et la biosphère sont les quatre réservoirs d’eau de l’hydrosphère. L’échange d’eau entre ces quatre compartiments est permanent, c’est le cycle externe de l’eau. Le moteur en est le soleil dont l’énergie thermique rayonnée active et maintient constamment les masses d’eau en mouvement. L’eau se trouve sous ses trois différentes formes dans le cycle de l’eau: l’eau liquide (état liquide) dans les fleuves, les océans et les nuages; la vapeur d’eau (état gazeux) dans l’atmosphère, et la glace (état solide) dans les calottes polaires, les glaciers et la banquise. La quantité d’eau présente sur Terre, la même depuis plusieurs milliards d’années, soit environ 1400 milliards de km3, se transforme en occupant différents états physiques et se déplace en permanence. La circulation de l’eau se déroule en plusieurs étapes: 1. L’évapotranspiration: l’eau s’évapore de la surface des océans, mais aussi des continents avec l’évaporation des sols et la transpiration de la végétation, passant ainsi de l’état liquide à l’état gazeux; 2. La condensation: l’eau évaporée se condense, passant inversement de l’état gazeux à l’état liquide, dans l’atmosphère, pour former les nuages; 3. Les précipitations: l’eau des nuages retombe sur la surface terrestre sous forme de gouttes de pluie ou de flocons de neige, en fonction de la température de l’air; 4. L’infiltration et le ruissellement: l’eau précipitée s’infiltre directement dans le sous-sol, jusqu’aux nappes souterraines, ou bien ruisselle dans les rivières et les fleuves, jusqu’aux océans. Le long voyage de l’eau recommence alors avec l’évapotranspiration, etc. En moyenne sur l’année et sur l’ensemble des continents, 65% des précipitations qui arrivent au sol s’évaporent et les 35% restants ruissellent et s’infiltrent. Durant ce cycle continu, l’eau reste stockée dans certains "réservoirs". Ainsi elle ne reste qu’une ou deux semaines dans l’atmosphère et les cours d’eau, quelques milliers d’années dans les océans et les glaciers et peut être stockée jusqu’à plus d’un million d’années dans les calottes polaires, comme c’est le cas en Antarctique. Le cycle de l’eau participe au transfert de chaleur entre la surface de la terre et l’atmosphère. En effet, lors de l’évaporation, le passage de l’état liquide où les molécules d’eau sont liées entre elles, à l’état de gaz, où les molécules d’eau sont indépendantes les unes des autres, nécessite un apport d’énergie pour casser les liaisons qui maintiennent les molécules entre elles dans la phase liquide. Cette énergie nécessaire est prise là où l’eau liquide s’évapore : c’est pourquoi l’évaporation de la surface (océans, sols et végétation) entraîne un refroidissement de cette surface. Inversement, lorsque la vapeur d’eau se condense dans l’atmosphère, la même quantité d’énergie est restituée à l’air ambiant. L’évaporation–condensation conduit ainsi à un transfert de chaleur depuis la surface de la planète vers l’atmosphère. L’air réchauffé va ensuite être transporté par la circulation atmosphérique.


2 - Mouvements et inclinaison

En un point donné, la température moyenne mesurée à la surface de la Terre n’est pas constante tout au long de l’année : c’est le phénomène de l’alternance des saisons. Dans les zones tempérées, l’année voit la succession de quatre saisons. Il y a trois raisons à ce phénomène : la révolution de la Terre autour du Soleil, la rotondité de la Terre et l’inclinaison de l’axe de rotation journalière de la Terre, l’axe des pôles, par rapport au plan de son orbite autour du Soleil. La Terre tourne autour du Soleil sur une orbite en forme d’ellipse, contenue dans un plan, le plan de l’écliptique. L’excentricité de cette orbite est si faible que notre planète se déplace pratiquement sur un cercle. La Terre effectue ce tour complet autour du Soleil en une année. Compte tenu de la rotondité de la Terre, à l ‘équateur les rayons arrivent perpendiculairement à la surface et plus on se rapproche des pôles, plus les rayons arrivent obliquement par rapport à la surface de la Terre. Donc, pour la même quantité d’énergie solaire arrivant au sol, la surface réchauffée sera plus petite à l’équateur qu’aux pôles. La quantité d’énergie reçue par unité de surface au niveau du sol sera donc plus grande à l'équateur qu’aux pôles. D’autre part, plus on se rapproche des pôles, plus les rayons solaires doivent parcourir une grande distance dans l'atmosphère où ils perdent de leur énergie. Au final, la quantité d’énergie reçue est par exemple deux fois plus importante à l’équateur qu’à 60° de latitude. Mais révolution autour du Soleil et rotondité de la Terre n’expliquent pas le phénomène des saisons. Il est dû uniquement au fait que l’axe des pôles n’est pas perpendiculaire au plan de l’écliptique, ou si on préfère, que le plan équatorial de la Terre et le plan de l’écliptique ne sont pas confondus. Ils forment un angle appelé obliquité, qui est de 23,5°. Si cet angle était nul, pour une même latitude, celle de Paris par exemple, on constaterait que, en décembre et en juin, la quantité d’énergie solaire reçue serait la même. Il n’y aurait donc pas de différence de température entre l’hiver et l’été. Dans la réalité, on constate qu’en décembre les rayons du Soleil arrivent très inclinés à cette latitude. La quantité d’énergie solaire reçue est faible. C’est l’hiver. En revanche, en juin, à la même latitude, les rayons du Soleil arrivent beaucoup plus perpendiculairement. La quantité d’énergie reçue est forte. C’est l’été. En dehors des zones tempérées, on ne retrouve pas cette alternance régulière de quatre saisons bien marquées. Entre les deux tropiques par exemple, le Soleil est toujours suffisamment proche de la perpendiculaire pour que la différence de température entre été et hiver ne soit pas très marquée. Il n'y a alors souvent que deux « saisons », au sens climatique, une saison des pluies et une saison sèche.


L'énergie solaire

L’énergie solaire vient de la fusion nucléaire qui a lieu au cœur du Soleil où les températures dépassent 10 millions de degrés Celsius. Cette énergie se propage d’abord vers la « surface » du Soleil où les températures valent encore 6000° C, puis dans le système solaire sous la forme d’un rayonnement électromagnétique. L’énergie solaire est la principale source d’énergie qui chauffe la surface de la Terre. Le Soleil nous envoie chaque jour une quantité considérable d’énergie : en une année, l’humanité tout entière consomme une énergie qui représente moins de 3% de ce que le Soleil nous envoie chaque jour. En comparaison, l’énergie géothermique, celle qui provient de la chaleur interne de la Terre, représente moins du millième de l’énergie solaire. Les autres sources d’énergie, rayonnement cosmique, lumière des étoiles par exemple, ne représentent qu’un millionième de l’énergie solaire. En moyenne sur la surface du globe (en moyennant jour et nuit, hiver et été, tropiques et pôles), le Soleil envoie 342 watts par mètre carré au niveau de la haute atmosphère. Environ 30% de cette énergie sont renvoyés, réfléchis, dans l’espace. La variation de l’irradiance solaire, avec le cycle de 11 ans des taches, a été mesurée de façon précise par des instruments embarqués sur des satellites artificiels depuis 1978. Elle est très faible : 0,1%. Cette variation affecte surtout le rayonnement ultraviolet solaire qui est absorbé en grande partie en altitude, dans la stratosphère. Les variations de la partie de l’énergie solaire qui arrive en été sur les zones polaires, dues aux cycles de 19 000 à 400 000 ans des petites variations de l’axe de rotation et de l’orbite de la Terre, semblent commander les alternances entre périodes glaciaires et interglaciaires.


La position de la Terre

La position de la Terre par rapport au Soleil change en permanence en fonction de trois paramètres : - l’excentricité de l’orbite terrestre varie entre 0,005 et 0,05 sur une période de 100 000 ans. Actuellement elle est d’environ 0,016 ; - l’inclinaison de la Terre varie entre 22° et 25°, par rapport au plan de l’écliptique, sur une période de 41 000 ans. Actuellement l’inclinaison de la Terre est de l’ordre de 23,5° ; - la précession des équinoxes entraîne un mouvement de l’axe de rotation de la Terre sur un cône de révolution au cours d’une période de 21 000 ans. La variation de ces paramètres orbitaux modifie sans cesse la position et l’exposition de la Terre par rapport au Soleil. Ces variations sont faibles. Elles sont pourtant suffisantes pour modifier la part de l’énergie solaire qui arrive sur Terre. Ces changements sont à l’origine de la théorie qui permet d’expliquer les grands changements climatiques que l’on observe depuis deux millions d’années sur notre planète. C’est la théorie astronomique de Milankovitch. Les petites variations orbitales entraînent de grands cycles climatiques sur des périodes de 100 000 ans. On observe une série de longues périodes glaciaires, suivies par des périodes interglaciaires plus courtes (durée de 10 000 à 20 000 ans), mais aussi plus chaudes. La différence de température moyenne entre ces périodes est de l’ordre de 5°C sur la planète. La période interglaciaire dans laquelle nous vivons a débuté il y a 11 000 ans. Elle pourrait durer encore plusieurs dizaines de milliers d’années.

Les saisons

La trajectoire de la Terre autour du Soleil et l’inclinaison de l’axe de rotation journalière de notre planète par rapport à son plan orbital (plan de l’écliptique) sont à l’origine des variations saisonnières du climat. Au cours de l’année, en fonction de la position de la Terre sur son orbite, les différents points à la surface de la Terre ne reçoivent pas la même quantité de rayonnement solaire. Plus les rayons arrivent perpendiculairement au sol, plus il fait chaud ; plus ils arrivent obliquement, moins il fait chaud. Une année connaît : - deux équinoxes : une vers le 20 ou 21 mars, l’autre vers le 22 ou 23 septembre. A l’équinoxe les rayons du Soleil arrivent verticalement par rapport à un point de l’équateur. La durée du jour est égale à la durée de la nuit, d’où le nom équi-noxe. - deux solstices : un vers le 20 ou 21 juin, l’autre vers le 21 ou 22 décembre. Au solstice, l’angle entre le plan équatorial terrestre et la direction des rayons est maximale. Dans l’hémisphère nord le solstice de juin correspond au solstice d’été, l’illumination par le Soleil y est maximale. Dans l’hémisphère sud le solstice de juin correspond au solstice d’hiver. Dans les zones de climat tempéré, aux latitudes moyennes, les saisons astronomiques correspondent à quatre phases d’évolution du climat dans l’année : hiver, printemps, été, automne. En zones tropicales on parle également de saisons, mais au sens de saison sèche et de saison des pluies. Les noms des saisons et les phénomènes climatiques associés sont inversés dans les deux hémisphères.

3 - Atmosphère et océans

Le moteur principal des mouvements atmosphériques est le Soleil. Celui-ci réchauffe la surface de la Terre, qui réchauffe à son tour l'air ambiant. Au contact de la surface terrestre, les masses d’air se réchauffent et ont tendance à monter car l’air chaud est moins dense que l’air froid. Au niveau du sol, se produit alors une dépression, ou basse pression. Les masses d’air froid ont, elles, tendance à descendre et à former des anticyclones, ou hautes pressions, au niveau du sol. En s'élevant l'air chaud se refroidit et, lorsqu’il redescend vers le sol, il se réchauffe à nouveau.
Cette circulation en boucle s’organise à l’échelle de la planète en fonction du bilan d’énergie. En moyenne sur le globe le bilan est nul, mais il se caractérise par une accumulation d’énergie aux basses latitudes et un déficit aux pôles. La circulation s’organise depuis les hautes pressions polaires vers les basses pressions équatoriales au niveau du sol et le retour se fait en haute atmosphère.
Ce n’est pas une seule cellule zonale mais trois cellules qui vont s’organiser dans chaque hémisphère. L’air chaud et humide qui monte du sol dans les régions de basses pressions équatoriales se déplace vers les pôles Nord et Sud de part et d’autre de l’équateur en se refroidissant. Vers 30° cet air tropical rencontre l’air froid polaire, redescend en surface et revient vers l’équateur sous forme d’alizés. Cette cellule tropicale transfère la chaleur de l’équateur vers les tropiques. Entre 30 et 60° une cellule inverse se met en place, marquée par des vents du sud au nord au sol et, plus au nord, l’air froid et dense s’écoule vers les latitudes tempérées formant la troisième cellule.
En outre, la rotation terrestre affecte ce déplacement des masses d’air : les vents soufflant des hautes pressions vers les basses pressions sont déviés sur leur droite dans l’hémisphère nord et sur leur gauche dans l’hémisphère sud. L’air chaud et humide qui monte du sol dans les régions de basses pressions équatoriales est dévié vers l’est lors de son déplacement vers le nord et se transforme vers 30°N en un puissant courant-jet, qui surplombe la région de rencontre au sol entre l’air tropical et l’air polaire. Cette région est caractérisée par un front thermique instable qui engendre les perturbations atmosphériques dont l’activité est très efficace pour le transfert de chaleur du sud au nord. Le transfert d’énergie thermique de l’équateur vers les pôles est également assuré par l’océan où un système de courants se met en place pour contrebalancer l’inégale répartition de l’énergie thermique reçue en surface.
La circulation océanique de surface est principalement due à l’action des vents et est affectée, comme les vents, par la force de Coriolis. Elle est aussi sensible aux variations du niveau de la mer et du champ de pression. En moyenne, les océans transportent de la chaleur de l’équateur vers les pôles par les grands courants de bord ouest, Gulf Stream et Kuro Shio dans l’hémisphère nord, et courants du Brésil et des Aiguilles dans l’hémisphère sud. Ces eaux se refroidissent, plongent aux latitudes tempérées et reviennent vers l’équateur en profondeur. Mais des particularités géographiques régionales importantes modifient ce schéma général : ainsi, seul l’océan Pacifique suit ce schéma. L’océan Indien, bloqué au nord par la barrière du sous-continent indien, transfère de la chaleur vers le sud à toute latitude et l’océan Atlantique, ouvert sur l’océan Arctique, transfère de la chaleur vers le nord à toute latitude. Ce fonctionnement de l’océan Atlantique, partie prenante du tapis roulant de la circulation générale, est lié à sa capacité de former des eaux profondes dans la région sub-arctique. En effet, une branche des eaux chaudes et salées de l’Atlantique remonte vers l’Arctique le long des côtes européennes. Elle se refroidit progressivement et devient ainsi plus dense. Lorsque le point de congélation est atteint, une partie des eaux se transforme en banquise, rejetant son sel dans les eaux environnantes, ce qui en augmente encore la densité. Ces eaux froides et salées, très denses, plongent par gravité entre 2000 et 4000 mètres de fond. Elles forment alors un courant profond qui transporte vers le sud les eaux froides formées au nord, assurant un transfert profond dans l’Atlantique nord, du même ordre que le transport assuré par les courants de surface.


La force de Coriolis

La force de Coriolis est une force qui dévie la trajectoire d'un objet en mouvement à la surface d'un objet en rotation. Elle s’applique en particulier sur la Terre à tout corps en mouvement, par suite de la rotation de notre planète autour de l’axe des pôles. Elle est maximale aux pôles et nulle à l'équateur. La force de Coriolis a pour conséquence de dévier un corps en mouvement vers sa droite dans l’hémisphère nord et vers sa gauche dans l’hémisphère sud, la droite étant définie lorsqu’on regarde vers l’avant du déplacement. Elle s’applique en particulier aux masses d’air et d’eau en mouvement. Elle agit notamment sur le sens de rotation du vent dans les dépressions (sens inverse des aiguilles d’une montre) et dans les anticyclones (sens des aiguilles d’une montre) dans l’hémisphère nord. La force de Coriolis agit également sur le sens des alizés. Dans l’hémisphère nord, les alizés soufflent des tropiques vers l’équateur du nord-est vers le sud-ouest; dans l’hémisphère sud, ils soufflent du sud-est vers le nord-ouest.

La circulation thermohaline

L’eau à la surface des océans bénéficie d’un apport important de chaleur sous les tropiques qui lui permet d’atteindre des températures entre 25 et 30°C. Dans les régions polaires, les eaux atteignent la température de congélation de l’eau de mer voisine de –2°C. Sur plusieurs dizaines à plusieurs centaines de mètres, une couche d’eau appelée couche de mélange prend une température homogène, proche de celle de la surface grâce à l’action du vent et des vagues. Au-delà de cette couche, sous la thermocline qui désigne la zone de forte variation de température, les échanges de masse et d’énergie sont très réduits : ce sont ainsi des eaux froides et denses qui composent la majeure partie de l'océan. La source de ces eaux est constituée par les zones de l'océan où les eaux de surface devenues froides et salées, et donc très denses, plongent par gravité, sous les eaux chaudes et moins salées jusqu’à la profondeur où elles se trouvent en équilibre de densité avec les eaux voisines (vers 2000 m en région subarctique, 4000 m en Antarctique, ou 1000 m en Méditerranée occidentale). Elles emplissent les fonds océaniques dont la température, voisine de 0 à 4°C, varie peu des pôles à l’équateur. Ces régions dites de convection profonde sont peu nombreuses et sont situées aux hautes latitudes, principalement en mer du Labrador, au large du Groenland, de la Norvège et pour une moindre part en mer de Weddell. Mais on en trouve aussi en Méditerranée, où la succession de coups de mistral en fin d’hiver peut provoquer la création d’eau très dense. Le lent brassage des océans a été schématisé sous la forme d’un «tapis roulant» à l’échelle du globe. Ces eaux profondes, qui prennent principalement naissance en Atlantique nord, s’écoulent en direction de l’Atlantique sud. Vers 60° S, ces eaux profondes sont entraînées d’ouest en est par le courant circumpolaire Antarctique au sein duquel elles remontent progressivement vers la thermocline et se répandent ensuite dans l’Atlantique sud, le Pacifique et l’océan Indien. Le retour de cette grande circulation dans l’Atlantique nord s’effectue via des courants chauds, proches de la surface, dont la circulation est liée à la circulation atmosphérique. Ce brassage des eaux profondes provenant de l’océan Arctique jusqu’à leur retour en Atlantique nord peut s’étaler de plusieurs centaines à un millier d’années. Dans l’hémisphère nord, les alizés soufflent des tropiques vers l’équateur du nord-est vers le sud-ouest; dans l’hémisphère sud, ils soufflent du sud-est vers le nord-ouest. L’intensité de cette circulation et les lieux de formations d’eau profonde varient entre périodes glaciaires et périodes interglaciaires. En effet, pendant une période glaciaire, la présence de banquise aux hautes latitudes y empêche la formation d’eau profonde.


4 - Climats et biomes

Le climat d’une région est défini par les valeurs moyennes et les variations de ses données météorologiques. Concernant la répartition du vivant, ce sont les caractéristiques de température et de précipitation, pluie, grêle ou neige, qui prédominent. Les températures varient avec les lieux, les saisons et le moment de la journée. Elles s'échelonnent de -80°c au plus fort de la nuit polaire antarctique, à +60°c dans certaines zones désertiques, en été, à midi. La carte de répartition des températures moyennes annuelles à la surface des continents permet de distinguer cinq zones principales. La zone chaude située entre les deux tropiques, les deux zones froides autour des pôles et les deux zones tempérées situées entre les deux. Les pluies sont essentiellement gouvernées par la circulation atmosphérique. Les régions désertiques sont associées aux zones de mouvement descendant de l’atmosphère, situées au voisinage des Tropiques et aux zones très froides situées près des pôles. Les régions pluvieuses sont associées aux zones de mouvement ascendant de l’atmosphère au voisinage de l’équateur et dans les zones de basses pressions aux moyennes latitudes. A l’Equateur il tombe en moyenne 2 mètres d’eau par an, 70 centimètres dans les régions semi-arides sous les Tropiques, 1 cm dans les déserts sub-tropicaux et 1 m aux latitudes moyennes. La carte des climats traduit ces zones de températures et de pluies qui se répartissent selon la latitude : en rouge la zone équatoriale, chaude et humide ; en jaune les zones arides ; en vert, les zones tempérées et en bleu les zones froides. Connaître la disposition de ces grandes aires climatiques permet de mieux comprendre la répartition du vivant en biomes.
Un biome est un ensemble d'écosystèmes caractéristique d'une aire biogéographique. Il est nommé à partir de la végétation et des espèces animales qui y prédominent. De façon simplifiée, on peut ainsi définir onze grands biomes.
Les calottes polaires groenlandaise et antarctique représentent le désert absolu où aucune vie n’est possible.
La toundra n’existe que dans les régions circumpolaires. Elle présente une flore modeste de landes, de pelouses, de mousses et de lichens et une faune peu diversifiée, mais bien adaptée aux conditions de vie extrêmes.
Dans la taïga, ou forêt boréale subarctique, la flore est principalement constituée de conifères, adaptés au climat froid. C’est la zone boisée la plus septentrionale de la planète.
La forêt tempérée, ou forêt mixte, est composée en majorité d’arbres à feuilles caduques. Le type d'arbre est déterminé par l'influence du climat océanique, continental ou mixte. On la trouve en Europe, en Asie et en Amérique du nord. La faune y est abondante et variée.
La prairie, appelée aussi steppe en Asie, pampa en Argentine ou veld en Afrique du sud, est recouverte de plantes herbacées annuelles.
Le maquis se situe dans les régions méditerranéennes, ou à climat comparable tels la Californie, le Chili, l’Afrique du Sud et le sud de l’Australie. La végétation s’est adaptée à ce climat chaud et sec en été, et doux en hiver.
Le désert est une région aride où la faune et la flore sont pratiquement inexistantes.  Selon l’altitude et la latitude il sera très chaud ou très froid.
La savane se développe sous un climat tropical alternant saison humide et saison sèche plus courte. Elle est formée de hautes herbes, plus ou moins parsemées d’arbres ou d’arbustes.
La forêt tropicale humide, ou forêt équatoriale, se situe dans la zone intertropicale. Elle est caractérisée par des arbres de grande taille et par une grande richesse en espèces végétales et animales. Toutes les forêts équatoriales sont aujourd’hui menacées par la déforestation.
La forêt tempérée humide est caractéristique des zones tempérées où les précipitations sont abondantes. Elle est peuplée de conifères ou de feuillus. On la rencontre au nord-ouest de l’Amérique du nord, au sud du Chili, en Tasmanie et en Nouvelle-Zélande.
La montagne est un ensemble de biomes qui diffèrent selon l’altitude et non plus selon la latitude. Les feuillus présents dans les zones basses font ensuite place aux conifères puis à la toundra alpine. Les sommets sont des déserts enneigés ou rocheux.
Ces différents milieux influencent l’implantation, les activités et les rythmes de vie d'une grande partie de l'humanité. Les zones désertiques, les plateaux d’altitude, les zones subarctiques, où les conditions de vie sont particulièrement difficiles, ont des densités de population très faibles. Les zones tempérées sont au contraire favorables à l’établissement des populations humaines. Les régions proches de la mer sont également de plus en plus peuplées alors qu’elles sont soumises à des risques climatiques importants de catastrophes répétées.


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