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TXL-6014
Perturbations globales des cycles
biogéochimiques II: le réchauffement global/
l’appauvrissement de la couche d’ozone
Bernadette Pinel-Alloul
Université de Montréal
6 octobre 2005
Plan de cours
Réchauffement global/GES
L’effet de serre: un phénomène
nécessaire à la vie sur terre
Les gaz à effet de serre et leurs
propriétés radiantes:
le dioxyde de carbone (CO2), le méthane
(CH4), l’oxyde nitreux (N2O), les CFCs
Les modèles climatiques: comment
sont-ils construits?
Le climat de demain
Plan de cours (suite)
Les impacts sur l’environnement
élévation du niveau des mers
impacts au niveau de la cryosphère
les provinces écoclimatiques
1. L’effet de serre:
un phénomène naturel
indispensable à la vie sur Terre
Le système climatique
Radiation
solaire
Albedo
Facteurs régissant le climat
• Radiation solaire (albedo) et cycles solaires
• Composition de l’atmosphère (GES, aérosols, vapeur
d’eau)
• Volcanisme (CO2, aérosols)
• Présence des glaces polaires et des banquises
• Échanges radiatifs avec les océans et courants océaniques
– Gulf stream, Labrador, el Nino, la Nina, etc)
•
Échanges radiatifs avec les continents et utilisation des
terres (feu, déboisement, agriculture)
• Émissions anthrophiques de GES
– transports, utilisation des combustibles fossiles, CFCs
Structure verticale de l’atmosphère terrestre
Thermosphère
Mésosphère
Source: NASA
Stratosphère
Troposphère
Structure verticale de l’atmosphère terrestre
Gradient thermique
Couche d’ozone
Absorption des UVs
MésoStratoTropo-
Source: NASA
Gradient thermique
Reémission des IRs
Composition de la troposphère
GES
Néon - 1,82×10-3 %
Hélium - 5,24×10-4 %
Krypton - 1,14×10-4 %
Xénon - 8,7×10-6 %
Méthane (CH4)
Oxyde nitreux (N2O)
Ozone (O3)
+ 1 à 3% (v/v)
vapeur d’eau
< 0.1%
L ’effet de serre: un phénomène naturel
342 W m-2
Absorption UVs
168 W m-2
PAR: 450-600 nm
Absorption
des UVs
Réflection des
Infra-Rouges
Climats planétaires
Pression
de
surface
Principaux
GES
Température
à la surface
(sans GES)
Température Réchauffement
observée
dû aux GES
VENUS
90
>90% CO2
46°C
477°C
523°C
TERRE
1
0,04% CO2 18°C
1% H2O
15°C
33°C
MARS
0,007
>80% CO2
47°C
10°C
57°C
2. Le réchauffement global à
la surface de la Terre: une
réalité?
Variations à long terme de la
température à la surface de la Terre
Périodes
inter-glaciaires
Périodes
glaciaires
stabilité
Variations GES
Millénaire
400 ans
Augmentation
GES
Fin 1800
stabilité
stabilité
 Entre 90 et 98:
croissance annuelle
de 1,3% de
l ’utilisation
d ’énergie primaire
 croissance annuelle
de 1,6% dans les pays
développés
 croissance annuelle
de 2,3 à 5,5% pour les
pays en voie de
développement
 diminution de 4,7%
dans les pays en voie
de transition vers
l ’économie de
marché (industriel
vers service)
Moyenne 1961-1990
Hémisphère nord
Moyenne 1961-1990
 Au cours du 20e
siècle, la
température
moyenne à la
surface du globe a
augmenté de
0,6±0,2°C
 Globalement, il est
fort probable que
les années 1990
soient la décennie
la plus chaude
depuis 1861, et
1998 l ’année la
plus chaude
3. Les gaz à effet de serre et
leurs propriétés radiantes
Exemples de GES affectés par les
activités anthropiques
Concentration
CO2 (dioxyde de CH4 (méthane) N 2 O (oxyde
CFC-11
HFC-23
CF4
carbone)
(chlorofluoro
(hydrofluoro
(perfluoro
carbone-11)
carbone-23)
méthane)
nitreux)
280 ppm
700 ppb
270 ppb
0
0
40 ppt
365 ppm
1 745 ppb
314 ppb
268 ppt
14 ppt
80 ppt
durant l'ère
préindustrielle
Concentration en
1998
Taux de
1,5 ppm/an 7,0 ppb/an 0,8 ppb/an -1,4 ppt/an
0,55 ppt/an 1 ppt/an
changement des
concentrations
Durée de vie dans
5 à 200 ans
12 ans
114 ans
l'atmosphère
Source: Intergovernmental Panel on Climate Change, 2001
45 ans
260 ans >50 000
ans
Potentiel de réchauffement des
principaux GES par rapport au CO2
Gaz
Durée de vie
Potentiel de réchauffement
dans
l'atmosphère
20 ans
100 ans
500 ans
1
1
1
12 ans
62
23
7
Oxyde nitreux (N2O)
114 ans
275
296
156
CFC-11 CCl3F
45 ans
6 300
4 600
1 600
CFC-12 CCl2F2
100 ans
10 200
10 600
5 200
Dioxyde de carbone CO 2
Méthane (CH4)
Source: Intergovernmental Panel on Climate Change, 2001
Contribution de chacun des GES
au forçage anthropique
CO2
55%
7%
17%
15%
6%
Méthane
Source: Intergovernmental Panel on Climate Change, 1990
N2O
Autres CFC
CFC 11 et 12
400 mille années
Post-industriel
Pré-industriel
25 millions années
500 millions années
Post-glaciaire
•Augmentation
[CO2]
atmosphère =
moitié du taux
des émissions
de combustibles
carbonés
Le cycle du carbone: les
perturbations anthropiques
6.3±0.4
-1.4±0.7
-1.7±0.5
Puits de carbone
Séquestration
Fig. 2. Budgets globaux de CO2 (en PgC/an). Les valeurs révisées (IPCC, 2001) des
principaux flux sont en rouge: les valeurs positives indiquent les flux vers l ’atmosphère;
les valeurs négatives indiquent une prise en charge du CO2 à partir de l ’atmosphère
(source: IPCC, 2001).
Océan=puits de carbone
Fig. 4. Circulation thermohaline dans
l ’océan Atlantique.
Séquestration
Carbone
Eaux profondes
Fig. 5. Profils verticaux des concentrations
de CO2 au niveau de l ’Atlantique nord à la
station GEOSECS 37 et au niveau du
Pacifique nord au niveau de la station
GEOSECS 214 (source: Mann et Lazier,
1991).
Cycle terrestre du carbone
Production primaire
Émissions
anthropiques
Combustibles
fossiles
Carbone
fossile
Décomposition
Humus
Fig.6. Cycle du carbone
terrestre. Par rapport au cycle
du carbone océanique, une
grande partie du cycle du C se
déroule localement, au sein
des écosystèmes.  =turnover
pour les différentes
composantes de la matière
organique du sol (source:
IPCC, 2001).
Concentrations atmosphériques de CH4
Millénaire
Post-glaciaire
Centennaire
Taux de changement
400 mille années
cycles de
périodes glaciaires
et interglaciaires
Concentrations atmosphériques de N2O
Centennaire
Millénaire
Les CFCs
Produits de synthèse
augmentation x 5
en 40 ans
 Les CFC sont non seulement
de puissants gaz à effet de
serre, mais aussi des
destructeurs très efficaces
d ’ozone
 En vertu du Protocole de
Montréal (1987) 
bannissement de ces
substances appauvrissant la
couche d ’ozone (SACO)
Substituts des CFCs
 Les hydrochlorofluorocarbures
(HCFC) et les
hydrofluorocarbures (HFC) sont
les produits de remplacement
des CFCs
 Les HCFC et les HFC sont tous
des gaz à effet de serre (GES)
et leur contribution au
réchauffement global pourrait
être encore plus nuisible à
l ’environnement que leurs
effets sur l ’ozone
 Augmentation très importante
depuis 1990
Forçage radiatif moyen du climat
pour l ’année 2000,
comparativement à 1750
Source: Intergovernmental Panel on Climate Change, 2001
4. Les modèles climatiques et
les différents scénarios
d ’émission
Complexification
des modèles
climatiques
Source: Intergovernmental Panel on Climate Change, 2001
Les modèles climatiques sont-ils fiables?
Facteurs naturels
Facteurs anthropiques
Tous les facteurs
naturels et anthropiques
Meilleur ajustement
Fig. 1. Estimations des
températures annuelles
moyennes à la surface
de la Terre (source:
IPCC, 2001).
Les différents scénarios d ’émission
Fig. 2. Différentes directions des scénarios SRES (« Special Report on
Emissions Scenarios ») pour divers indicateurs (source: IPCC, 2001).
Projections des émissions des GES
Meilleurs scénarios
B1, A1T, B2
Pires scénarios
A1F1, A1B
Fig. 4. Projections des concentrations
atmosphériques de dioxyde de carbone, CO2
(haut), de méthane, CH4 (milieu) et d ’oxyde
nitreux, N2O (bas) résultant des six scénarios
d ’émissions du SRES (« Special Report on
Emissions Scenarios ») (source: IPCC, 2001).
5. Le climat de demain
Selon l ’IPCC
l ’augmentation de
la température à la
surface du globe,
d ’ici 2100 va se
situer entre 1,4°C
et 5,7°C
2
1
projections
Post-industriel
Pré-industriel
Fig. 1. Projections de l ’IPCC (2001).
L ’enveloppe 1 correspond au
réchauffement (par rapport à 1990)
calculés en appliquant un modèle
climatique à l ’ensemble des scénarios
d ’émission; l ’enveloppe 2 en
appliquant plusieurs modèles.
Scénario A2
Réchauffements majeurs
jusqu’à 6-8 degrés
en zones polaires arctiques
Scénario B2
Fig. 2. Réchauffement prévu pour
les scénarios d ’émissions A2
(haut) et B2 (bas) comparant les
températures moyennes pour la
période 2071-2100 à celles de
1961-1990 (source: IPCC, 2001).
Ruissellement annuel
Scénario d’augmentation
1% de CO2 par an
Fonte des glaces
ouragans
inondations
Fig. 3. Modifications du
Sécheresse
ruissellement annuel
moyen en 2050 (20412070) comparé à la
période 1961-1990,
selon deux modèles de
circulation générale
atmosphère-océan du
Hadley Centre (UK Met
Office), pour un
scénario
d ’augmentation à 1%
par an de la
concentration effective
du CO2 (source: IPCC,
2001).
6. Les impacts sur
l ’environnement
Élévation du niveau des mers
0.2 – 0.8 m
Fig. 3. Projections des variations du niveau moyen des mers de 1990
à 2100 selon les différents scénarios d ’émissions envisagés (source:
IPCC, 2001).
Anomalies de la couverture de neige
Baisse depuis 1990
Glaces du Groenland
Bonne corrélation avec
hausse de température
Fig. 4.
A) Anomalies de la couverture neigeuse
mensuelle dans l ’hémisphère nord
(incluant le Groenland) entre novembre
1966 et mai 2000;
B) Anomalies saisonnières de la
couverture de neige (en millions de km2
(ligne continue) en fonction des
anomalies de températures en °C (ligne
pointillée).
Baisse depuis 1980
Glaces de mer
surface
Épaisseur (-1 à –2 m)
Fig. 5. Anomalies mensuelles de l ’étendue
des glaces de mer, de 1973 à 2000
(comparativement à la moyenne calculée
entre 1973 et 1996) au niveau de l ’Arctique
(source: IPCC, 2001).
Fig. 6. Variation de l ’épaisseur moyenne de la glace pour différentes régions
du globe entre la période de temps allant de 1958 à 1976 et celle allant de
1993 à 1997 (source: IPCC, 2001).
Fig. 7. Localisation des impacts physiques et biologiques liés aux changements
climatiques et rapportés dans la littérature scientifique contemporaine (source: IPCC,
2001).
Les provinces écoclimatiques au Canada
Fig. 8. Répartition des provinces écoclimatiques au Canada: a) à l ’heure actuelle; b) telle que
prévues par suite du doublement de la concentration atmosphérique de dioxyde de carbone, à
l ’aide du modèle du Goddard Institute for Space Studies (source: Environnement Canada,
2003).
Impacts au niveau de l ’agriculture
Maïs
Blé
Riz
Fig. 9. Variations des des rendements de divers cultures suivant les différents scénarios
climatiques (avec ou sans adaptation agronomique) (source: IPCC, 2001).
Les CFC, la couche d’ozone
et le rayonnement UV
Plan de cours
Déplétion de la couche d’ozone/CFCs
Cycle de l’ozone stratosphérique
Variations spatio-temporelles de l ’ozone
stratosphérique
Les craintes entourant l ’intégrité de la
couche d ’ozone
Les facteurs responsables de la
destruction de la couche d ’ozone
Les impacts environnementaux
Mesure de l’ozone atmosphérique
Unités Dobson
Maximum
Stratosphère
10 ppm
Colonne d`ozone
correspondant à 3 mm
niveau de la mer
Spectophotomètre Brewer
Répartition verticale de l’ozone
Source: NASA
Maximum
Stratosphère
10 ppm
La molécule d’ozone
Source: NASA
Cycle de l’ozone dans la stratosphère
 La formation et la
destruction de l’ozone ont lieu
simultanément.
Photolyse
Dans une atmosphère non
perturbée, ces processus
s’équilibrent mutuellement et
les concentrations d’ozone se
maintiennent dans des limites
bien définies
Source: Environnement Canada (1999),
La couche d’ozone
Répartition mondiale de l’ozone total
dans la stratosphère
Les vents stratosphériques transportent l’ozone de l’équateur vers les pôles
Effets des brouillards arctiques
a très basses température
Source: OMM, 2003
Variations saisonnières de l’ozone au-dessus
de
l’Arctique
Accumulation en hiver
Destruction en été
Source: OMM, 2003
Variations saisonnières de l’ozone au-dessus
de l’Antarctique
Destruction en été
Accumulation en hiver
Source: OMM, 2003
Les craintes entourant
l’intégrité de la couche
d’ozone
Source: Environnement Canada (2003), L’état de la
couche d’ozone de l’Arctique
Fig. 1. Abondances moyennes de l’ozone en fonction de la
latitude et de la saison pour a) 1964-1980 et b) 1984-1993. Les
effets de l’appauvrissement de l’ozone sont visibles dans le
graphe b) ou les valeurs printanières sont plus basses tant dans
l’Arctique que dans l’Antarctique
Source: Série nationale
d’indicateurs nvironnementaux,
Environnement Canada (2003)
Ozone stratosphérique
2000
2001
Moyenne
1991-2000
Source: NOAA
Trou d’ozone
Maximum
au printemps
Les facteurs responsables de
la destruction de la couche
d’ozone
Les substances appauvrissant la
couche d’ozone (SACO ou ODS)
•Les Chlorofluorocarbures (CFC), le
tétrachlorure de carbone, le
méthylchloroforme et les
hydrochlorofluorocarbures (HCFC)
sont des SACO contenant du chlore
•Les halons, le bromure de méthyle
et les hydrobromofluorocarbures
(HBFC) contiennent plutôt du brome,
qui détruit aussi l’ozone
Les CFCs
•Ce sont les SACO les plus abondantes
•Développés dans les années 1920
pour remplacer le dioxyde de soufre
comme gaz frigorigène
•Fin des années 40: utilisés comme gaz
propulseurs dans les aérosols
•Produits chimiques très stables qui ne
se décomposent pas dans la basse
atmosphère
•Dans la stratosphère, ils sont
décomposés par les UV libérant le
chlore l’ozone
•Un seul atome de chlore peut détruire
100 000 molécules ou plus d’ozone
Mécanismes d’action des CFC
(1)
Cl2CF2 + h

Cl• + ClCF2•
(2)
Cl + O3

ClO + O2
(3)
O3 + h

O2 + O
action “catalytique”
(4a) ClO + O
Cl + O3
O3 + O



Cl + O2
ClO + O2
2O2
(4b) ClO + NO
O3 + Cl
O3 + NO



Cl + NO2
ClO + O2
NO2 + O2
Source: Environnement Canada
(1999), La couche d’ozone
Production de CFCs
Protocole de Montréal
1987
Source: Série nationale
d’indicateurs environnementaux,
Environnement Canada (2003)
Offre de SACO
Source: Série nationale
d’indicateurs environnementaux,
Environnement Canada (2003)
Persistance
Longue durée de vie
> 50 ans
Interdiction
Source:
Intergovernmental
Panel on Climate
Change, 2001
Les HCFCs
 La plupart des HCFC ont
été développés comme
produits chimiques de
transition pour remplacer les
CFC
 Les HCFC ont un
potentiel d’appauvrissement
de 2 à 5% de celui des CFC
Fig. 1. Concentrations atmosphériques
des principaux hydrochlorofluorocarbures
Formation des nuages
stratosphériques polaires (PSC)
ClNO3 + HCl (glace)

HNO3 (glace)
+ Cl2 (gaz)
Fig. 1. Les nuages stratosphériques polaires se
forment dans la basse stratosphère quand les
températures tombent en dessous de -80°C. Ils
favorisent des réactions chimiques qui
transforment des composés bromés et chlorés
stables en substances destructrices de l’ozone
plus actives
Activation de l’effet
destructeur du Chlore
Autres facteurs influant sur l’appauvrissement
de l’ozone dans l’Arctique
 Les fluctuations à long
Variation
naturelle
SACO
Fig. 1. Quantité d’ozone (en unité Dobson) au
niveau de la basse atmosphère (10-20 km) sur
l’Arctique canadien
terme ont également été
associées à divers processus
naturels, dont les plus
importants sont la renverse
périodique des vents
stratosphériques au-dessus
de l’équateur, les épisodes El
Niño, le cycle des taches
solaires et les éruptions
volcaniques
Les impacts sur
l’environnement
Le rayonnement UV
UV-A : pas très nocifs
UV-B : trés nocifs
X
En septembre 2000, le
trou d’ozone de
l’Antarctique a atteint son
extension maximale et il
s’est étendu, pour la
première fois, au-dessus
de grandes régions
habitées du sud de
l’Amérique du Sud
Pantagonie
Argentine
Source: Environnement Canada
(2001), Appauvrissement de
l’ozone et changement
climatique: des problèmes liés
L’augmentation des rayonnements UV-B
est elle une menace potentielle pour les forêts?
Source: Proceedings of the workshop on atmospheric
ozone, Downsview, Ont. (Mars 1997)
Fig. 1. Effet des UV-B (kj j-1) sur
la longueur inter-noeud
terminale chez le sapin de
Norvège après 35 jours
d’exposition
Fig. 2. Effet des UV-B (kj j-1) sur
le % de dioles dans la cire
d’aiguille chez le sapin de
Norvège après 35 jours
d’exposition
Fig. 3. Effet des UV-B (kj j-1) sur
le % chl a dans la cire d’aiguille
chez le pin blanc après 63 jours
d’exposition
Absence d’UV
UV ambiants
Source: Proceedings of the
workshop on atmospheric
ozone, Downsview, Ont.
(Mars 1997)
Algues tolérantes
Diatomées
Cryptophytes
Forte irradiation
Baisse de biomasse
+20% UV
Fig. 1. Évolution de la
distribution de la biomasse
de phytoplancton dans les
enclos du lac Jack de la miaoût à la fin septembre
1994 (Lean et al., ASLO
meeting 1995)
Example de pollution locale (< 100 km):
le smog photochimique
Ozone troposphérique =
important constituant du smog.
Il se forme lorsque les oxydes
d’azote libérés par les
combustibles carbonés brûlés
réagissent à la lumière du soleil
dans l’air stagnant avec des
composés organiques volatils
provenant d’émanations de
combustibles, de solvants, etc.
Smog sur la vallée du bas Fraser
Relation entre ozone troposphérique
et rayonnement UV
Source: Environnement
Canada (2001),
Appauvrissement de
l’ozone et changement
climatique: des problèmes
liés
UV
Ozone
Formation d’ozone
en basse atmosphère
après forte irradiation UVs
Conditions d ’inversion thermique
Barrière naturelle: Montagnes
Formation du smog photochimique
Stratosphère
Troposphère
NO2
Réaction de
la phase
lumineuse
O2
O
OH
OR
P.A.N
O3
O2
NO
HO2
RO2 
Inflammation des voies
respiratoires après exposition à O3
Implications pour la santé humaine
.
Source:
Proceedings of
the workshop
on atmospheric
ozone,
Downsview,
Ont. (Mars
1997)
Hospitalisation
corrélée
pollution
atmosphérique
7. Bref historique de la
politique du climat
1975
Premiers programmes
nationaux de recherche sur
le changement climatique,
après la publication des
résultats de Keeling sur la
croissance rapide des
concentrations
atmosphériques de CO2
1972
Le climat fait
son apparition
sur la scène
politique
internationale à
Stockholm
1979
1985
Signature de la
convention de
Vienne sur la
protection de
la couche
d’ozone
Première
conférence
mondiale sur le
climat organisée
par l’OMS à
Genève: on y traite
du renforcement
anthropique des
GES
1987
1990
Dépôt du
premier
rapport du
GIEC sur les
impacts
probables d’un
changement
climatique
Signature du
protocole de
Montréal:
arrêt de la
production
des CFCs
1992
Sommet de Rio: la
convention donne comme
objectif ultime de
stabiliser les
concentrations des GES
dans l ’atmosphère à un
niveau qui empêche toute
perturbation anthropique
dangereuse
Le Protocole de Kyoto
Conférence de Kyoto, décembre 1997:
 il s ’agit de s ’engager pour des réductions
chiffrées des émissions de GES pour 2010 par
rapport au niveau de 1990
 objectifs du Protocole:
- réduction globale de 5,2% des émissions de GES pour
l ’ensemble des pays de l ’annexe I,
- objectifs modulés par pays,
- prise en compte des puits et réservoirs de carbone,
- prône l ’utilisation accrue des sources d ’énergies
renouvelables,
- prévoit le commerce de droits d ’émission et d ’autres
arrangements entre « Nord » et « Sud »,
- ces aménagements combattus pas l ’UE, ont reçu le soutien
du groupe JUSCANZ et de la Russie
L ’après Kyoto
Arrivé à la fin de l ’année 2000 à la
présidence des États-Unis, George W. Bush
décide de retirer la signature des ÉtatsUnis du Protocole:
 décision justifiée en arguant que les rapports de l ’IPCC
ne constituaient pas une base scientifique fiable pour de
tels engagements (trop de variabilité)
Le programme annoncé en 2002 par G.W.
Bush pour limiter les émissions américaines
de GES vise à diminuer de 18% d ’ici 2010
les emmissions de la production industrielle
américaine