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Bernadette Pinel-Alloul Université de Montréal

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Présentation au sujet: "Bernadette Pinel-Alloul Université de Montréal"— Transcription de la présentation:

1 Bernadette Pinel-Alloul Université de Montréal
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

2 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

3 Plan de cours (suite) Les impacts sur l’environnement
élévation du niveau des mers impacts au niveau de la cryosphère les provinces écoclimatiques

4 L’effet de serre: un phénomène naturel indispensable à la vie sur Terre

5 Le système climatique Radiation solaire Albedo

6 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

7 Structure verticale de l’atmosphère terrestre
Thermosphère Mésosphère Source: NASA Stratosphère Troposphère

8 Structure verticale de l’atmosphère terrestre
Gradient thermique Couche d’ozone Absorption des UVs Méso- Strato- Tropo- Gradient thermique Reémission des IRs Source: NASA

9 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) < 0.1% + 1 à 3% (v/v) vapeur d’eau

10 L ’effet de serre: un phénomène naturel
342 W m-2 Absorption UVs 168 W m-2 PAR: nm

11 Réflection des Infra-Rouges Absorption des UVs

12 Climats planétaires

13 2. Le réchauffement global à la surface de la Terre: une réalité?

14 Variations à long terme de la température à la surface de la Terre
Périodes inter-glaciaires Périodes glaciaires

15 Variations GES Millénaire 400 ans stabilité Augmentation GES Fin 1800 stabilité stabilité

16 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)

17 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 Moyenne Hémisphère nord Moyenne

18 3. Les gaz à effet de serre et leurs propriétés radiantes

19 Exemples de GES affectés par les activités anthropiques
Source: Intergovernmental Panel on Climate Change, 2001

20 Potentiel de réchauffement des principaux GES par rapport au CO2
Source: Intergovernmental Panel on Climate Change, 2001

21 Contribution de chacun des GES au forçage anthropique
55% Autres CFC 7% 17% CFC 11 et 12 6% 15% Méthane N2O Source: Intergovernmental Panel on Climate Change, 1990

22 400 mille années Augmentation [CO2] atmosphère = moitié du taux des émissions de combustibles carbonés Post-industriel Pré-industriel 25 millions années 500 millions années Post-glaciaire

23 Le cycle du carbone: les perturbations anthropiques
6.3±0.4 -1.7±0.5 -1.4±0.7 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).

24 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).

25 Cycle terrestre du carbone
Production primaire Émissions anthropiques 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). Combustibles fossiles Décomposition Carbone fossile Humus

26 Concentrations atmosphériques de CH4
Millénaire Post-glaciaire Centennaire Taux de changement 400 mille années cycles de périodes glaciaires et interglaciaires

27 Concentrations atmosphériques de N2O
Centennaire Millénaire

28 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)

29 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

30 Forçage radiatif moyen du climat pour l ’année 2000, comparativement à 1750
Source: Intergovernmental Panel on Climate Change, 2001

31 4. Les modèles climatiques et les différents scénarios d ’émission

32 Complexification des modèles climatiques
Source: Intergovernmental Panel on Climate Change, 2001

33 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).

34 Les différents scénarios d ’émission
Fig. 2. Différentes directions des scénarios SRES (« Special Report on Emissions Scenarios ») pour divers indicateurs (source: IPCC, 2001).

35 Projections des émissions des GES

36 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).

37 5. Le climat de demain

38 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 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. Post-industriel Pré-industriel

39 Scénario A2 Scénario B2 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 à celles de (source: IPCC, 2001).

40 Scénario d’augmentation
Ruissellement annuel Scénario d’augmentation 1% de CO2 par an Fonte des glaces ouragans inondations Fig. 3. Modifications du ruissellement annuel moyen en 2050 ( ) comparé à la période , 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). Sécheresse

41 6. Les impacts sur l ’environnement

42 Élévation du niveau des mers
Fig. 3. Projections des variations du niveau moyen des mers de 1990 à 2100 selon les différents scénarios d ’émissions envisagés (source: IPCC, 2001).

43 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).

44 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 (source: IPCC, 2001).

45 Fig. 7. Localisation des impacts physiques et biologiques liés aux changements climatiques et rapportés dans la littérature scientifique contemporaine (source: IPCC, 2001).

46 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).

47 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).

48 Les CFC, la couche d’ozone et le rayonnement UV

49 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

50 Mesure de l’ozone atmosphérique
Unités Dobson Maximum Stratosphère 10 ppm Colonne d`ozone correspondant à 3 mm niveau de la mer Spectophotomètre Brewer

51 Répartition verticale de l’ozone
Source: NASA Maximum Stratosphère 10 ppm

52 La molécule d’ozone Source: NASA

53 Cycle de l’ozone dans la stratosphère
La formation et la destruction de l’ozone ont lieu simultanément. Dans une atmosphère non perturbée, ces processus s’équilibrent mutuellement et les concentrations d’ozone se maintiennent dans des limites bien définies Photolyse Source: Environnement Canada (1999), La couche d’ozone

54 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

55 Variations saisonnières de l’ozone au-dessus de l’Arctique
Accumulation en hiver Destruction en été Source: OMM, 2003

56 Variations saisonnières de l’ozone au-dessus de l’Antarctique
Destruction en été Accumulation en hiver Source: OMM, 2003

57 Les craintes entourant l’intégrité de la couche d’ozone

58 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) et b) 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

59 Ozone stratosphérique
Source: Série nationale d’indicateurs nvironnementaux, Environnement Canada (2003) Ozone stratosphérique

60 Trou d’ozone Maximum au printemps Source: NOAA 2000 2001 Moyenne
Source: NOAA

61 Les facteurs responsables de la destruction de la couche d’ozone

62 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

63 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 molécules ou plus d’ozone

64 Mécanismes d’action des CFC
(1) Cl2CF2 + h  Cl• + ClCF2• (2) Cl + O3  ClO + O2 (3) O3 + h  O2 + O (4a) ClO + O  Cl + O2 Cl + O3  ClO + O2 O3 + O  2O2 (4b) ClO + NO  Cl + NO2 O3 + Cl  ClO + O2 O3 + NO  NO2 + O2 action “catalytique”

65 Source: Environnement Canada (1999), La couche d’ozone

66 Production de CFCs Offre de SACO Protocole de Montréal 1987
Source: Série nationale d’indicateurs environnementaux, Environnement Canada (2003) Offre de SACO

67 Persistance Longue durée de vie > 50 ans Interdiction
Source: Série nationale d’indicateurs environnementaux, Environnement Canada (2003) Persistance Longue durée de vie > 50 ans Interdiction

68 Les HCFCs Source: Intergovernmental Panel on Climate Change, 2001 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

69 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

70 Autres facteurs influant sur l’appauvrissement de l’ozone dans l’Arctique
Les fluctuations à long 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 Variation naturelle SACO Fig. 1. Quantité d’ozone (en unité Dobson) au niveau de la basse atmosphère (10-20 km) sur l’Arctique canadien

71 Les impacts sur l’environnement

72 Le rayonnement UV UV-A : pas très nocifs UV-B : trés nocifs

73 X Pantagonie Argentine
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 X Pantagonie Argentine Source: Environnement Canada (2001), Appauvrissement de l’ozone et changement climatique: des problèmes liés

74 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

75 Absence d’UV Source: Proceedings of the workshop on atmospheric ozone, Downsview, Ont. (Mars 1997) Algues tolérantes Diatomées Cryptophytes UV ambiants 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 mi-août à la fin septembre 1994 (Lean et al., ASLO meeting 1995)

76 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

77 Relation entre ozone troposphérique et rayonnement UV
Source: Environnement Canada (2001), Appauvrissement de l’ozone et changement climatique: des problèmes liés Ozone UV Formation d’ozone en basse atmosphère après forte irradiation UVs

78 Conditions d ’inversion thermique
Barrière naturelle: Montagnes

79 Formation du smog photochimique
Stratosphère Troposphère NO2 OH OR Réaction de la phase lumineuse P.A.N O2 O O3 O2 HO2 RO2  NO

80 Inflammation des voies respiratoires après exposition à O3

81 Implications pour la santé humaine
Source: Proceedings of the workshop on atmospheric ozone, Downsview, Ont. (Mars 1997) . Hospitalisation corrélée pollution atmosphérique

82 7. Bref historique de la politique du climat

83 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 1985 Signature de la convention de Vienne sur la protection de la couche d’ozone 1990 Dépôt du premier rapport du GIEC sur les impacts probables d’un changement climatique 1972 Le climat fait son apparition sur la scène politique internationale à Stockholm 1979 Première conférence mondiale sur le climat organisée par l’OMS à Genève: on y traite du renforcement anthropique des GES 1987 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

84 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

85 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 États-Unis 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


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