Introduction aux cycles biogéochimiques
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Introduction aux cycles biogéochimiques : un point de vue atmosphérique Laboratoire des Sciences du Climat et de l!’environnement Université de Versailles Saint Quentin en Yvelines 1 Introduction aux cycles biogéochimiques Le système climatique 2 Source : IPCC, 2007 Introduction aux cycles biogéochimiques Eléments chimiques et réservoirs Dissous/particulaire, organique/inorganique 3 U S Geological Survey Introduction aux cycles biogéochimiques Plan • Composition de l’atmosphère actuelle • Comment classer les composés atmosphériques ? • Espèces et Modèles en boîtes des cycles biogéochimiques 4 Introduction aux cycles biogéochimiques Plan • Composition de l’atmosphère actuelle • Comment classer les composés atmosphériques ? • Espèces et Modèles en boîtes des cycles biogéochimiques 5 Composition actuelle de l’atmosphère Introduction aux cycles biogéochimiques 6 Source : Dossier l!’atmosphère, Pour la Science, ed. Belin, Juin 1996. Introduction aux cycles biogéochimiques Principaux constituants atmosphériques. 7 Physico-chimie de l’atmosphère, Belin ed., 2005 Introduction aux cycles biogéochimiques Le cycle global de l’eau - Cycle Actif : taux de renouvel. = 11 jours - 2/3 de l!’effet de serre naturel - Eau = enjeu majeur du 21e siècle Quantités exprimées en 1015 kg d’eau 8 Introduction aux cycles biogéochimiques Temps de résidence de la vapeur d’eau dans l’atmosphère en fonction de la latitude. Physico-chimie de l’atmosphère, Belin ed. Fondamentaux de météorologie, S. Malardel, Cépaduès ed., 2005 9 Introduction aux cycles biogéochimiques EAU et humidité10 Introduction aux cycles biogéochimiques Précipitations Fondamentaux de météorologie, S. Malardel, Cépaduès ed., 2005 11 Introduction aux cycles biogéochimiques Cycle du carbone géologique 12 Introduction aux cycles biogéochimiques 750 GtC Dégazage 70 ± 20 Le bilan global «naturel» du CO2 en GtC an-1 (1 GtC = Absorption 70 ± 20 40000 GtC Erosion 0.6 Respiration 120 ± 30 Photosynthèse 120 ± 30 2500 GtC 1015gC) Flux annuels années 1990 Stocks moyens réservoirs Source : IPCC-TAR 13 Introduction aux cycles biogéochimiques Espèce à longue durée de vie : CH4 ppb 14 Concentrations de méthane calculées par le modèle de chimie-transport LMDZ-INCA (moyenne annuelle pour 1990). Introduction aux cycles biogéochimiques Reconstruction du méthane atmosphérique depuis l’espace Frankenberg et al., 2005 15 Introduction aux cycles biogéochimiques Distribution d’ozone sur la verticale au dessus de la Suisse (ppb) Ozone stratosphérique Ozone troposphérique 16 www.meteosuisse.ch Introduction aux cycles biogéochimiques Composés en déséquilibre de mélange Fig. 8 : Unité Dobson. 17 Introduction aux cycles biogéochimiques NO2 depuis l’espace En Asie http://www.aecc.be/content/images/europe.jpg En Europe 18 http://www.esa.int/esaCP/SEMCZD7X9DE_Switzerland_fr_0.html Introduction aux cycles biogéochimiques Plan • Composition de l’atmosphère actuelle • Comment classer les composés atmosphériques ? • Espèces et Modèles en boîtes des cycles biogéochimiques 19 Introduction aux cycles biogéochimiques Distribution verticale des principaux constituants atmosphériques. 20 Physico-chimie de l’atmosphère, Belin ed., 2005 Introduction aux cycles biogéochimiques Réactivité chimique Variation de l’énergie potentielle lors d’une réaction chimique. 21 Physico-chimie de l’atmosphère, Belin ed., 2005 Introduction aux cycles biogéochimiques Temps de vie Evolution de la masse des constituants après leur émission dans l’atmosphère. 22 Physico-chimie de l’atmosphère, Belin ed. Introduction aux cycles biogéochimiques Type de sources Représentation schématique des principaux processus affectant la composition chimique de l’atmosphère. 23 Physico-chimie de l’atmosphère, Belin ed., 2005 Introduction aux cycles biogéochimiques Type d’échange 24 Introduction aux cycles biogéochimiques Forçage radiatif 25 IPCC, 2007 Toxicité 26 Source : Atmospheric chemistry of the earth, Seinfield, ed. Wiley-interscience, 1998. Pollution de l!’air, P. Arquès, ed. Edisud, 1998. Introduction aux cycles biogéochimiques Introduction aux cycles biogéochimiques Transport dans l’atmosphère Temps caractéristiques moyens de transport (a) horizontal et (b) vertical dans l’atmosphère. 27 Physico-chimie de l’atmosphère, Belin ed., 2005 Introduction aux cycles biogéochimiques Echelle temporelle SF6* 1 siècle N2O* Gaz à longue durée de vie 10 ans CFCs* *: fort PEG DDD : contribue à détruire l’ozone strato AAA : gaz à effet de serre **: Toxicité ou dangerosité *** : acidification CH4* CO2*** HFCs* CH3CCl3* 1 an CH3Br Temps de mélange Inter-hémisphérique CO** Aérosols 1mois H2O2 1 jour NOx*** C3H6 1 heure Temps de mélange dans la couche limite DMS Isoprène 100 s 1s Temps de mélange Intra-hémisphérique O3 tropo SOx*** COVs** Gaz à durée de vie modérée CH3O2• HO2• OH• NO3• 1m Radicaux 1 km 100 km 1000 km Classification espace/temps des composés atmosphériques Echelle spatiale 28 Introduction aux cycles biogéochimiques Plan • Composition de l’atmosphère actuelle • Comment classer les composés atmosphériques ? • Espèces et Modèles en boîtes des cycles biogéochimiques 29 Introduction aux cycles biogéochimiques 30 Introduction to atmospheric chemistry, D. Jacob, 1999, Cambridge press university, 267p. Introduction aux cycles biogéochimiques Un outil pour représenter les cycles biogéochimiques : le modèle en boîtes Modèle à une boîte Modèle à 2 boîtes Modèle à 3 boîtes d! = Fin + E + P " Fout " L " D dt Conservation de la masse 31 Introduction to atmospheric chemistry, D. Jacob, 1999, Cambridge press university, 267p. Modèles en boîtes : Cycle de l’oxygène 32 Introduction to atmospheric chemistry, D. Jacob, 1999, Cambridge press university, 267p. Introduction aux cycles biogéochimiques Modèles en boîtes : Cycle de l’azote 33 Introduction to atmospheric chemistry, D. Jacob, 1999, Cambridge press university, 267p. Introduction aux cycles biogéochimiques Les différentes espèces azotées NH4+ Ammonium ion NH3 Ammoniaque gaz NO2- Nitrite ion NO3- Nitrate ion HNO3 Acide nitrique gaz NO Oxyde Nitrique gaz NO2 Dioxyde d’azote gaz N2O Oxyde nitreux gaz à effet de serre N2 Diazote gaz AOD Azote organique dissous (DON) PAN Peroxy acetyl nitrate gaz 34 Introduction aux cycles biogéochimiques Modèles en boîtes : Cycle du carbone 35 Introduction to atmospheric chemistry, D. Jacob, 1999, Cambridge press university, 267p. Introduction aux cycles biogéochimiques Les principales espèces carbonées CO2 gaz carbonique gaz à effet de serre CH4 méthane gaz à effet de serre CO monoxyde de carbone gaz HCHO formaldéhyde gaz COVs composés organiques volatils gaz 36 Introduction aux cycles biogéochimiques Conclusions • Les cycles biogéochimiques sont une composante majeure du système climatique. • Le cycle du carbone comprend deux gaz à effet de serre à longue durée de vie (CO2, CH4) et une myriade d’espèces réactives (CO, HCHO, COVs) • Le cycle de l’azote comprend des ions (NH4+, NO3-,NO2-), des composés à cycles rapides (NOx, NH3) et un gaz à effet de serre (N2O). • Le cycle de l’oxygène est fortement couplé au cycle du carbone. • Les cycles longs peuvent souvent être découplées des cycles courts. Un outil utile pour faire cette séparation est le modèle en boîtes. 37
