Comment calculer l'élévation du niveau de la mer ?

LA HAUSSE DU NIVEAU DES MERS

  Tout d�abord, nous allons prouver qu�aujourd�hui, le m�canisme de hausse du niveau des oc�ans � d�j� commenc�. En effet, les techniques r�centes d�altim�trie par satellite ont am�lior� et facilit� la d�termination du niveau relatif de la mer sur de vastes �tendues du globe, mais les mesures faites directement au niveau de la mer restent � l�ordre du jour et se comparent aux estimations des mod�les climatiques.

  C. Cabanes, A. Cazenave et C. Le Provost, du LEGOS (Laboratoire d��tudes en g�ophysique et oc�anographie spatiales de Toulouse) ont calcul� l��volution du niveau marin due au r�chauffement des oc�ans. L��l�vation calcul�e est de 0,50 � 0,05 mm/an entre 1955 et 1996. Elle  est comparable � celle pr�dite par la plupart des nombreux mod�les climatiques.

Ils ont �galement montr� qu�en consid�rant, au cours de cette m�me p�riode, la contribution thermique au niveau de la mer, uniquement aux sites des mar�graphes utilis�s pour estimer l��l�vation du niveau de la mer du XXe si�cle), l��l�vation est beaucoup plus forte, soit 1,4 � 0,10 mm/an. Ceci sugg�re que les mar�graphes surestiment l��l�vation du niveau marin.

Dans leur article, C. Cabanes et ses coll�gues ont analys� les donn�es acquises par le satellite altim�trique franco-am�ricain Topex-Pos�idon. Entre 1993 et 2001, celui-ci a d�tect� une �l�vation du niveau moyen des oc�ans de 2,5 � 0,2 m

Les changements climatiques peuvent cr�er des conditions locales et r�gionales de d�ficit et de surplus d�eau, parfois de fa�on saisonni�re dans la m�me zone g�ographique. Les effets graves les plus courants sont les inondations, les glissements de terrain, les coul�es de boues et les avalanches dus � l�intensification des pluies et � l��l�vation du niveau de la mer. Les �tablissements c�tiers et fluviaux sont particuli�rement menac�s, mais l�inondation des villes pourrait cr�er des probl�mes si les collecteurs d�eaux pluviales, les r�seaux d�approvisionnement en eau et les syst�mes de gestion des d�chets n�ont pas une capacit� suffisante ou une technologie assez �labor�e.

L�intrusion d�eau sal�e due aux inondations c�ti�res est un des impacts les plus inqui�tant. En effet, la salinisation des sols sera g�nante pour de nombreuses cultures de base car elle perturbera les ressources agricoles de nombreux pays.

Mais se trouvent menac�s �galement les esp�ces d�eau douce qui sont une ressource pour l�alimentation des populations mais aussi pour l�irrigation, notamment dans des zones pauvres en ressources en eau comme les petites �les du pacifique.

La deuxi�me menace par son importance vient des cyclones tropicaux (ouragans ou typhons) dont le pic d�intensit� pourrait augmenter dans un milieu plus chaud. Les cyclones tropicaux combinent les effets des fortes pr�cipitations, des vents forts et des ondes de temp�te sur le littoral et peuvent avoir des r�percussions loin dans les terres, mais ils ne sont pas aussi r�pandus que les inondations et les glissements de terrain. Des dizaines de millions de personnes vivent dans des �tablissements menac�s. Ainsi, le nombre moyen de personnes qui pourraient �tre victimes d�une inondation lors des ondes de temp�tes c�ti�res augmente fortement (de 75 � 200 millions de personnes, selon les mesures d�adaptation) avec les sc�narios moyens d��l�vation du niveau de la mer (40 cm d�ici 2080), par rapport aux sc�narios sans �l�vation du niveau de la mer. On a estim� les dommages potentiels caus�s aux infrastructures c�ti�res par la mont�e des eaux � plusieurs dizaines de milliards de dollars pour des pays comme l��gypte, la Pologne et le Vi�t-Nam.

Mais, apr�s avoir prouver et exposer les cons�quences de la hausse du niveau des mers et oc�ans, nous devons, maintenant nous int�resser � ses m�canismes.

  La partie pr�c�dente d�montre donc qu�il y a bien une augmentation du niveau moyen des oc�ans. Cette �l�vation trouve sa principale explication dans le changement climatique global qui touche toute la plan�te. Plusieurs facteurs sont � l��uvre dans cette hausse du niveau des mers : d�abord le m�canisme d�expansion thermique, mais aussi bien s�r la fonte des glaces de la plan�te due au r�chauffement climatique ou encore dans une moindre mesure la variation du niveau des terres et saisonni�rement les ph�nom�nes atmosph�riques. Et ces nombreux facteurs de l�environnement globaux entrent en jeu � des �chelles de temps tr�s diverses.

  Tout d�abord, nous allons �tudier l�influence de l�expansion thermique sur la hausse du niveau des mers car : �L'expansion thermique de quelques millim�tres d'eau peut avoir une influence majeure sur les r�gions qui sont localis�es � une altitude tr�s basse�, pr�vient Louis Fortier, professeur du d�partement de Biologie de l�universit�  Laval. En effet, d�apr�s les observations de la temp�rature des oc�ans et les r�sultats des mod�les, cette dilatation thermique appara�t comme l�une des principales causes des variations historiques du niveau de la mer. De plus, elle devrait jouer un r�le primordial dans l��l�vation du niveau de la mer au cours des 100 prochaines ann�es. En effet, dans les fonds oc�aniques, la temp�rature ne varie que tr�s lentement et la dilatation thermique se poursuivra donc pendant de nombreux si�cles, m�me si les concentrations des gaz � effet de serre dans l�atmosph�re devaient se stabiliser.

  En effet, pour une variation donn�e de la temp�rature, les eaux chaudes se dilatent davantage que les eaux froides. L'�l�vation de la temp�rature au niveau macroscopique, c�est � dire, � l'�chelle de l'homme ; elle se traduit par une acc�l�ration de la vitesse de d�placement des mol�cules d'eau au niveau microscopique soit � l'�chelle des mol�cules. Ainsi l'apport d'�nergie d� au r�chauffement climatique augmente la violence et la fr�quence des collisions entre mol�cules d'eau, ce qui tend � les espacer. Donc, l'eau chaude est moins dense que l'eau froide : elle prend plus de place, c'est pourquoi elle se dilate et augmente de volume. La r�partition g�ographique de la variation du niveau de la mer est conditionn�e par les fluctuations g�ographiques de la dilatation thermique elle-m�me d�pendant de la distribution des temp�ratures, des variations de la salinit�, des r�gimes de vent et de la circulation oc�anique. Les variations r�gionales sont d�une ampleur bien sup�rieure � celle de l��l�vation moyenne du niveau de la mer � l��chelle du globe. C�est pourquoi la pr�vision des variations des dynamiques oc�aniques est un des enjeux principaux de la pr�vision de la hausse du niveau des mers.   

Temp�rature � la surface de la mer en degr�s Celsius 

M�canisme de dilatation des eaux

  sch�ma du m�canisme de dilatation de l'eau

  Les mesures historiques du niveau moyen des mers montrent une �l�vation continue de l�ordre de 10 � 20 centim�tres par si�cle. Elle se mesure actuellement � l'aide de satellites. La cause premi�re de cette �l�vation est l'augmentation de la temp�rature de l'oc�an qui produit une dilatation thermique de l'eau. Un calcul simple permet de fixer l'ordre de grandeur de ce ph�nom�ne.  Connaissant le coefficient de dilatation thermique volumique de l'eau ( k =2,6 10-4 �C-1) on peut calculer la variation de volume de l'oc�an ou d'une partie de celui-ci induite par un changement de temp�rature. Pour cela on utilise la relation suivante :

V(T) = V(T0)(1+ k (T-T0))

V(T0) est le volume de l'eau � une temp�rature T0 et V(T) le volume de l'eau � une temp�rature T.

Si T0 est la temp�rature moyenne actuelle de l'ensemble des eaux oc�aniques et V(T0) = 1.370323 * 1018 m3 est le volume actuel de ces eaux. Plus haut, l�on a vu que les temp�ratures devraient augmenter de 3�C � 5.5�C, par cons�quent, on calcule l�expansion thermique des eaux pour les deux temp�ratures. On prend alors la 1�re temp�rature, soit 3�C, pour le 1er calcul :

V(T) = 1,370323 * 1018(1+2,6 * 10-4(3)) = 1,37139 * 1018 m3

soit une variation de :

Connaissant la surface des oc�ans (Soc�an = 3,5 * 1014 m2), on en d�duit la variation du niveau de la mer par  la formule (4), ci-dessous :

Par cons�quent, on calcule la variation du niveau de la mer par l�op�ration suivante :

D�autre part, on recalcule l�expansion thermique mais avec une temp�rature de 5.5�C :

V(T) = 1,370323 * 1018(1+2,6 * 10-4(5.5)) = 1,37228 * 1018 m3

soit une variation de :

et soit la variation du niveau de la mer de :

  On trouve donc une augmentation du niveau des mers de 3 m (environ) avec un surplus de 1.067 * 1015 m3, dans le meilleur des cas. Dans le pire des cas, il appara�t que l�augmentation du niveau des mers sera approximativement de 5.6 m, soit 1.957 * 1015 m3. Mais, ces calculs ne tiennent pas compte de la topographie des bordures oc�an-continent. Or, on sait que la profondeur approximative des oc�ans est de 3795 m, par cons�quent, le niveau des oc�ans devrait varier de (3795 + 3), soit 3798 m � (3795 + 5.6), soit 3800.6 m. De m�me, le volume des mers et oc�ans devrait varier entre 1,37139 * 1015 m3 et 1,37228 * 1015 m3, soit entre, 1 371 390 km3 et 1 372 280 km3. En revanche, ces augmentations de niveau et de volumes ne prennent en compte que le ph�nom�ne d�expansion thermique.

   La hausse du niveau des oc�ans est une cons�quence directe de la fonte des calottes glaciaires. En effet, cela para�t �vident, la glace devient de l�eau en fondant. En revanche, gr�ce � notre exp�rience, on a pu ais�ment d�terminer que, lorsque la glace immerg�e dans l�eau tels les icebergs, fondra, et ne cr�era pas de mont�e des eaux. Ceci est valable notamment et principalement pour la calotte glaciaire Arctique et il s�agit du principe d�Archim�de. Mais, en ce qui concerne les calottes glaciaires qui se situent au dessus de la surface de la mer, soit principalement la calotte glaciaire de l�Antarctique ou encore du Groenland ; lorsqu�elles fondront, la mer devra supporter un important surplus d�eau. De fa�on � calculer le surplus d�eau g�n�r� par la fonte des calottes glaciaires de l�Antarctique, nous allons faire un calcul. Tout d�abord, on va utiliser le volume de glace situ� en Antarctique qui est de 30 000 000 de km3. De plus, on sait que le volume de glace vaut 11/10 du volume d�eau. Par cons�quent, on peut trouver le volume d�eau que produira la fonte des calottes glaciaires de l�Antarctique en faisant l�op�ration suivante :

                                         30 000 000 * (10/11) = 27 272 700 km3

  On peut donc dire que la fonte totale de l�inlandsis de l�Antarctique devrait produire un surplus d�eau douce de 27 272 700 km3 environ dans les mers. Or, on conna�t le volume approximatif d�eau des oc�ans et des mers, soit 1 370 323 000 de km3. Le volume total des oc�ans et des mers, avec le surplus d�eau caus� par la fonte de la calotte glaciaire de l�Antarctique fondue, vaudra � peu pr�s :

27 272 700 + 1370 323 000 = 1 397 595 700 km3

  Le volume total des mers et oc�ans est alors de 1 397 595 700 km3, une fois le surplus d�eau caus� par la fonte de la calotte glaciaire de l�Antarctique. Mais de fa�on � estimer le gain de profondeur moyen, on r�utilise la formule (4) :

  Soit 2.72727 * 1016 m3 , le volume d�eau cr�� se d�versant dans la mer, une fois l�inlandsis de l�Antarctique fondu et soit 3.5 * 1014 m2, la surface moyenne de l�oc�an.

Les mers et oc�ans auront donc gagn�s environ 78 m de profondeur avec, seulement, la fonte de l�inlandsis de l�Antarctique. En revanche, comme l�on a vu pr�c�demment, seule la fonte des inlandsis fera augmenter le niveau des mers et oc�ans. De plus, on sait qu�aujourd�hui, le volume d�inlandsis est essentiellement repr�sent� par celui de l�Antarctique et du Groenland. Par cons�quent, pour tenter de trouver l�augmentation du volume et du niveau des mers, il nous faut maintenant, calculer ce que repr�sente la fonte de l�inlandsis du Groenland. Or, on conna�t le volume approximatif de l�inlandsis du Groenland puisqu�il est de 2 000 000 km3 (environ), soit 10 % de l�eau douce � la surface du globe. On peut donc calculer le volume d�eau repr�sent� par la fonte de l�inlandsis du Groenland :

2 000 000 * (10/11) = 1 818 180 km3

  Le fonte totale de l�inlandsis du Groenland entra�nant un surplus d�eau de 1 818 180 km3 (environ), le volume moyen des mers et oc�ans devrait �tre alors, de l�ordre de (1 370 323 000 + 1 818 180), soit 1 372 140 000 km3. En revanche, pour estimer la hausse du niveau des mers, on doit faire le calcul suivant :

avec 1.81818 * 1015 m3, le volume d�eau cr�� par la fonte de l�inlandsis du Groenland et avec 3.5 * 1014 m2, la surface moyenne des mers et oc�ans.

  La fonte des inlandsis de la Terre devrait donc provoquer une hausse du niveau des mers de (5 + 78), soit 83 m approximativement. La profondeur moyenne des mers et oc�ans devrait alors �tre proche de (83 + 2795), soit 2878 m. De m�me, le volume de la mer augmenterait alors de (27 272 700 + 1 818 180), soit 29 090 880 km3. Le volume total des mers et oc�ans serait alors de (1 370 323 000 + 29 090 880), soit approximativement, 1 399 413 880 km3.

  Le cycle global de l'eau se subdivise en cycles oc�anique et continental. Des �changes d'environ 40000 km3/an �quilibrent le bilan de ces deux cycles. A l'�chelle du globe, le bilan hydrique est th�oriquement nul. La contribution de l'oc�an au bilan �vaporation-pr�cipitation repr�sente 86% de l'�vaporation totale, mais seulement 78% des pr�cipitations. La diff�rence de 8% se retrouve, sur les continents, par l'exc�s des pr�cipitations sur l'�vaporation. Cet exc�s est la cause de l'�coulement fluvial continental. D�apr�s des calculs, des scientifiques ont r�ussi � calculer le bilan EPRC (�vaporation Pr�cipitation Runoff Calving), soit le bilan hydrique de la Terre. L��quation utilis�e pour le bilan hydrique est la suivante :

Bhydrique  = P � E + RS  �  Delta st

Soit P, les pr�cipitations (pluie, neige, ros�e) en mm,

Soit E, l��vaporation et l��vapotranspiration en mm,

Soit RS , le ruissellement (surface : rivi�res, fleuves, souterrain) en mm,

Et soit Delta st  , le changement de volume d�eau (sols, lacs, oc�ans) en mm.

  Il s�agit, en fait, de calculer cet exc�s d�eau cr�� naturellement par les pr�cipitations mais en y soustrayant l��vaporation. Ce bilan est de l�ordre de 4 mm/an, � l�heure d�aujourd�hui. En effet, l'�vaporation pr�domine dans les r�gions oc�aniques tropicales, tandis que les pr�cipitations se produisent principalement dans les zones oc�aniques et continentales �quatoriales ainsi qu'au-dessus des cha�nes de montagnes situ�es aux basses latitudes. On comprend de cette fa�on que le cycle de l'eau soit �troitement influenc� par le rapport des superficies continents-oc�ans ou, � superficies �gales, par la r�partition des aires continentales en fonction de la latitude ou, � positions �gales, par la distribution des altitudes. Sur un m�me parall�le, l'intensit� de l'�vaporation sur les continents est pratiquement uniforme. En g�n�ral, la quantit� totale de pr�cipitations en un point est inversement proportionnelle � sa distance � l'oc�an. Pour une m�me position g�ographique, les quantit�s totales de pr�cipitations et de ruissellement sont directement proportionnelles � l'�l�vation moyenne du bassin versant jusqu'� une certaine altitude (optimum pluviom�trique). Parmi les composantes du cycle hydrologique, l'�vaporation est la moins sensible aux changements d'environnement g�ographique, suivie des pr�cipitations et duruissellement. Pour finir, il faut savoir que les trois processus principaux, � savoir les pr�cipitations, l'�vaporation et le ruissellement, d�croissent de l'�quateur vers les p�les. On en conclut donc qu�une hausse du niveau des mers et des temp�ratures risque de causer des perturbations dans le cycle hydrique et, par cons�quent dans le bilan hydrique.

  En effet, dans les simulations, le r�chauffement global s'accompagne d'une augmentation de l'�vaporation et des pr�cipitations qui varie de 3 � 15 % selon les mod�les utilis�s. L'accroissement en surface du flux infrarouge provenant des rayons solaires, augmente en effet l'�nergie disponible pour l'�vaporation . La pression de saturation de la vapeur d'eau augmentant tr�s rapidement avec la temp�rature, une proportion plus grande des �changes turbulents entre l'atmosph�re et la surface se fait sous forme de chaleur latente, c�est � dire une chaleur qui est mise en jeu par un changement d��tat physique s�effectuant � temp�rature fixe plut�t que sensible, � condition qu'il y ait de l'eau disponible en surface pour cette �vaporation, ce qui est le cas sur les oc�ans, mais pas n�cessairement sur les continents. L'accroissement des pr�cipitations est concentr� autour de l'�quateur et au del� de 50� de latitude dans les deux h�misph�res, tandis que l'accroissement de l'�vaporation est assez uniforme en latitude. Le bilan hydrique des sols (pr�cipitation moins �vaporation) a donc tendance � devenir d�ficitaire entre 10 et 50� de latitude, avec une zone de r�duction de l'humidit� des sols qui migre en latitude avec les saisons. Aux moyennes latitudes le r�chauffement peut entra�ner une r�duction de la couverture de neige en hiver et une fonte plus pr�coce au printemps. L'�vaporation plus intense conduit � un sol plus sec au printemps et en automne. L'ass�chement normal, caus� par le d�ficit du bilan hydrique en �t�, se produit plus t�t et est plus fort, ce qui augmente la dur�e et l'intensit� des s�cheresses estivales � l'int�rieur des continents. Il faut cependant garder � l'esprit que les processus physiques gouvernant le cycle de l'eau sont encore repr�sent�s tr�s sommairement, ce qui limite la confiance que l'on peut accorder aux r�sultat. On ne peut donc pas encore les utiliser pour faire des pr�visions dans une r�gion g�ographique particuli�re. En revanche, de fa�on plan�taire, certains scientifiques annoncent que le bilan hydrique pourrait devenir n�gatif, c�est � dire que l��vaporation devienne plus importante que les pr�cipitations, si la Terre continuerait � se r�chauffer. Aux vues des incertitudes et des approximations trop grandes, on ignorera les perturbations du cycle hydrique et de son bilan.

  On peut donc conclure que le changement de climat et la hausse de temp�rature cr��e par la fonte des calottes glaciaires aura pour cons�quence une mont�e des eaux. Bien que la d�termination de la hausse du niveau des mers et oc�ans soit difficile, tout d�abord, par le fait qu�elle soit approximative mais �galement parce qu�elle fait participer des facteurs encore relativement m�connus, on a pu d�termin� un intervalle de l�augmentation du niveau des mers :          3 + 83 = 86 m  et  5.6 + 83 = 88.6 m

  La hausse du niveau des mers devrait alors contenu approximativement dans l�intervalle [86 ;88.6] m, car plus la temp�rature sera �lev�e, plus la hausse sera grande. De m�me, la moyenne de la hausse du niveau des oc�ans et des mers devrait �tre de l�ordre de ((86 + 88.6) / 2), soit 87.3 m. De plus, la profondeur moyenne des mers et oc�ans sera donc de (3795 + 87.3), soit approximativement 3882.3 m. Dans le but de mieux appr�cier la mont�e des eaux due � la fonte de la calotte glaciaire de l�Antarctique, on l�a repr�sent� avec la carte de la France :

                        Carte de la France, � l�heure d�aujourd�hui           et apr�s la fonte des calottes glaciaires

D�autre part, on a �galement estim� la hausse du volume des mers et des oc�ans, ci-dessous :

1 067 000+ 29 090 880 = 30 157 880 km3  et   1 372 280+ 29 090 880 = 30 463 160 km3

La hausse du volume des mers et des oc�ans, ou eustatisme, est donc estim� entre 30 157 880 km3 et 30 463 160 km3. La hausse moyenne de volume sera donc de ((30 157 880 + 30 463 160) / 2), soit 30 310 520 km3. Le volume moyen des mers et oc�ans serait alors de (1 370 323 000 + 30 310 520), soit 1 400 633 520 km3.

 D�autre part, on sait qu�il y aura une augmentation des pr�cipitations mais �galement une hausse de l��vaporation qui pourrait m�me devenir sup�rieure aux pr�cipitations, d�o�, une l�g�re baisse de volume d�eau. En revanche, la fonte des calottes glaciaires produira forc�ment une baisse de salinit� des mers et des oc�ans puisqu�elles sont form�es d�eau douce. Il faut alors se demander quelles sont les cons�quences de cette baisse de salinit� des mers et des oc�ans.

Icebergs 

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