Mathématiques du climat
La Terre et un thermomètre (Thibault Renar, iStockphoto)
La Terre et un thermomètre (Thibault Renar, iStockphoto)
Quels sont les liens avec mon programme d'études?
Dans ce document d’informations, tu découvriras comment calculer les anomalies de température afin de comprendre comment notre climat est en train de changer.
Comment pouvons-nous savoir que la Terre se réchauffe?
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Trois types de thermomètres sont représentés. En haut de l’image, un thermomètre numérique indique 14 degrés Celsius (°C). Au milieu de l’image, on voit un thermomètre en verre au mercure. Le liquide rouge contenu dans ce thermomètre monte presque jusqu’en haut de l’échelle, ce qui indique une température élevée. En bas de l’image, un cadran indique une température de 60 degrés Fahrenheit (°F).
Il faut savoir tout d’abord que les scientifiques obtiennent des données de températures provenant de stations météorologiques situées partout dans le monde. Certaines de ces stations enregistrent la température toutes les deux minutes. Imagine tous les chiffres que ces données doivent représenter!
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Chaque petit point rouge qui figure sur la carte du monde reproduite ci-dessus représente l’une des 6300 stations météorologiques qui ont recueilli des données. Les stations météorologiques sont réparties à travers le monde, y compris sur le continent antarctique et dans les océans. Les stations météorologiques sont plus concentrées dans quelques endroits, dont l’Amérique du Nord, l’Europe, l’Asie orientale, l’Afrique de l’Ouest et l’est de l’Amérique du Sud.
Au Canada, les données sur la température sont conservées dans les Archives nationales de données et d’informations sur le climat. Ces observations proviennent d’organisations telles que les services de météorologie pour l’aviation et le ministère de la Défense nationale. La carte reproduite ci-dessous montre les endroits où les données ont déjà été recueillies et où elles sont recueillies actuellement. Les 508 points bleus représentent l’emplacement des stations météorologiques actives qui ont commencé à enregistrer des données avant 1990. Les 53 points verts représentent l’emplacement des stations météorologiques actives qui ont commencé à enregistrer des données en 1990. Les 219 points rouges représentent les stations actuellement fermées, mais qui ont recueilli des données pendant au moins 30 ans.
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La carte du Canada reproduite indique l’emplacement des stations de collecte de données météorologiques. Ces stations sont réparties dans tout le pays. On remarque que les stations de collecte sont plus nombreuses dans le sud du Canada et autour des centres urbains.
Imagine ce qui arriverait si les scientifiques rassemblaient toutes ces données de température dans une liste géante. Penses-tu qu’ils comprendraient facilement comment le climat change actuellement? Probablement pas! Les scientifiques ont besoin d’organiser les données afin de discerner les fluctuations et les tendances.
Variation saisonnière
La création de graphiques est un bon moyen de nous aider à distinguer les tendances. Cependant, même si nous traçons le graphique des données de température, les tendances à long terme ne sont pas plus faciles à discerner parce que dans de nombreux endroits, la température varie beaucoup au cours d’une même année.
Regarde le graphique linéaire ci-dessous, qui indique les températures maximales et minimales enregistrées à Toronto, en Ontario. Que révèlent les deux lignes de ce graphique?
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Le graphique présente les moyennes mensuelles des températures minimales et maximales pour la ville de Toronto, en Ontario. Nous voyons deux lignes sur le graphique. En haut de l’image, la ligne rouge indique les températures maximales moyennes. En dessous, la ligne bleue indique les températures minimales moyennes. Les deux lignes tracent une courbe dont les points les plus bas sont en janvier et en décembre et les points les plus élevés, en juillet et en août. Dans l’ensemble, la ligne rouge indique des températures qui atteignent 5 à 9 degrés de plus que les températures de la ligne bleue.
La ligne rouge indique les moyennes des températures maximales quotidiennes pour chaque mois. La ligne bleue indique les moyennes des températures minimales quotidiennes pour chaque mois.
Q1: Peux-tu voir des tendances?
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L’illustration montre les différents aspects que revêt le même arbre au cours des quatre saisons. Chaque saison apparaît sur une carte ressemblant à une photo prise avec un appareil Polaroid. En hiver, l’arbre n’a pas de feuilles. Sa base est entourée de neige. Au printemps, des bourgeons commencent tout juste à se former sur les branches de l’arbre, et la neige a presque complètement disparu autour de sa base. En été, l’arbre est couvert de feuilles vertes et sa base est entourée d’herbe verte. En automne, l’arbre a des feuilles orange qui commencent à tomber. Il est entouré d’herbe brune et de feuilles mortes qui sont tombées.
Le graphique suivant montre les températures moyennes enregistrées chaque année à Toronto entre 1840 et 2015. Examine les lignes de ce graphique. Que représente chaque ligne?
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Le graphique présente les températures moyennes enregistrées en juillet et en janvier à Toronto entre les années 1840 et 2015. Nous voyons deux lignes sur le graphique. La ligne d’en haut est rouge et représente les températures moyennes pour le mois de juillet. La ligne du bas est bleue et représente les températures moyennes pour le mois de janvier. Les deux lignes comptent beaucoup de pics et de creux. Les variations de température sont plus importantes en janvier, où les moyennes de températures indiquées varient entre - 6,9°C et 4,4°C. En juillet, les moyennes de températures varient entre 22,6°C et 31,2°C.
En haut du graphique, la ligne rouge représente les températures moyennes en juillet. La ligne bleue représente les températures moyennes en janvier. Peux-tu voir des tendances? Lesquelles?
La ligne rouge supérieure est la température moyenne pour le mois de juillet. La ligne bleue du bas est la température moyenne de janvier. Quels sont les modèles ou les tendances que tu vois ?
Q2: Que nous apprend ce graphique sur le climat de Toronto? Qu’est-ce que ce graphique NE DIT PAS à propos du climat de Toronto?
Ce n’est pas facile de distinguer des tendances dans un graphique comme celui-ci. Heureusement, les scientifiques ont trouvé un moyen d’examiner les données autrement.
Anomalies de température
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Image représentant la définition d’une anomalie de température. Une flèche verticale à deux têtes se trouve entre les expressions « Température d’aujourd’hui » et « Température de référence ».
Une anomalie de température peut nous apprendre dans quelle mesure le mois de décembre de l’année en cours est différent des mois de décembre des années passées. Elle peut également montrer comment la température d’un lieu a changé au fil du temps. C’est très facile de calculer une anomalie de température, car il suffit d’une simple soustraction. Faisons un essai ensemble.
Exemple 1 : Winnipeg
Jette un coup d’œil au tableau suivant, qui présente une donnée de température enregistrée à Winnipeg. Calculons maintenant l’anomalie de température pour le mois de juillet 2021.
| Température moyenne en juillet 2021 | Température moyenne en juillet pendant la période de référence (de 1961 à 1990) |
| 22.7°C | 19.8°C |
Température moyenne – Température de référence = Anomalie de température
22.7 °C - 19.8°C = 2.9°C
L’anomalie de température pour le mois de juillet 2021 à Winnipeg est donc égale à 2,9°C. Cela signifie qu’en 2021 le mois de juillet a été plus chaud de 2,9°C par rapport à la température moyenne enregistrée en juillet de 1961 à 1990.
C’est maintenant à ton tour d’essayer!
Q3: Calcule l’anomalie de température pour Montréal en octobre 2021 à l’aide du tableau ci-dessous.
| Température moyenne en octobre 2021 | Température moyenne en octobre pendant la période de référence (de 1961 à 1990) |
| 11.9°C | 9.7°C |
Les deux anomalies de température obtenues par ces calculs sont positives. Des anomalies de température positives signifient qu’une température observée est plus chaude que la moyenne. Des anomalies de température négatives signifient qu’une température observée est plus froide que la moyenne.
Q4: Calcule l’anomalie de température pour Vancouver en février 2019 à l’aide du tableau ci-dessous.
| Température moyenne en février 2019 | Température moyenne en février pendant la période de référence (de 1961 à 1990) |
| 3.5°C | 4.7°C |
Représentation des anomalies de température
Tout comme nous pouvons tracer le graphique des températures réelles et des températures moyennes, nous pouvons aussi tracer le graphique des anomalies de température.
Le nuage de points ci-dessous présente les anomalies de température annuelles en Ontario de 1900 à 2018. Chaque point vert représente l’anomalie de température pour une année donnée.
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Le nuage de points montre les anomalies annuelles de température en Ontario de 1900 à 2018. Les anomalies varient d’environ -1,75°C à 3°C. La plupart des anomalies se situent entre -1°C et 2°C. De 1980 à 2018, on remarque une grappe d’anomalies plus importantes variant entre 2 et 3°C.
Il est beaucoup plus utile de visualiser les anomalies de température que les températures absolues. Il est en effet beaucoup plus facile de voir les tendances lorsqu’on regarde les anomalies de température. Peux-tu voir une tendance ici? Probablement pas.
Pour rechercher une tendance, tu peux tracer une ligne de tendance. Une ligne de tendance (aussi appelée droite d’estimation), montre la relation entre deux variables. Dans ce cas-ci, les deux variables sont la température et l’année. Une ligne de tendance est une ligne droite tracée sur un nuage de points afin de représenter le mieux possible la tendance des données. La ligne de tendance est aussi proche que possible de tous les points qui se trouvent sur un nuage de points. Autrement dit, environ la moitié des points devrait être au-dessus de la ligne de tendance et l’autre moitié, en dessous de la ligne. Si la ligne est inclinée vers le haut et la droite, elle est positive. Si la ligne est inclinée vers le bas et la droite, l’inclinaison est négative.
Q5: Place une règle sur le nuage de points ci-dessus. Essaie de placer la règle de façon à ce que la moitié des points soit au-dessus de la règle et l’autre moitié, en dessous. Vois-tu où pourrait se trouver la ligne de tendance?
Ce n’est pas facile de tracer une ligne de tendance à l’œil nu. C’est pour cette raison que l’on utilise généralement un outil statistique appelé analyse de régression pour situer avec précision une ligne de tendance.
Dans le graphique suivant, la ligne rouge est la ligne de tendance pour les données du nuage de points. La ligne que tu as tracée se rapproche-t-elle de cette ligne rouge?
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Le nuage de points des moyennes annuelles des anomalies de température calculées en Ontario est le même que le nuage de points précédent, sur lequel une ligne de tendance a été tracée par-dessus les points de données. La ligne de tendance commence autour de 0°C en 1900 et monte progressivement jusqu’à environ 1,3°C en 2018.
Q6: En se fondant sur la droite d’estimation, que peut-on dire au sujet de la tendance des températures en Ontario? À ton avis, est-ce que les températures seront plus chaudes ou plus froides dans les années à venir?
Les anomalies de température à l’échelle mondiale peuvent être examinées de la même façon. Le graphique ci-dessous montre l’évolution des températures de surface mondiales par rapport aux températures moyennes enregistrées de 1951 à 1980. Au lieu d’une ligne de tendance droite séparant les points en deux moitiés, on a tracé la ligne de tendance en tenant compte de tous les points, ce qui donne une ligne ondulée.
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Graphique présentant les anomalies de température mondiales de 1880 à 2020. Une ligne ondulée montre l’évolution des anomalies de température. Les anomalies varient de - 0,5°C à 1°C. De 1980 à 2020, la ligne présente une pente vers le haut.
Il est évident que les anomalies de température continuent d’augmenter. Cela signifie que les températures deviennent de plus en plus chaudes comparativement aux températures moyennes historiques. Même de petites augmentations des températures mondiales peuvent avoir un impact important sur notre planète.
Le savais-tu?
Dix-neuf des années les plus chaudes depuis 1880 ont eu lieu depuis l’année 2000.
Les anomalies de température règlent d'autres problèmes que les scientifiques rencontrent lorsqu’ils analysent les données de température. Par exemple, les stations météorologiques sont parfois déplacées où il manque des données dans les registres. Ces changements peuvent avoir une incidence sur les données de température moyenne. Cependant, les anomalies de température sont beaucoup moins perturbées par des problèmes de ce genre.
D’autres façons de visualiser les données offrent de nouvelles façons de réfléchir aux tendances relatives à la température. Par exemple, les cartes peuvent nous aider à examiner les tendances de la température dans de nombreux endroits à la fois.
La carte suivante montre l’augmentation des températures des différentes régions du monde en 2020 comparativement aux températures moyennes enregistrées de 1951 à 1980.
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La carte du monde indique comment les températures des différentes régions du monde ont augmenté en 2021 par rapport aux températures moyennes enregistrées de 1951 à 1980. Les anomalies de température sont indiquées par un code de couleurs. Les nuances de bleu indiquent des anomalies de température négatives, tandis que les nuances de rouge indiquent des anomalies positives. Plus la nuance est foncée, plus l’anomalie est éloignée du zéro (donc plus élevée). La majeure partie du monde est jaune ou orange, ce qui indique une augmentation se situant entre 0,5 et 2°C. Une zone rouge foncé autour de l’Europe du Nord et de l’Arctique indique des anomalies de température comprises entre 4 et 7°C. Les zones bleues, qui indiquent une anomalie de température négative, représentent une très petite partie du monde. Seulement quelques petites zones de l’océan sont colorées en bleu très clair, ce qui indique une anomalie de température d’environ - 0,5°C.
Q7: Que remarques-tu quand tu regardes cette carte? En 2020, dans quelles régions du monde a-t-on enregistré les plus grands écarts entre les températures observées et la moyenne?
Sources des données : Berkeley Earth, NOAA, Service météorologique du Royaume-Uni, Service météorologique de la Suisse, DWD, Institut suédois de météorologie et d’hydrologie, Université de Reading, Météo France et Service météorologique de l’Autriche.
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La représentation visuelle, appelée « bandes du réchauffement climatique », montre les anomalies de température entre 1850 et 2020. L’image est constituée de bandes verticales bleues et rouges. Chaque bande indique l’anomalie de température pour une année donnée. Les bandes bleues indiquent des anomalies de température négatives. Les bandes rouges indiquent des anomalies de température positives. Les nuances plus foncées indiquent des anomalies plus importantes (plus éloignées du zéro). Les premières bandes situées à gauche de l’image sont pour la plupart bleu foncé. À partir du centre de l’image et vers la droite, les bandes deviennent bleu pâle, puis elles prennent des teintes rouge clair. La plupart des bandes des années plus récentes sont rouge foncé, ce qui indique des augmentations de température.
Le Centre climatique des Prairies (en anglais) a créé une image constituée de bandes semblables pour représenter le réchauffement climatique du Canada.
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Représentation visuelle des anomalies de température au Canada, de 1898 à 2016. Comme pour l’image précédente, ce graphique est constitué de bandes verticales dans des teintes de bleu et de rouge. Chaque bande indique l’anomalie de température pour une année donnée. Les bandes bleues indiquent des anomalies de température négatives. Les bandes rouges indiquent des anomalies de température positives. Les nuances plus foncées indiquent une anomalie plus élevée (plus éloignée du zéro). Ce graphique représente les anomalies de température pour chaque saison (saisonnières), en plus des anomalies annuelles. La majorité des premières bandes sur le côté gauche de l’image sont dans des teintes de bleu. Lorsqu’on se déplace vers la droite de l’image, une proportion de plus en plus grande de bandes deviennent rouges. La plupart des bandes des années plus récentes sont dans des tons de rouge foncé, ce qui indique que les températures augmentent. L’hiver est la saison qui enregistre les changements les plus extrêmes, ce qui est visible par une plus grande proportion de bandes rouge foncé au cours des dernières années que pour les autres saisons (printemps, été ou automne).
Les tendances de température et d’autres indicateurs nous apprennent que le climat est en train de se réchauffer. Ce réchauffement fait déjà sentir des effets importants sur le monde tel que nous le connaissons. Nous, les humains, devrons faire des choix qui empêcheront les températures de grimper. Tu peux faire une grande différence en passant à l'action dès maintenant. Tu pourrais, par exemple, partager des représentations concrètes de données inspirantes afin de freiner le changement climatique. Nous avons besoin de personnes comme toi qui peux utiliser des données pour expliquer comment nous savons que le climat est en train de changer. Comprendre ces tendances nous aide à nous attaquer à ce problème ensemble.
RÉPONSES
Q1: Peux-tu voir des tendances?
Les températures sont plus chaudes pendant les mois d’été et plus froides pendant les mois d’hiver. Le mois de juillet est celui qui affiche les moyennes de température les plus chaudes et janvier, le mois qui affiche les moyennes de température les plus froides.
Q2: Que nous apprend ce graphique sur le climat de Toronto? Qu’est-ce que ce graphique NE DIT PAS à propos du climat de Toronto?
Le graphique montre que les températures moyennes pour le mois de juillet varient entre un minimum de 22,6°C et un maximum de 31,2°C. C’est au début des années 1990 que la température moyenne la plus basse en juillet a été observée, et au début des années 1920 pour la température moyenne la plus élevée. Le graphique montre que les températures moyennes pour le mois de janvier varient entre un minimum de - 6,9°C et un maximum de 4,4°C. C’est à la fin des années 1850 que la température moyenne la plus basse en janvier a été enregistrée, et au début des années 1930 pour la température moyenne la plus élevée.
Le graphique ne dit rien au sujet des températures observées au printemps ou à l’automne.
Q3: Calcule l’anomalie de température pour Montréal en octobre 2021.
11,9°C – 9,7°C = 2,2°C. Ce résultat indique qu’en 2021 le mois d’octobre a été 2,2°C plus chaud que la moyenne.
Q4: Calcule l’anomalie de température pour Vancouver en février 2019 à l’aide du tableau ci-dessous.
3,5°C – 4,7°C = -1,2°C. Ce résultat indique qu’en 2019 le mois de février a été 1,2°C plus froid que la moyenne.
Q5: Place une règle sur le nuage de points ci-dessus. Essaie de placer la règle de façon à ce que la moitié des points soit au-dessus de la règle et l’autre moitié, en dessous. Vois-tu où pourrait se trouver la ligne de tendance?
Les réponses des élèves vont varier.
Q6: En se fondant sur la droite d’estimation, que peut-on dire au sujet de la tendance des températures en Ontario? À ton avis, est-ce que les températures seront plus chaudes ou plus froides dans les années à venir?
La tendance des températures est à la hausse. Selon la tendance, on peut s’attendre à des températures plus élevées dans les années à venir.
Q7: Que remarques-tu quand tu regardes cette carte? En 2020, dans quelles régions du monde a-t-on enregistré les plus grands écarts entre les températures observées et la moyenne?
Tu as probablement remarqué que presque toutes les régions du monde affichent des anomalies de température positives. Cela signifie que les températures observées en 2020 étaient plus chaudes que la moyenne presque partout dans le monde. De plus, la température augmente davantage dans certains pays par rapport au reste du monde. Des régions du nord de l’Europe et du nord de la Russie affichent les anomalies de température les plus élevées.
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Références
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