http://videotheque.cnrs.fr/doc=4482 Les changements climatiques: conséquences sur les écosystèmes aquatiques [email protected] Introduction •L’environnement marin a une place importante dans la société humaine. Plus de 50 % de la population mondiale vit à moins de 60 km de la côte. •L’environnement marin constitue la plus grande source de biodiversité sur la planète et les différents biomes marins produisent 35 % de la production primaire globale •De nombreuses activités humaines telles que la pêche, le tourisme, ou encore l’aquaculture dépendent de la biodiversité marine et de la bonne santé des mers et océans. •Les températures globales se sont élevées de 0,76°C entre les périodes 1850-1899 et 2001-2005 (Intergovernmental Panel on Climate Change, 2007). Cette augmentation des températures a principalement concerné les océans, qui ont absorbé 84 % de la chaleur additionnée au système climatique pour une période couvrant les quatre dernières décennies. Fluctuations à long-terme des températures de surface Dans l’océan, les températures ont augmenté de 0.6°C entre les périodes 1900-1940 et les deux dernières décennies Le réchauffement n’a pas été progressif et a connu deux phases d’accélération durant la période 1920-1940 et depuis la fin des années 1970. Tous les systèmes océaniques n’ont pas été touchés avec la même intensité. -hémisphère Nord (ΔT =0.62 entre 1900-1920 et 1990-2007) -hémisphère Sud (ΔT =0.59 entre 1900-1920 et 1990-2007). Fluctuations à long-terme des températures de surface Régionalisation des changements des températures de surface dans l’hémisphère Nord. Les températures ont été moyennées par décennie (à l’exception de la période 2000-2006) et ont été soustraites par la moyenne des températures de surface pour la période 1960-1969. •Cette augmentation de la chaleur emmagasinée par l’océan a contribué à l’expansion thermique à hauteur de 25 % depuis les années 1950. •Le réchauffement, projeté par les modèles de circulation générale océan-atmosphère, varie entre 1.1 (Scenario B1, introduction rapide de technologies efficaces et propres) et 6.4°C (Scenario A1FI, consommation intensive de carbone fossile) pour la fin de ce siècle (Intergovernmental Panel on Climate Change, 2007). Changements de la biodiversité Kerr, Science, Vol. 318, Novembre 2007 Corrélations - Causes? On observe des changements sur le long terme des communautés biologiques (biodiversité, abondance, etc.) dans les écosystèmes aquatiques, mais à quoi sont-ils dus? -Difficile de découpler les différentes origines possibles de ces changements in situ (milieu très vaste, mobilité de la plupart des organismes, différentes sources de changement) Corrélations - Causes? Attribuer les causes d’une modification de biodiversité ou de structure d’un écosystème aux changements climatiques n’est pas une tache aisée à l’échelle locale. En effet, à cette échelle la variabilité physico-chimique locale associée à des phénomènes physiques tels que la marée, la turbulence ou la proximité d’un estuaire ou un delta, les contraintes de l’échantillonnage ou l’impact anthropique direct (pollution, eutrophisation) complexifient fortement le signal. Les études pratiquées à grande échelle distinguent plus nettement le signal climatique et leur développement a permis d’identifier les premières empruntes du changement climatique dans la biosphère. Comparaison de différents indices relatifs au climat, y compris l'expansion et la récession dans les captures d'un groupe représentatif d'espèces des eaux océaniques chaudes. Célèbre trilogie de la sardine du Pacifique, de Kawasaki et al. (1991), dans laquelle les tracés des changements de température de l'océan au large de la bande côtière du Japon mettent en évidence, de manière lumineuse, la relation entre les foisonnements de populations et les tendances à la hausse des températures de surface de l'eau - comme point de départ. Il est également important d’évoquer que le climat varie naturellement. L’oscillation australe dans l’Océan Pacifique sud tropical, couplée aux phénomènes El Niño et La Niña, a des impacts très marqués dans les océans tropicaux. La pêche minotière fût par exemple fortement touchée par l’événement El Niño de 1998 puisque les prises d’anchois du Pérou passèrent de 9 à 1,7 million de tonnes à cause des réductions de la biomasse planctonique. Interaction océan-atmosphère: Impact sur le climat Exemple dans le Pacifique: Le Phénomène « El Niño » Cellule de Walker OUEST OUEST EST EST Interaction océan-atmosphère: Impact sur le climat Exemple dans le Pacifique: Le Phénomène « La Niña » Circulation convective normale Le renforcement des vents étire la zone couverte par la circulation de Walker et la renforce: c'est La Niña Les conséquences d’El Niño à travers le monde Interaction océan-atmosphère: Impact sur le climat Exemple dans l’atlantique: L’Oscillation Nord Atlantique (North Atlantic Oscillation - NAO) L’index NAO mesure la différence de pression atmosphérique entre l’anticyclone des Açores et la dépression d’Islande. Interaction océan-atmosphère: Impact sur le climat Exemple dans l’atlantique: L’Oscillation Nord Atlantique (North Atlantic Oscillation - NAO) Bien que le NAO soit présent à toutes les saisons, c’est durant l’hiver qu’il est particulièrement dominant. On considère en général l’index durant la période de Décembre à Mars. De l'hiver 1506/1507 à 2005/2006 N.A.O. D'HIVERS FROIDS DOUX NAO + 30 70 NAO - 80 20 L’Oscillation Nord Atlantique (North Atlantic Oscillation - NAO) Index NAO Positif Index NAO Négatif Augmentation des méduses en Mer du Nord 1975-1983 Aurelia aurita, west of northern Denmark A. aurita, east of Scotland Cyanea lamarckii, west of northern Denmark Aurelia aurita Cyanea lamarckii Linear regressions of jellyfish abundance against the NAO (December–March) Index. Solid line, model fit; dashed lines, 95% confidence interval. Lynam et al. (2004) Cycle de reproduction de ces Cnidaires Ephyrule Gamètes Oeuf Planula Méduses Polype Strobile Méduse: phase sexuée Polype: phase asexuée Scénarii méduses/ NAO Un futur plus gélatineux pour la Mer du Nord? Predicted exploratory trends in jellyfish frequency in west-central North Sea until 2100. NAOI-jellyfish model (initial solid line for existing data) coupled with outputs from NAOI predictions under seven climate change scenarios (Osborn 2004) (thin lines). Thick black line represents mean for the seven scenarios. Attrill et al., Limnol. Oceanogr., 52(1), 2007, 480–485 Les problèmes causés Méduse d’Echizen au Japon 2m d’envergure pour un poids de 200kg Les Changements Climatiques Les sources anthropiques de CO2 L’ACIDIFICATION DES OCEANS L’ACIDIFICATION DES OCEANS CO2 + H2O => HCO3- + H+ => CO32- + 2H+ pH théorique = 8,2 La problématique: Si CO2↑ Océans plus acides (pH↓) Difficulté de synthétiser des coquilles de calcaire Ca2+ + CO32- => CaCO3 Si CO2↑ CO32-↓ car HCO3- carbonate ↑ hydrogénocarbonate L’ACIDIFICATION DES OCEANS Proportions respectives de carbonates, d'hydrogénocarbonates, et de CO2 dissous en fonction de l'acidité de l'eau de mer. Le pH actuel de l'eau de mer est de l'ordre de 8,2 (donc l'eau de mer est légèrement basique). Si le CO2 augmente, la proportion d'ions carbonates dans l'eau diminue, et donc la formation du calcaire devient plus difficile. Source : Coral reefs & Global climate change, Pew Center on climate change, 2004 Prédictions sur le pH Depuis 200 ans le pH a déjà diminué de 0,1 unité. pH de l'océan de surface (axe vertical) en fonction de la latitude (axe du bas ; 90°S = pôle sud, et 90°N = pôle nord) et de la concentration atmosphérique en CO2. La zone grisée du haut - centrée sur une courbe en pointillés - donne la plage de pH pour l'époque préindustrielle, évaluée par modélisation ; la courbe noire du haut avec l'indication 1994 donne le pH mesuré en 1994, et les courbes du bas donnent le pH en 2100 selon que le scénario d’émission est élevé (I pour Is92a, 800 ppmv de CO2 en 2100) ou plus modéré (S pour S650, environ 550 ppmv de CO2 en 2100 puis stabilisation à 650). Source Orr et al., Nature, Septembre 2005 L’ACIDIFICATION DES OCEANS Les organismes marins directement touchés par l’acidification de l’océan sont ceux qui possèdent un exosquelette calcaire. Il existe 3 formes de calcaire: Calcite Aragonite Calcite magnésienne 50% plus soluble (dans les mêmes conditions) Les organismes marins producteurs de calcaire Concentration en ion carbonate (CO32-) en fonction de la latitude selon l'époque. La courbe indicée 1994 indique le profil de concentration en carbonate mesuré en 1994 ; la zone grisée donne la fourchette simulée pour l'ère préindustrielle, et enfin les concentrations simulées pour 2100 avec les scénarios S et I correspondent aux courbes indicées avec ces lettres. La courbe en tiretés représente le même profil de concentration en ion CO32- en 2300 avec le scénario S650, et la courbe en pointillés gras le résultat un peu différent du modèle IPSL pour le scénario IS92a. Les courbes tiretées horizontales marquées "aragonite saturation" et "calcite saturation" donnent les concentrations minimales en ions carbonate qui sont nécessaires pour synthétiser de l'aragonite (une forme de calcaire) et de la calcite (une autre forme). Clairement, même avec un scénario "modéré" (S650), la concentration en carbonates dans les hautes latitudes du Sud deviendrait insuffisante en 2100 pour permettre la survie des micro-organismes ayant un squelette en aragonite. Source Orr et al., Nature, Septembre 2005 L’aragonite en 2099 Écart par rapport à la saturation en aragonite de l’océan pour 2099, obtenu en faisant la moyenne de dix modèles d’océan : l’aragonite est l’une des deux formes du carbonate de calcium avec la calcite, la forme la plus soluble qui serait donc la plus rapidement touchée par l’acidification (en orange eaux sursaturées en aragonite et en bleu eaux sous-saturées). L’ACIDIFICATION DES OCEANS (Orr et col., 2005) Conséquences sur les organismes marins Les ptéropodes (zooplancton-Mollusque) Squelette en Aragonite Conditions normales Exposition 48h aux conditions de 2100 Limacina helicina, le ptéropode dominant des eaux polaires, un ptéropode étant un mollusque gastéropode muni de deux organes locomoteurs en forme de nageoires. Les coccolithophoridés (phytoplancton) Squelette en Aragonite Dans les conditions prévues pour 2100, diminution de 9 à 25% de la calcification L’ACIDIFICATION DES OCEANS La croissance des coraux se traduit par la fabrication d’un squelette calcaire en aragonite. Dans les conditions prévues pour 2100, diminution de 10 à 35% de la calcification. Conséquences sur les organismes marins 1880 Les coraux 2100 Calcification (% of 1880 average) 50 60 70 80 90 100 110 Modifications biogéographiques Migration des communautés vers des latitudes plus nordiques a) distribution by latitude of two southerly midwater fish species and b) map showing location of capture along the slope edge of NW Europe Quero et al. (1998). Oceanologica Acta, 21: 345-351. Migration des communautés vers des latitudes plus nordiques Morue Lotte Blennie Durant la période étudiée (1977 à 2001), cette mer s’est réchauffée d’à peine 1,05°C en moyenne. Pourtant sur les espèces de poissons ayant leur limite nord ou sud de répartition dans la mer du Nord (36 espèces), 15 espèces ont migré en réponse au réchauffement des eaux. Examples of North Sea fish distributions that have shifted north with climatic warming. Relationships between mean latitude and 5-year running mean winter bottom temperature for (A) cod, (B) anglerfish, and (C) snake blenny are shown. In (D), ranges of shifts in mean latitude are shown for (A), (B), and (C) within the North Sea. Bars on the map illustrate only shift ranges of mean latitudes, not longitudes. Arrows indicate where shifts have been significant over time, with the direction of movement. Perry et al., 2005 (Science) Migration des communautés vers des latitudes plus nordiques Le réchauffement des eaux de la mer du Nord va vraisemblablement continuer. Les climatologues prévoient une augmentation comprise entre 1 et 2.5°C d’ici 2050. Si de telles valeurs étaient atteintes, la sole et la morue disparaîtraient probablement de cette région avec toutes les conséquences économiques que cela pourrait impliquer. Prédictions de Changements d’aire de distribution Espèce thermophile Presence Absence On the 75 Mediterranean endemic fish species, by 2070-2099: -45 species are expected to qualify for the IUCN Red list -14 species are expected to become extinct -Predicted endemic fish species turnover -Changes on habits of consumption -Main results are on species richness but phylogenetic diversity and functional diversity will also be important (Albouy et al., 2014- Ecography) Plancton Hays et al., Trends in Ecology and Evolution (2005) Plancton D’après Beaugrand et al. 2002. Plancton- effets indirects Molinero et al. (2013)- Mar. Env. Res. Molinero et al. (2013) Mar. Env. Res. Molinero et al. (2013) - Mar. Env. Res. Ohman and Venrick (2003) Modifications de dominance Les modifications de dominance des espèces ou de groupes d’espèces, à moyenne ou grande échelles, sont bien souvent associées aux changements biogéographiques et phénologiques (Beaugrand, 2009). Modification des réseaux trophiques Distribution spécifique de deux espèces de Calanus (Copépode) en Europe face aux changements climatiques Mer du Nord Calanus finmarchicus Calanus helgolandicus Distribution spatiale de l’abondance relative de C. finmarchicus par rapport aux autres espèces de copépodes présentes Calanus finmarchicus • Calanus finmarchicus domine la biomasse du zooplancton dans les zones de hautes latitudes Influence de l’augmentation de température en mer du Nord sur la distribution de deux espèces congénériques: Calanus finmarchicus et Calanus helgolandicus. Calanus en Mer du Nord C. helgolandicus Diminution de la biomasse de Calanus C. finmarchicus Hays et al., Trends in Ecology and Evolution (2005) Niches thermiques en Atlantique Nord 35 7 30 6 25 5 20 4 15 3 10 2 5 1 0 0 0 5 10 15 Température (°C) 20 25 Conséquences sur le stock d’une espèce exploitée: la morue (en Mer du Nord) Calanus helgolandicus Calanus finmarchicus Décembre Novembre Octobre Septembre Août Juillet Juin Mai Avril Mars Février Janvier Abondance Œufs de morue Diminution de 85% des prises de morue entre 1980 et 2003 Conséquences sur le stock d’une espèce exploitée: le saumon (autour des îles britanniques) Beaugrand, 2010 Modifications des cycles biologiques Température de l'eau et crabe des neiges de l'Atlantique Morue Crabe Tremblay, 1997 Le crabe des neiges, un élément important des pêches dans l'Atlantique, est sensible au réchauffement climatique, surtout dans l'est de la Plate-forme Scotian et sur les Grands Bancs de Terre-Neuve. •Les femelles incubent leurs oeufs pendant un an dans les eaux dont la température est supérieure à 1 °C, et pendant deux ans dans les eaux plus froides. On en déduit que les femelles vivant dans des eaux chaudes pourraient produire deux fois plus d'oeufs que celles qui vivent dans des eaux froides pendant toute leur période de fécondité. •Le taux de survie et le taux de croissance à long terme des juvéniles ont des valeurs optimales dans les eaux à température intermédiaire (de 0 à +1,5 °C). •La distribution spatiale du crabe adolescent et adulte est influencée par la température de l'eau. Les eaux plus froides sont occupées par des spécimens jeunes et de petite taille, tandis que les eaux chaudes sont habitées par des individus plus âgés et plus gros. Cependant, on ne trouve aucun crabe dans des eaux de plus de 8 °C. Des températures à la hausse : Les changements climatiques dans le sud-ouest de la Colombie-Britannique Le saumon dans l'eau chaude Les saumons céderont-ils leur place aux thons? Saumon sockeye Le saumon du Pacifique vit dans les océans où l'eau est froide. Le sud de la Colombie-Britannique se trouve près de la limite sud de leur aire de répartition. Le réchauffement du Pacifique Nord pourrait obliger les saumons à migrer vers le nord; ils seraient alors moins nombreux dans les rivières du sud de la ColombieBritannique, et les poissons d'eaux chaudes comme le thon et le maquereau, les remplaceraient. Le saumon dans l'eau chaude Des rivières plus chaudes causent un stress aux saumons Un climat plus chaud pose également un problème aux saumons lorsqu'ils remontent les rivières pour frayer. En effet, les saumons cessent de manger et vivent sur leurs réserves de graisse lorsqu'ils pénètrent en eau douce pour la montaison. Ce sont des animaux à sang froid; leur métabolisme est lié à la température de l'eau dans laquelle ils vivent. Si elle est trop chaude, les saumons utilisent toute l'énergie qu'ils ont emmagasinée avant d'avoir atteint la frayère. Les eaux plus chaudes augmentent aussi le risque d'infections bactériennes et fongiques. Simulation des impacts thermiques sur la distribution de l’habitat favorable des espèces… Mod.LMD Chevaine Réponses des espèces piscicoles Modélisation des probabilités d’occurrence des espèces piscicoles. Exemples du Chevaine (Leuciscus cephalus) et de la Truite (Salmo trutta fario). Mod.INIT Mod.INIT : Probabilités d’occurrence de l’espèce pour les conditions thermiques observées durant la période de référence (1980-1989). (Stations du Réseau Hydrobiologique Piscicole du CSP, sous l’hypothèse d’absence de perturbations des cours d’eau) Mod.METEO LEGENDE Scores Pont D. & Rogers C. UMR CNRS 5023. Ecologie des Hydrosystèmes Fluviaux. Université Lyon1. Villeurbanne. [0 :1 ] Probabilités d’Occurrence actuelles Anomalies Positives Anomalies Négatives Simulation des impacts thermiques sur la distribution de l’habitat favorable des espèces… Mod.LMD Truite Fario Mod.LMD et Mod.METEO. Anomalies prédites sur les occurrences selon deux scénarios climatiques ((modèle LMD6 A (Sechiba) et simulation ARPEGE+ISBA sous HadCM2, à résolution variable du CNRM). Sur les 792 stations considérées, les anomalies moyennes annuelles sont de 1.70°C et 3.66°C pour Mod.LMD et Mod.Météo. La température moyenne pour la période de référence est de 11.24°C. Les résultats mettent en évidence l’accroissement d’occurrence des espèces de cyprinidés rhéophiles (Lec : chevaine, Baf : Barbeau commun) et la raréfaction des espèces cryophiles (Trf : truite fario ; Cog : Chabot ; Bab : Loche franche). Mod.INIT Mod.METEO LEGENDE Scores [0:1] Probabilités d’Occurrence actuelles Anomalies Positives Anomalies Négatives Effectifs capturés Réponses des espèces piscicoles Température Température R= gamme thermique de reproduction L= Température létale (°C) Ginot et al., 1996 Modifications phénologiques Les études pratiquées sur le plancton marin de l’océan Atlantique Nord-Est et en particulier la mer du Nord ont montré d’importantes modifications de la phénologie des espèces, phénomène attribué au réchauffement des températures (Edwards et Richardson, 2004). La phénologie est l’étude de l’évolution des rythmes naturels dans les écosystèmes. Ces changements ne sont pas constants parmi les groupes planctoniques étudiés. Changements dans la saisonnalité (phénologie) Inter-annual variability in the peak seasonal development of decapod larvae (an indicator of plankton phenology) in the North Sea and its relationship with sea surface temperature. Warmer temperatures = earlier seasonal appearance, colder temperatures = late seasonal appearance. SAHFOS Ecological Status, 2006 Molinero et al., Oecologia (2005) NAO positif NAO négatif Centropages typicus Temora stylifera Impact du réchauffement des températures sur la biodiversité, les services et le cycle du carbone • En Atlantique Nord, le réchauffement des températures s'est accompagné: - d'une augmentation de la biodiversité de ces groupes planctoniques - d'une diminution de 25 à 33% de la taille moyenne des copépodes, dont une centaine d'espèces peuplent cette partie de l'océan. La taille de ces organismes est en effet passée d'une moyenne de 3-4 mm à 2-3 mm dans certaines régions situées à la limite entre les systèmes tempérés et polaires. Hays et al., Trends in Ecology and Evolution (2005) Beaugrand et al. (2010) révèlent qu’une augmentation de la biodiversité, souvent vue comme avantageuse en termes de résilience et de stabilité (Worm et al., 2006), peut au contraire altérer certaines fonctions bénéfiques telles que la régulation du dioxyde de carbone et l’exploitation des ressources marines. Cette augmentation, jamais constatée à une aussi grande échelle spatiale, est à interpréter comme étant une indication de l’altération des systèmes biologiques et des services qu’ils fournissent à l’homme face au changement climatique. Conséquences: Modifications du fonctionnement des écosystèmes marins • Induirait une diminution, non encore quantifiable, du piégeage du carbone atmosphérique par l'océan Atlantique Nord, lequel contribue pour un quart au prélèvement total du carbone atmosphérique par l'océan mondial. • Accroîtrait la stratification thermique de la colonne d'eau, ce qui rendra plus difficile l'arrivée des sels nutritifs depuis les couches profondes jusqu'à la surface et finalement provoquera une diminution de la productivité marine. • Réduction potentielle de l’exportation de carbone depuis la surface jusqu’au fond • Circulation plus rapide du carbone biogénique, d'organismes à organismes à l'intérieur du réseau trophique, traduisant une augmentation du métabolisme de l'écosystème (plus un organisme est petit, plus il se développe et meurt rapidement) • Modifications des interactions proies-prédateurs Impacts sur les écosystèmes côtiers Ne couvrant que 18 % de l’océan mondial mais offrant 85 % des ressources marines exploitées, les systèmes côtiers sont d’importantes plaques tournantes d’échanges de matières et d’énergie jouant un rôle capital dans les cycles biogéochimiques 99% de la productivité biologique est restreinte à moins de 20% de la surface des océans: -Dans les zones côtières -Dans les zones d’upwelling Decadal HAB (Harmful Algal Bloom) anomalies SAHFOS Ecological Status, 2006 Decadal anomaly maps of four common HAB taxa. Anomaly is the difference between the long-term mean (1960-1989) and post 1990s (1990 - 2002). Les pluies, le ruissellement local et le régime des vents ont une grande influence sur le développement des efflorescences algales. Celui-ci est favorisé par un fort ruissellement provenant des tributaires locaux, combiné à de longues périodes de vents faibles. Decadal HAB anomalies Spatial distribution of 4 HAB taxa in Northern European waters during 2005. Only occurrences of the taxa above 4 standard deviations above its baseline mean (19602005) are shown, i.e. exceptional blooms. SAHFOS Ecological Status, 2006 Cependant de nombreuses études montrent que le lien entre les différents forçages et la réponse de l’écosystème n’est pas linéaire et révèlent l’importance de la prise en compte des forçages à l’échelle locale (particularités morphologiques, hydrologiques et météorologiques). C’est pour ces raisons que les multiples et profondes altérations de ces systèmes, sensibles à un changement global de plus en plus prononcé (à la fois climatique et anthropique), rendent incontournables la mise en place d’outils d’observation, de surveillance et de management adaptés. Observation - Collecte des données -Difficulté de couvrir une surface d’étude immense, difficile d’accès, et très changeante. -Nécessité de connaître les échelles de temps et d’espace de réponse à un stress des différents compartiments à étudier Observation - Collecte des données -Echantillonnage discret, ponctuel campagnes océanographiques lors de -Mesures en continu grâce à des développements technologiques- mouillages -Utilisation de bouées dérivantes -Les observations par satellite -Les stations fixes Exemple de la mesure altimétrique L’altimètre mesure la distance (ligne en pointillés) entre le satellite et la surface de la mer. Les systèmes d’orbitographie (balise Doris) permettent de calculer l’altitude du satellite. La différence de ces deux hauteurs correspond au géoïde qui serait la forme de la mer en l’absence de courants et à la topographie dynamique. Observation - Collecte des données Les floraisons phytoplanctoniques Emiliana huxleyi (coccolithophoridés) Les moyens d’observation Echantillonneurs: Rapides, En continu Continuous Plankton Recorder (CPR) Routes du CPR Temps nécessaire pour le retour à l'état moyen antérieur, après la fin du forçage lié à une perturbation. Perturbation Origine humaine? Origine naturelle? Temps de retour Pollution domestique (substrats meubles) + - <1-10a Surpêche par la pêche artisanale (abondance des poissons) + - <5-10a Marée noire + - <10a Maladies d’espèces marines ± + >10a Disparition fonctionnelle d’espèces longévives + ± 10-100a Aménagement littoral, réclamations + - Millénaires Surpêche (changements génétiques chez les poissons) + - Millénaires? Réchauffement climatique + + + - Cycle glaciaire? + - Irréversible Invasions biologiques Néo-extinctions d’espèces Irréversible