Fiches « Changement climatique : stratégies d`observation

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COMBINER DES STRATÉGIES
ET DES OUTILS COMPLÉMENTAIRES
Initiateur et coordinateur de projets, l’Inra occupe une place centrale au sein de
différents dispositifs d’observation des indicateurs du changement climatique et
des gaz à effet de serre. Ces outils visent à étudier les interactions entre agriculture
et environnement dans les écosystèmes exploités (agricoles, aquacoles, forestiers)
et leurs impacts sur l’environnement (sol, eau, biodiversité, gaz à effet de serre).
Ces dispositifs d’observation sont déployés à trois niveaux : • au cœur même des écosystèmes (sol et végétation)
• dans l’atmosphère (mesures par avion et grandes tours)
• depuis l’espace (satellite)
Atmosphère
Ecosystèmes
Deux enjeux particuliers qui mobilisent la communauté de recherche sont
présentés ici :
• la mesure et l’analyse des gaz à effet de serre (ICOS)
et l’observation de la phénologie (EUROPHEN)
• l’observation par satellite du cycle de l’eau dans le sol
et la végétation.
Source : rapport du GIEC. « Climate Change 2013. The physical basis ». Cambridge University Press.
www.ipcc.ch/report
CHANGEMENT CLIMATIQUE :
STRATÉGIES D’OBSERVATION
©Inra - février 2015 - Mission Communication INRA Bordeaux-Aquitaine - contacts scientifiques : Denis Loustau, Jean-Pierre Lagouarde (Umr ISPA) - ©crédit photo : INRA - infographie adaptée depuis ipcc.ch/report
OBSERVER ET MESURER LE CHANGEMENT CLIMATIQUE POUR
ADAPTER LES SYSTÈMES DE CULTURE
ET SYLVICULTURE
Les agroécosystèmes cultivés, agricoles ou forestiers, sont exposés directement au
changement climatique. Ils doivent donc être adaptés à l’évolution du climat et de
l’environnement en général.
Dans les stratégies d’adaptation, les impacts de la gestion des agroécosystèmes
sur l’environnement doivent aussi être pris en compte : gaz à effet de serre (CO2,
méthane, oxyde nitreux), biodiversité, ressources en eau, sols et qualité de l’air.
Avec l’observation, la mesure et la modélisation du changement climatique et de
ses impacts sur les agrosystèmes, les enjeux pour l’Inra sont de mettre au point des
pratiques de gestion et d’aménagement qui satisferont les besoins futurs tout en
optimisant les services environnementaux rendus par les agroécosystèmes.
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L’augmentation des gaz à effet de serre depuis le début de l’ère industrielle a un
impact direct et avéré sur le climat. La part de l’agriculture dans les émissions
globales de gaz à effets de serre est significative. En 2010, elle a ainsi représenté
20% des émissions françaises. L’agriculture, au sens large, est donc appelée à
contribuer à l’effort de
réduction de ces émissions
[CO ]
pour atteindre l’objectif
d’une division par 4 à
l’horizon 2050, fixé aux
[CH ]
niveaux nationaux et internationaux. Les forêts, au
[N O]
contraire, piègent près de
27% des émissions de CO2
Concentrations en GES de l’année 0 à 2020 (MacFarling-Meure et al., 2006)
d’origine fossile.
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LE RÉSEAU D’OBSERVATION ICOS
Développé depuis 2008, ICOS (Integrated Carbon Observation System) est une
infrastructure d’observation développée par le CEA, l’Inra et le CNRS. Initiative
européenne lancée par la France, ICOS constitue un très grand instrument scientifique de classe mondiale pour la communauté de recherche sur l’environnement.
ICOS est organisé en un réseau européen de mesures portant sur les écosystèmes,
l’atmosphère et les océans. En suivant en temps réel les émissions de gaz à effet de
serre agricoles et forestières, ICOS permet aux scientifiques de suivre et de comparer
différents types de cultures (céréalières, énergétiques, prairies, plantations forestières et forêts, zones humides). Ce suivi opéré jusqu’en 2035 permettra également
de détecter et de comprendre les effets des changements environnementaux sur
les agroécosystèmes.
DES RÉPONSES SCIENTIFIQUES AUX ENJEUX GLOBAUX
Comment vérifier l’impact
des mesures prises ?
Comment réduire les incertitudes sur les bilans de GES aux
échelles spatiales pertinentes
Comment maîtriser
le présent et le futur ?
Par l’agriculteur, l’éleveur, le forestier,
l’acteur territorial, l’industriel,
le gouvernement
Exploitation
Commune
Région
Pays
Continent
Elargir notre compréhension,
améliorer notre capacité de prédiction
Suivi environnemental,
continu, précis,
cohérent et distribué
Densifier et homogénéiser les réseaux
de mesure, les inter-connecter,
les mettre en cohérence
avec les observations globales
Améliorer les modèles utilisés,
leur utilisation combinée
aux données observées
OBSERVER ET MESURER LES GAZ À EFFET DE SERRE
Changement climatique : stratégies d’observation
©Inra - février 2015 - Mission Communication INRA Bordeaux-Aquitaine - contacts scientifiques : Denis Loustau, (Umr ISPA) - ©crédit photo : INRA (Guy Pracros)
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OBSERVER À L’ÉCHELLE GLOBALE
Le réseau d’observation coordonné par ICOS concerne l’atmosphère, les écosystèmes continentaux et l’océan.
• Le réseau atmosphérique comprend une trentaine de tours de 100 à 300m
de hauteur. Outre le suivi des gaz à effet de serre dans l’atmosphère, ces mesures
permettent de calculer les flux émis par les surfaces continentales à une large
échelle (50-100km).
• Le réseau «Ecosystèmes» est constitué de 70 stations réparties dans 16 pays.
Il représente les grands types d’usages des terres : cultures, prairies, forêts, zones
humides. Ces observations permettent d’établir le bilan de différents usages des
terres, de suivre son évolution et d’en comprendre les principaux déterminants.
• Le réseau ICOS Océan est constitué d’une quinzaine de vaisseaux et d’autant
de stations fixes qui mesurent en continu les concentrations en gaz à effet de serre
de l’atmosphère et de la couche supérieure de la colonne d’eau. Ces données permettent d’établir une estimation précise des échanges entre atmosphère et océan.
Source ICOS : www.icos-infrastructure.eu
Les stations du réseau Ecosystème d’ICOS France représentent environ une centaine
de chercheurs , ingénieurs et techniciens scientifiques. Avec 16 sites participants,
le réseau permet de suivre le fonctionnement et l’évolution des grandes cultures
(Grignon, Toulouse, Avignon, Mons), prairies (Lusignan, Clermont-Ferrand, Dijon,
Kourou) et forêts (Nancy, Fontainebleau, Marseille, Montpellier, Bordeaux, Guyane).
OBSERVER ET MESURER LES GAZ À EFFET DE SERRE
Changement climatique : stratégies d’observation
Profil vertical de mesures
de vent, concentration en
dioxyde d carbone (CO2),
humidité et température de
l’air qui permettent de
calculer les transferts convectifs de
chaleur entre végétation
et atmosphère.
Mesures par thermopile
du rayonnement atmosphérique.
L’atmosphère émet vers la terre un
rayonnement de grande longueur
d’onde distinct du rayonnement
solaire et qui est une composante
essentielle du bilan d’énergie de
l’écosystème.
Montage en forêt d’un système de mesure des flux de
gaz à effet de serre (CO2, H2O,
CH4) basé sur le principe de covariations temporelles de la vitesse
d’air et des concentrations en gaz.
Cette mesure permet notamment
d’établir avec précision le bilan
de carbone des cultures, forêts
et prairies.
Caméra automatique
dont les images réassemblées
forment un «film» de l’évolution de
la végétation à long terme.
Monitoring de la vitesse
et de la direction du vent.
Mesure du rayonnement
utile reçu par le couvert
et de ses fractions directe et
diffuse.
Essentielle pour comprendre comment fonctionne la photosynthèse
du couvert, cette mesure permet
aussi de suivre l’impact de la pollution de l’atmosphère par les aérosols
sur le rayonnement utile reçu par la
végétation.
Instruments utilisés pour
la détermination des flux
convectifs de chaleur et CO2
déployés ici sur une coupe rase
forestière.
Monitoring de la température végétale par radiomètre
thermique et de réflectance
spectrale directionnelle qui
permet de suivre l’évolution
des couleurs du couvert
végétal et de ses variations
saisonnières et interannuelles
(phénologie).
INSTRUMENTS DE MESURES TERRESTRES
Changement climatique : stratégies d’observation
©Inra - février 2015 - Mission Communication INRA Bordeaux-Aquitaine - contacts scientifiques : Denis Loustau (Umr ISPA) - ©crédit photo : INRA - infographie adaptée depuis ipcc.ch/report
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Débourrement printanier (1)
Senescence (2)
Longueur de la saison
de croissance (3)
Modifications futures des périodes de débourrement printanier (1), de coloration des feuilles à l’automne (2)
et longueur de la saison de croissance (3) dans les forêts de feuillus pour la période 2071-2100 (Lebourgeois et al., 2010)
SAISONS DE CROISSANCE ALLONGÉES = STOCKAGE ACCRU DU CO2?
Bien que le nombre de jours où les plantes ont des feuilles s’accroit chaque année,
il est encore incertain d’affirmer que cela entrainera une plus forte absorption du
dioxyde de carbone (CO2), dont l’augmentation des concentrations dans l’atmosphère est responsable au premier chef du réchauffement climatique.
Avec l’arrivée plus précoce du printemps, les écosystèmes absorberont plus de CO2
durant la photosynthèse, mais la hausse des températures peut aussi conduire à
une augmentation des pertes de CO2 par respiration des micro-organismes du sol
LA PHÉNOLOGIE :
INDICATEUR DU CHANGEMENT CLIMATIQUE
Changement climatique : stratégies d’observation
©Inra - février 2015 - Mission Communication INRA Bordeaux-Aquitaine - contacts scientifiques : Lisa Wingate (Umr ISPA) - ©crédit photo : INRA
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LES RYTHMES SAISONNIERS DU MONDE VIVANT
MODIFIÉS PAR LE CLIMAT
La phénologie - ou le calendrier des évènements saisonniers des animaux et des
plantes - constitue un indicateur simple de l’impact du changement climatique
sur l’écologie des espèces animales et végétales. Observer la phénologie des
plantes, c’est documenter les dates d’éclosion des bourgeons, d’apparition des
feuilles, de floraison, de fructification, de décoloration puis de chute des feuilles.
Les dates d’apparition des feuilles, des fleurs et des fruits sont notées depuis de
nombreuses années par des observateurs partout dans le monde. Quand de tels
enregistrements sont maintenus de façon cohérente pendant plusieurs années, ils
peuvent nous révéler comment les plantes répondent au changement climatique.
Les données montrent que, par rapport à il y a 30 ans, l’apparition des jeunes
feuilles est plus précoce et leur chute est aussi parfois retardée de sorte que la durée
de la «saison de végétation» devient aussi plus longue, de 2,3 à 5,2 jours par décennie (IPCC, 2007). Actuellement, on ne sait pas si cette tendance va se poursuivre
dans les décennies à venir, ni à quel rythme.
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et des plantes. Il est essentiel de surveiller de manière simultanée les évènements
phénologiques et l’absorption de CO2 par les écosystèmes de l’échelle locale à
l’échelle continentale.
GARDER UN ŒIL SUR LE BILAN CARBONE Les scientifiques de toute l’Europe ont établi des dispositifs de mesures de précision
des événements phénologiques s’appuyant sur des caméras numériques en réseau
(«phenocams») installées sur divers écosystèmes comme ceux étudiés par l’Inra au
travers du réseau d’observation ICOS. Ce réseau de «phenocams», baptisé Europhen
(http://european-webcam-network.net), est coordonné par l’Inra.
Chaque jour, les images numériques collectées par les caméras fournissent un enregistrement visuel de l’apparition et de la disparition des feuilles dans la canopée.
Ces images peuvent être utilisées pour dater les évènements phénologiques quand
elles sont collectées régulièrement et dans la durée.
La composition en Rouge, Vert et Bleu (RGB) de portions d’images contenant de
la végétation,
peut aussi être
analysée et fournit
davantage d’informations sur
la structure et la
physiologie de la
canopée. L’étude
conjointe de la
phénologie des
écosystèmes et
Traitement des images numériques issues de caméras fixées au-dessus de la canopée
de leur capacité à
séquestrer le CO2
atmosphérique permettra de mieux comprendre comment l’absorption de carbone
par les écosystèmes répond à un allongement de la saison de croissance.
Elle permettra également d’anticiper comment nos écosystèmes sont susceptibles
de répondre au changement climatique futur.
LA PHÉNOLOGIE :
INDICATEUR DU CHANGEMENT CLIMATIQUE
Changement climatique : stratégies d’observation
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LE CYCLE DE L’EAU
Production agricole et sécurité alimentaire mondiale, gestion d’une ressource en
eau aujourd’hui sous tension, maîtrise de la diffusion des contaminants et maintien
de la qualité de l’eau et des sols,
tels sont les enjeux auxquels
l’Inra doit faire face.
Dans ce but l’Institut a investi,
avec ses partenaires, le champ
de l’observation spatiale en
complément des mesures
réalisées au sol sur les
écosystèmes.
La température et l’humidité de surface sont régies par le cycle de l’eau dans le
système sol-plante atmosphère. Les mesures par satellite dans les domaines de
l’infrarouge thermique et des microondes permettent d’accéder à ces deux
variables-clé du fonctionnement hydrique de la végétation et du sol.
infrarouge
thermique
évapotranspiration
(transpiration plantes +
évaporation sol)
pluie
micro-ondes
température
de surface
ruissellement
humidité de surface
stockage
dans le sol
Extraction de l’eau par les racines
et évaporation de l’eau du sol
recharge
nappe
LE SUIVI ET LA MESURE DE L’HUMIDITÉ DES SOLS
Les apports d’eau par la pluie et l’irrigation, et l’évapotranspiration des plantes
régissent les changements de l’humidité du sol. La mesure de l’humidité superficielle apporte des informations sur le cycle de l’eau et le fonctionnement hydrique
de la végétation à l’échelle du globe. La mission SMOS (Soil Moisture and Ocean
Salinity) est un programme commun d’observation de la Terre de l’ESA (Agence
Spatiale Européenne) proposé par le CESBIO. Elle fournit des cartes d’humidité des
sols et de salinité des océans, deux variables-clé du suivi du climat.
L’Inra est étroitement associé à cette mission : des travaux expérimentaux et de modélisation ont permis de développer l’algorithme de traitement des données pour
élaborer les cartes d’humidité à partir du signal mesuré par le satellite.
Utilisation de SMOS pour le suivi des sécheresses sur l’Europe de l’Ouest : la comparaison des cartes d’humidité (en cm3 d’eau / cm3 de sol)
entre avril 2010 et avril 2011 met en évidence les surfaces touchées par la sécheresse en 2011 (source CESBIO).
OBSERVATION PAR SATELLITE
DU CYCLE DE L’EAU DANS LE SOL ET LA VÉGÉTATION
Changement climatique : stratégies d’observation
©Inra - février 2015 - Mission Communication INRA Bordeaux-Aquitaine - contacts scientifiques :Jean-Pierre Laguarde (Umr ISPA) - ©crédit photo : CNES
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LA TEMPÉRATURE DE SURFACE,
UN TÉMOIN DE L’ÉTAT HYDRIQUE DES CULTURES
La température de surface obtenue par mesure du rayonnement émis dans les
longueurs d’onde de l’infrarouge thermique (entre 8 et 14 µm) permet d’estimer
l’évapotranspiration des cultures. Ainsi une surface bien alimentée en eau et à forte
évapotranspiration présente une température plus basse qu’une surface sèche.
Exemple de cartographie de l’évapotranspiration sur le Sud-Est de la France (à proximité de Saint Rémy de Provence)
déduite d’une thermographie obtenue par une caméra IRT aéroportée (10/04/1997) - Source Inra Avignon
DES PROJETS DE MISSION SPATIALE
DANS L’INFRAROUGE THERMIQUE
Les chercheurs de Inra construisent avec le CNES des projets de mission spatiale.
Ils analysent les besoins des scientifiques et des décideurs publics, puis définissent
les caractéristiques de mission nécessaires (résolution, fréquence d’observation,
bandes spectrales, etc.). En lien étroit avec l’Inra, le CNES élabore ensuite des systèmes (instrument, satellite) conciliant les objectifs scientifiques et les contraintes
techniques du spatial. Le but est aujourd’hui de bâtir une mission associant des
capacités de revisite (fréquence d’observations de 1 à 3 jours) et une résolution
spatiale (60 - 80 m) élevées. Aucun satellite aujourd’hui en fonctionnement ne
combine dans l’infrarouge thermique ces performances indispensables pour le suivi
opérationnel des conditions hydriques des cultures depuis l’espace.
Les projets en cours d’élaboration visent un lancement à l’horizon 2020.
Projet de mission MISTIGRI (MIcro Satellite for Thermal Infrared GRound surface Imaging).
Vues du satellite, panneaux solaires repliés (a) avant, (b) arrière.
(c) Couverture pour une orbite héliosynchrone à 561 km d’altitude (assurant 1 jour de revisite), avec des angles de visée de 30° (jaune) et 45°(vert).
OBSERVATION PAR SATELLITE
DU CYCLE DE L’EAU DANS LE SOL ET LA VÉGÉTATION
Changement climatique : stratégies d’observation