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Les modèles du système terrestre et les modèles climatiques sont une intégration complexe de variables environnementales utilisées pour comprendre notre planète. Les modèles du système terrestre simulent la façon dont la chimie, la biologie et les forces physiques fonctionnent ensemble. Ces modèles sont similaires aux modèles climatiques globaux, mais beaucoup plus complets.
Pour comprendre les modèles du système terrestre, il faut d’abord comprendre les modèles climatiques globaux. Le climat est le schéma à long terme des variables météorologiques. Il comprend la température, la pluie et les chutes de neige, l’humidité, l’ensoleillement et le vent, ainsi que leur évolution sur plusieurs années. Les modèles climatiques expliquent comment ces variables peuvent changer à l’aide d’une analyse mathématique basée sur la physique du mouvement de l’énergie, des gaz et des fluides, combinée à des mesures prises lors d’expériences, de laboratoires et d’autres observations dans le monde réel.
Les modèles du système terrestre comprennent de nombreux composants et processus interdépendants pour nous aider à comprendre notre planète. Crédit : Image fournie par Paul Ullrich, Université de Californie, Davis.
Les modèles climatiques comprennent :
- L’atmosphère, y compris les nuages, les aérosols et les gaz.
- La surface terrestre et la façon dont elle est couverte par la végétation, la neige et la glace, les lacs et les rivières, et le sol.
- La glace de mer et les océans.
- Comment tous ces composants stockent et déplacent la chaleur et le carbone qui réchauffent l’atmosphère terrestre.
Les modèles climatiques globaux traitent la Terre comme une grille géante. La taille de chaque cellule de la grille est déterminée par la puissance de l’ordinateur qui exécute le modèle. Comme pour un jeu vidéo, une résolution plus élevée nécessite un ordinateur beaucoup plus puissant.
Les modèles du système terrestre incluent tous les facteurs des modèles climatiques. Mais aussi complexe que soit le climat, il n’est qu’une partie d’un système terrestre encore plus complexe. L’objectif des modèles du système terrestre est de comprendre comment la Terre fonctionne en tant que système de parties interdépendantes. Ces parties comprennent les processus physiques, chimiques et biologiques qui interagissent tous pour façonner notre planète et les organismes qu’elle abrite. La science du système terrestre est multidisciplinaire et fait appel aux sciences de l’atmosphère, à l’océanographie, à l’écologie des écosystèmes et à la microbiologie des sols, analyse multisectorielleet les disciplines scientifiques fondamentales que sont les mathématiques, la chimie et la physique.
Les modèles du système terrestre peuvent aider à comprendre et à fournir des informations essentielles sur la disponibilité de l’eau, la sécheresse, le climat et les températures extrêmes, les calottes glaciaires et le niveau des mers, ainsi que sur les changements d’utilisation des terres. Ils aident les scientifiques à comprendre comment les plantes, les personnes, les animaux et les microbes contribuent tous au climat de la Terre et sont affectés par celui-ci. Par exemple, des plantes différentes absorbent le dioxyde de carbone à des taux différents. Des paysages différents – glace, océans, végétation naturelle, terres agricoles ou villes – peuvent modifier la façon dont la terre absorbe ou reflète la lumière du soleil. Lorsque les températures et les précipitations changent, les plantes réagissent, modifiant l’équilibre du carbone et du rayonnement atmosphérique. Dans l’océan, les modèles de circulation modifient la quantité de plancton et d’algues.
Ces facteurs agissent sur de nombreuses échelles de temps. Le Sahara semble être passé de l’humidité à la sécheresse sur des milliers ou des dizaines de milliers d’années. Les plantes d’un Sahara humide absorbent la lumière du soleil et stockent du carbone, tandis qu’un Sahara sec reflète la lumière du soleil et stocke peu de carbone. Ces facteurs agissent également à des échelles de temps très courtes, comme l’expansion rapide des villes dans les années 20 et 30.e siècle sur des terres autrefois couvertes de plantes, modifiant la façon dont la terre reflète et stocke la chaleur et le carbone. Les processus chimiques résultant de la lente érosion des roches peuvent libérer de la poussière dans l’atmosphère, piégeant ainsi davantage de chaleur dans l’air. Les processus chimiques de courte durée, tels que la pollution industrielle et la suie des feux de forêt, peuvent avoir des effets similaires.
Parce que les modèles du système terrestre peuvent inclure l’effet des décisions humaines, ils sont des outils utiles pour planifier des choses comme les infrastructures, la production et l’utilisation de l’énergie, et l’utilisation du paysage. Par exemple, un modèle du système terrestre pourrait aider une ville côtière à planifier la construction d’une nouvelle autoroute afin de s’assurer qu’elle ne sera pas inondée si les ouragans deviennent plus violents en raison des changements du climat mondial.
Modélisation de la Terre entière ou du climat de la Terre avec suffisamment de accuracy is challenging for scientists. One solution is to create more powerful computers that can produce high resolution models with sophisticated ways of representing real-world variables. Another is reduced complexity models. These reduced complexity models provide lower resolution climate information but are easier and faster to run. This makes them perfect for research questions that do not require the detailed data provided by Earth system models. Researchers also use simplified models to quickly test narrow hypotheses about the planet. Researchers can also use focused multisector dynamic models to explore the interactions and interdependencies among specific human and natural systems.
Fast Facts
DOE Office of Science: Contributions to Earth Systems and Climate Models
The Department of Energy (DOE) Office of Science Biological and Environmental Research (BER) program supports Earth systems and climate modeling through several related efforts. The Earth and Environmental Systems Modeling program (EESM) develops and applies models to increase scientific understanding of the factors in the integrated Earth system. It works on research as diverse as infrastructure planning and the development of advanced representations of the Earth. To build the computer codes needed to run complex Earth system and climate models on DOE’s fastest computers, DOE supports the Energy Exascale Earth System Model (E3SM) project through the BER Earth System Model Development (ESMD) program. The E3SM is a massive computer model of the planet designed to work on DOE’s Leadership Computing Facility supercomputers. E3SM will provide scientists and policymakers with predictions of the changing Earth system at the spatial resolutions necessary to make informed decisions. Finally, DOE’s Regional and Global Modeling Analysis (RGMA) program advances capabilities to design and analyze global and regional Earth system model simulations.
