Le système terre Ressources abiotiques et écosystèmes

Changements planétaires
et cycle du carbone
Richard JOFFRE
Equipe DREAM
CEFE-CNRS
[email protected]
Le système “carbone-climat-homme”
•
Le fonctionnement de la planéte associe des facteurs biophysiques et humains :
– Le climat (atmosphère, océans, hydrosphère, ...)
– Les cycles biogéochimiques (carbone, azote, ...)
– Les activités humaines (émissions de gaz à effet de serre, utilisation des
terres)
BGC cycles
(C, N, ...)
(1) Biophysical
feedbacks
Climate
(4) Response
(2) Forcing
Human activities
(3) Impacts
Première partie
• Le bilan énergétique de la terre
• Les modifications du climat
et leurs causes
• Les scénarios d’émission des gaz à
effet de serre (GES ou GHG)
et les prévisions climatiques
1 Le bilan radiatif de la terre
et l’effet de serre
Le système climatique est
complexe et sa compréhension
fait appel à celle de nombreux
processus radiatifs,
thermodynamiques et
dynamiques à toutes les échelles
(10-6 à 108 m)
235
Rayonnement
solaire incident
342 W m-2
Rayonnement
solaire réfléchi
107
Emission
IR vers
l’espace
Réflexion par les
nuages, l’air, les aérosols
195 Emis par
l’atmosphère et
les nuages
Absorbé par
l’atmosphère et
67
les nuages
24
Gaz à effet
de serre
78
324
350
Réfléchi par
la surface
168
Absorbé par
la surface
24
Chaleur
sensible
78
ETR
40
Fenêtre
atmosphérique
Rayonnement IR
vers le sol
390
Absorbé par la
Rayonnement
324 surface
IR émis par la
surface
Les gaz à effet de serre et le climat de la Terre

Les gaz ayant une action sur le bilan radiatif, ou gaz à effet de serre, comprennent notamment la vapeur
d’eau, le CO2, le méthane



En leur absence, la température moyenne de la planéte serait inférieure de 30° C environ

D’autres facteurs influent sur le bilan radiatif du globe :
L’augmentation de leur concentration dans l’atmosphère accélère le réchauffement
La concentration de la vapeur d’eau augmente avec la température (rétroaction positive) car la surface
terrestre est riche en eau.
●
●
●
Les variations du rayonnement solaire (visible et proche infrarouge, UV)
Les volcans
La pollutions, les aérosols (obscurcissement atmosphérique)
Solar
radiation
Thermal
radiation
Arrhenius
S. 1896.
On the
influence of
carbonic acid
in the air
upon the
temperature
of the
ground.
Philos. Mag, 41,
237-275
In Bard E 2004. Greenhouse effect and ice ages: historical perspective. CR Geosciences 603-638.
2 Les observations sur les
changements de climat
Variations de la température de surface de la Terre
durant le dernier millénaire
Début de la
révolution industrielle
Période chaude
du moyen-age
Petit age glaciaire
Variations de la température de surface de la Terre
depuis 140 ans
SPM 1a
Dynamique de la température du globe mesurée par satellite
En résumé
Tendance nette au réchauffement global
Réponse spatialement différenciée
selon les régions
et les différentes phases du réchauffement
3 Les facteurs naturels peuvent-ils
expliquer à eux seuls les récents
changements de température ?
Corrélation CO2 Température
CO2 in 2100
(with business as usual)
600
Double pre-industrial CO2
500
Lowest possible CO2
stabilisation level by 2100
Différences de
températures avec la
température actuelle
(rouge)
400
CO2 now
300
10
200
0
–10
160
120
80
40
Time (thousands of years)
Now
100
CO2 concentration (ppmv)
Teneur de l’atmosphère
en CO2 depuis 160 000
ans (courbe verte)
700
La concentration de CO2 et celle du méthane ont
fortement augmenté depuis la période préindustrielle
Carbon dioxide: 33% rise
BW 5
The Met Office. Hadley Center for Climate Prediction and Research.
Methane: 100% rise
• La dynamique de la
concentration de CO2 dans
l’atmosphere
• L’évolution des températures
moyennes mondiales (à partir
de données corrigées des
effets de l’urbanisation)
• Concentration du CO2 en
2005 : 380ppm
Emissions
8000
[CO2]
390
370
7000
6000
350
CO2 emissions
5000
330
4000
3000
2000
1000
0
1750
390
370
310
atmospheric
CO2
1800
290
1850
1900
Year AD
[CO2]
Temperature
1950
0.2
C/decade
350
310
290
270
1750
270
0.8
2000
0.6
0.4
0.2
temperature
330
0
-0.2
atmospheric
CO2
1800
1850
1900
Year AD
-0.4
1950
Atmospheric [CO2] (ppmv)
9000
-0.6
2000
Temperature Anomaly (degC)
• Les émissions de CO2
Fossil Fuel Emission (MtC/yr)
250 ans de données sur:
Atmospheric [CO2] (ppmv)
Emissions, CO2,
température
10000
Les gaz à effet de serre au niveau
de la biosphère
Type de gaz
CO2
CH4
N2O
CFC11
CFC12
Avant la période
industrielle (ppm)
280
0.80
288
0
0
En 1990
354
1.70
310
280
84
Accroissement annuel
de concentration %
0.5
.9
0.25
4
4
Durée de séjour dans
l’atmosphère (an)
50-200
10
150
60
120
Pouvoir radiatif / CO2
1
32
160
14000
17000
Modification de l’utilisation des terres
Les modifications de l’utilisation des terres
ont une influence sur la concentration des
GHG (CO2, méthane..) dans l’atmosphère.
Bilan des émissions de carbone
et de sa répartition
dans le globe depuis 1800 (Gt C)
140
Land use
change
115
Oceans
110
265
Fossil
emissions
Terrestrial
180
Atmosphere
“Les simulations de la réponse au forçage naturel …
ne permettent pas d’expliquer à elles seules le
réchauffement de la seconde moitié du XXème
siècle”
Stott et al,
Science
2000
Les indicateurs de l’influence humaine sur
l’atmosphère durant l’ère industrielle
Les gaz à effets de serre (GHG)
Les aérosols sulfatés déposés
dans les glaces du Groenland
“..les estimations faites à partir de modèles qui
prennent en compte à la fois les gaz à effet de serre
et les aérosols sulfatés sont cohérentes avec les
observations de la période correspondante”
Stott et al,
Science
2000
4 Les changements climatiques
attendus
Changements climatiques à venir
IPCC Third Assessment (2001)
– Réchauffement global de 1.4 à 5.8° C d’ici 2100
– Elévation du niveau de la mer de 0.2 à 0.8 m
– Accroissement de la moyenne des précipitations à l’échelle du
globe, mais distribution spatiale extrêmement incertaine
Facteurs associés
– Amplification des interactions climat-carbone: le réchauffement
entraîne des émissions de CO2 et de méthane à partir des
réservoirs terrestres et océaniques
– Obscurcissement : la pollution par les aérosols réduit
l’ensoleillement et augmente la nébulosité, ce qui pourrait atténuer
un peu le réchauffement
– Instabilités climatiques: circulation thermohaline, dynamique
glaciaire
– Réponses humaines: incertitude sur les émissions futures
Le rôle de la circulation
océanique dans la régulation
climatique n’est pas connu
avec sufisamment de
précisions pour établir des
scénarios sur le long-terme
mais……
La circulation thermohaline pourrait être
affectée par le changement climatique
Warm
surface
current
Intermediate
waters
Warm and less saline
Antarctic circumpolar current
Scénarios d’émission
A1 Croissance rapide de l’économie
La population mondiale augmente jusqu’au milieu du siècle puis diminue
Introduction rapide de nouvelles technologies plus efficaces
A1F1 Repose intensivement sur le pétrole
A1T Energie non fossile
A1B Equilibrée
A2 Croissance inhomogène et plus lente que A1
B1 Comme A1 mais avec plus de services et moins d’industries
Moins polluante et politique orientée vers le développement durable
B2 Croissance continue de la population mondiale, niveau économique intermédiaire
IS92 Business as usual (1992)
IPCC 2001
Les prévisions de température jusqu’en 2100
Les prévisions de température en 2100
Scénario intermédiaire
Réchauffement très important dans l’arctique
Les continents sont plus chauds que les océans
Changement de température moyenne annuelle calculée sur la période 20712100 par rapport à la température mesurée en 1990
Tmoy2071-2100-T1990
Les précipitations
certaines régions devraient devenir plus humides, d’autres plus
sèches, avec un accroissement global des précipitations.
Annual mean precipitation change: 2071 to 2100 Relative to 1990
La montée des océans
Le niveau des océans monte non pas à cause de la fonte des
glaces mais par dilatation thermique des océans
L’accroissement de l’effet de serre en question
Pourquoi lutter contre l’accroissement de l’effet de serre
 A:
 B:
 C:
 D:
Les émissions de GHG sont à l’origine du changement climatique
Les réponses du climat à l’augmentation de la concentration des
GHG sont mesurables dès maintenant
Les changements climatiques atteindront à l’avenir des niveaux
dangereux
C’est pourquoi la réduction des émissions de CHG doit être amorcée
au niveau planétaire dès maintenant.
Un certain degré d’incertitude
 Les “sceptiques” remettent en cause chacune de ces quatre assertions
 Mais, de plus en plus de preuves viennent étayer les trois premières
 B étaye A et C mais ne constitue pas leur seule base
 Prouver que B est fausse n’entraînerait pas que A, C ou D le soit
 D est une décision politique et éthique qui découle de C
Que disent les sceptiques : point A
Hypothèse
Les émissions de
GHG d’origine
anthropique
entraînent un
changement
climatique
Critique
Réfutation
Estimer que la vapeur d’eau a une
rétroaction négative est erroné
Le feedback positif de la vapeur d’eau
est maintenant prouvé
L’augmentation de la couverture
nuageuse due à l’augmentaton de
vapeur d’eau
résoudra le problème
La rétroaction des nuages est
incertaine mais devrait être négative et
de très grande ampleur.
Que disent les sceptiques : B
Hypothèse
Critique
Réfutation
L’urbanisation influence les mesures Les effets de l’urbanisation ont
instrumentales de T
été soigneusement soustraits
B Les réponses
climatiques à
l’augmentation de la
concentration des
GHG sont
mesurables dès
maintenant
Les mesures satellitaires ne
montrent pas de réchauffement
C’était incertain en 2001 (IPCC
2001) mais maintenant prouvé
Une hausse des T a été plusieurs
fois constatée dans les études sur
les paléoclimats (p ex dans les
cycles de glaciation)
Les modifications
atmosphériques sont d’une
rapidité inégalée. Le forçage par
le GHG se fait suivant une
dynamique de nature différente.
Les tendances actuelles de la T
sont dues à des variations du
rayonnement solaire (UV en
particulier)
1 Les variations solaires
n’expliquent au plus que la
moitié des tendances de T pour
les 150 dernières années
2 Quoiqu’il en soit le CO2 est
bien un GHG
On a observé que les changements
de CO2 sont un effet et non une
cause lors des cycles glaciaires.
Partiellement vrai mais sans
objet
Que disent les sceptiques : C et D
Hypothèse
Critique
Les modèles sont trop complexes et
incertains pour qu’on les croie.
Les modèles sont largement
capables de reproduire les
tendances climatiques
observées entre 1800-2000
Les modèles omettent de nombreux
De plus en plus de processus
sont pris en compte ; ils
introduisent des incertitudes
supplémentaires dans les deux
sens
C Les changements processus clés
climatiques
atteindront à l’avenir
des niveaux
dangereux
Une adaptation se produira au fur et
D C’est pourquoi
nous devons dès
maintenant réduire
les émissions
planétaires de GHG
Réfutation
à mesure des changements, les
niveaux dangereux ne seront pas
atteints.
Les taux d’adaptation sont
fortement dépendants des
capacités technologiques. Les
pays les plus pauvres seront les
plus durement affectés.
Réduire les émissions est trop
couteux.
Les coûts sont abordables et les
mesures auront aussi des effets
économiquement bénéfiques.
Nous pourrons nous adapter aux
changements prévus.
Les impacts seront
considérables et l’adaptation
sera impossible pour les
secteurs économiques et les
sociétés vulnerables.
Deuxième partie
• Le cycle du carbone
• Les modifications anthropiques
du cycle du carbone
1 Le cycle du carbone
• Le carbone représente 50 % de la matière
organique sur terre
• La photosynthèse permet l’incorporation
du carbone atmosphérique inorganique
dans les tissus végétaux
• Notion de source et puits de carbone
Les acteurs principaux de la production primaire
dans les écosystèmes terrestres
Quelques définitions
Gross Primary Production
Production Primaire Brute
• La Production Primaire Brute ou GPP
correspond à la totalité du carbone fixé par la
photosynthèse
• La Production Primaire Nette ou NPP
correspond à la PPB moins la respiration des
plantes (respiration autotrophe)
Production primaire nette (NPP)
NPP = GPP - RPlant
D’une manière générale, la respiration est
beaucoup moins bien connue que la
photosynthèse
On considère généralement
que GPP ≈ 2 NPP
On considére généralement
que GPP ≈ 2 NPP
La NEP (net ecosystem
production) ou NEE (net
ecosystem exchange)
correspond à la NPP moins
la respiration
hétérotrophique
(microorganismes du sol)
La NBE (net biome
exchange) ou NBP (net
biome production)
correspond à la NEE moins
les pertes de carbone
épisodiques liées aux
perturbations (incendies,
coupes,…)
La NEP est la résultante de deux grands flux:
La GPP et la respiration de l’écosystème
Les mécanismes de régulation
Comment mesurer la GPP ou plus
généralement les échanges de C
entre l’atmosphère et la végétation
à l’échelle de l’écosystème,
de la région ou du globe
 Micro météorologie
Fluctuations turbulentes
 Télédétection
Les données satellites (radiation interceptée) peuvent être
utilisées pour estimer la GPP car l’efficacité de conversion de
la lumière (LUE) est proche entre les différents écosystèmes
Forêt
Culture
Estimation du gain de carbone
à partir de satellites
Les satellites mesurent la lumière absorbée
ou réfléchie à différentes longueurs d’ondes
(NIR-VIS)
NDVI = (NIR+VIS)
NDVI: Normalized difference vegetation index
NIR: Near-infrared radiation
VIS: Visible radiation
(Measured light absorbed)
Le NDVI est proportionnelle à la quantité d’énergie
lumineuse absorbée par la chlorophylle, et donc au gain
de carbone de l’écosystème
(Satellite estimate)
Comment varie le stock de carbone des écosystèmes
terrestres ?
Gain global de carbone depuis 1980…..
Nemani et al (2003): 6% increase in global terrestrial NPP 1982-1999 (from NDVI)
……mais pas depuis 1994
d(NDVI)/dt: Summer 1982-1991
d(NDVI)/dt: Summer 1994-2002
•Les gains réalisés dans un premier temps grâce à l’allongement de la période
de croissance sont presque annihilés par le ralentissement de l’assimilation
lorsque les étés deviennent plus chauds et plus secs.
•Globalement, on constate une diminution de la capacité de séquestration de
carbone des écosystèmes terrestres durant la dernière décade.
Angert et al. 2005; Dai et al. 2005; Buermann et al. 2005; Courtesy Inez Fung 2005
2 Les modifications anthropiques
du cycle du carbone,
les réponses et scénarios
d’évolution du stockage
Les activités humaines ont perturbé et
continueront à perturber le cycle du carbone,
par l’accroissement de la concentration de
CO2 dans l’atmosphère
Robert T. Watson IPCC, Chair
Actuellement, les écosystèmes terrestres fonctionnent
globalement comme un puits de carbone
Ce prélèvement de carbone atmosphérique (ou
séquestration) ne pourra pas continuer indéfiniment.
A partir de quand se ralentira-t’il, deviendra-t’il nul ou même
sera-t’il remplacé par une émission nette ?
Mécanismes de séquestration du C
Changement de l’usage des terres
Conversion de terres agricoles en forêts
Les forêts jeunes croissent rapidement
Fertilisation CO2
Les plantes en C3 ont un meilleur taux de
photosynthèse en atmosphère enrichie en CO2
Dépot d’azote atmosphérique (origine industrielle)
Limitations des mécanismes de
séquestration
Changements de l’usage des terres
Le taux de croissance des forêts diminue avec l’age.
Le taux de déforestation peut augmenter
Fertilisation en CO2
Les plantes en C3 plants s’acclimatent (downregulation)
D’autres nutriments deviennent limitants
Le dépot d’N peut conduire à une acidification
Le caractère transitoire de l’augmentation de
séquestration en forêt
• Les forêts américaines et européennes sont maintenant
proches de leur pic de taux de croissance et la
croissance va diminuer.
Biomass
Sink
Age moyen
des arbres
des forêts
tempérées
40-70 ans
C Sink Strength (NEP)
4
t2
t3
2
0
t4
-2
Source
0
t1
30
60
Years
90
120
150
Simulation de la variation du stock de carbone des sols d'ici à 2100.
Les sols passeraient de puits à source vers 2050.
Le déstockage de carbone des sols vers l'atmosphère totaliserait environ
200 Gt de carbone entre 2050 et 2100. Source :Hadley Center
Vulnérabilité du C fixé dans les sols gelés
•
•
•
•
200-800 PgC in frozen soils
Warming melts permafrost
• reduced permafrost area
• deeper seasonal melting
CO2, CH4 exchanges both important
Vulnerable: ~ 100 PgCeq ~ 50 ppm
Gruber et al. (2004, SCOPE-GCP)
Field CB, Raupach MR (eds.) (2004) The Global Carbon Cycle: Integrating Humans, Climate and the Natural World. Island Press, Washington D.C.
526 pp.
Principales incertitudes sur la
prédiction du cycle du C à l’avenir
• Réponse du métabolisme terrestre au climat
• Rapidité du turnover des principaux
réservoirs de C
• Interactions entre les facteurs de forcage
climatique (réchauffement, CO2, patrons de
précipitations, N)
• Effets directs des changements d’utilisation
des terres
• Interactions climat-feux, particulièrement
sous les tropiques.
Thèmes de recherches ultérieures
• Inventaires intensifs des réservoirs de C
• Mesures des flux à l’échelle de
l’écosystème (eddy covariance)
• Recherches dans les milieux tropicaux
• Expérience de manipulation
d’écosystèmes
• Réponses aux perturbations
Les premières réponses
internationales….
….vers une stabilisation
des climats
UNITED NATIONS FRAMEWORK CONVENTION ON CLIMATE CHANGE
Rio de Janeiro : June 1992
ARTICLE 2: OBJECTIVE
L’objectif final de cette convention … est … de parvenir à .…
la stabilisation de la concentration des gaz à effets de serre
à un niveau qui empêchera des interférences dangereuses
entre l’homme et le système climatique.
Un tel niveau devrait être atteint
dans un délai suffisant pour:
• permettre aux ecosystèmes
de s’adapter naturellement
aux changements climatiques
• s’assurer que la production
de nourriture n’est pas menacée
• autoriser un processus de
développement économique durable
La concentration en CO2, la température et le niveau
de la mer continueront à augmenter bien après que
les émissions ont été réduites
Plafonner les émissions de CO2 ne conduira pas à
stabiliser les concentrations atmosphériques
3 Les faits
L’exemple du déstockage de C des sols
Les zones terrestres devraient s’échauffer plus que les
océans, particulièrement aux hautes latitudes
Changement de la température annuelle moyenne entre 2071 et 2100
par rapport à 1990
Moyenne globale en 2085 = 3.1oC
une augmentation globale est prévue
mais certaines régions deviendront plus sèches
et d’autres plus humides
Evolution de la moyenne des précipitations : 2071 to 2100
par rapport à 1990
Les écosystèmes sont régis par de nombreux processus
interactifs non-linéaires et sont donc sujets à des
changements brutaux et à des effets de seuil qui se
déclenchent à partir de variations relativement faibles
de certaines variables pilotes, comme le climat.
Exemples:
Une augmentation de température au delà d’un seuil donné,
variable suivant l’espèce et la variété peut affecter des phases de
développement de certaines récoltes et produire de sérieuses
baisses de rendement de certaines cultures
action sur l’acquisition du C
DecLa décomposition de la matière organique gelée dans le
permafrost, qui se produit sous l’effet du rechauffement des
régions articques va entraînerd’importantes émissions de
CO2 dans l’atmosphère
action sur la perte de C
Le carbone dans le sol
Schulze and Freibauer Nature september 2005 437/8
Les pertes de carbone des sols en Angleterre
et au pays de Galles entre 1978-2003
Bellamy et al., Nature september 2005 437/8
Taux de variation du carbone organique des sols en fonction
de la quantité d’origine et de l’usage des terres
a terre arable
b prairie permanente
c non agricole
d tous
Bellamy et al., Nature september 2005 437/8
4 Quelques éléments sur la
situation en France
REPARTITION ET EVOLUTION DES EMISSIONS
DE GAZ A EFFET DE SERRE EN FRANCE
émissions en 2001
en %
Δ 1990
-
e
n
2
%
Transports
28
+ 22
Résidentiel
tertiaire
19
+ 14
Industrie
21
- 18
Agriculture
18
-4
Energie
11
- 28
Déchets
3
- 14
0
0
1
Quelques ordres
de grandeur du rôle de la forêt
Le bilan net de la séquestration de carbone
annuelle par les forêts françaises est estimé à
10 M de tonnes, soit environ 10 % des
émissions fossiles
La tempête de décembre 1999 devrait libérer
par combustion ou décomposition 28 M de
tonnes, représentant 3 années de
séquestration
Pensez à l’échelle planétaire
Analysez à l’échelle locale