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Changements planétaires et cycle du carbone Richard JOFFRE Equipe DREAM CEFE-CNRS

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1 Changements planétaires et cycle du carbone Richard JOFFRE Equipe DREAM CEFE-CNRS

2 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,...) Climate (1) Biophysical feedbacks (2) Forcing Human activities (3) Impacts (4) Response

3 Le bilan énergétique de la terre Les modifications du climat et leurs causes Les scénarios démission des gaz à effet de serre (GES ou GHG) et les prévisions climatiques Première partie

4 1 Le bilan radiatif de la terre et leffet de serre

5 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 10 8 m)

6 168 Absorbé par la surface Rayonnement solaire réfléchi 107 Réflexion par les nuages, lair, les aérosols Réfléchi par la surface Absorbé par la 324 surface Gaz à effet de serre Rayonnement IR vers le sol 324 Emission IR vers lespace Emis par latmosphère et les nuages Fenêtre atmosphérique Rayonnement IR émis par la surface Rayonnement solaire incident 342 W m Absorbé par latmosphère et les nuages 78 ETR 24 Chaleur sensible 24 78

7 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 deau, le CO 2, le méthane En leur absence, la température moyenne de la planéte serait inférieure de 30° C environ Laugmentation de leur concentration dans latmosphère accélère le réchauffement La concentration de la vapeur deau augmente avec la température (rétroaction positive) car la surface terrestre est riche en eau. Dautres facteurs influent sur le bilan radiatif du globe : Les variations du rayonnement solaire (visible et proche infrarouge, UV) Les volcans La pollutions, les aérosols (obscurcissement atmosphérique)

8 In Bard E Greenhouse effect and ice ages: historical perspective. CR Geosciences Arrhenius S On the influence of carbonic acid in the air upon the temperature of the ground. Philos. Mag, 41,

9 2 Les observations sur les changements de climat

10 Variations de la température de surface de la Terre durant le dernier millénaire Période chaude du moyen-age Petit age glaciaire Début de la révolution industrielle

11 SPM 1a Variations de la température de surface de la Terre depuis 140 ans

12 Dynamique de la température du globe mesurée par satellite

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15 En résumé Tendance nette au réchauffement global Réponse spatialement différenciée selon les régions et les différentes phases du réchauffement

16 3 Les facteurs naturels peuvent-ils expliquer à eux seuls les récents changements de température ?

17 Teneur de latmosphère en CO2 depuis ans (courbe verte) Time (thousands of years) Now – CO 2 in 2100 (with business as usual) Double pre-industrial CO 2 Lowest possible CO 2 stabilisation level by 2100 CO 2 now Différences de températures avec la température actuelle (rouge) CO 2 concentration (ppmv) Corrélation CO2 Température

18 La concentration de CO2 et celle du méthane ont fortement augmenté depuis la période préindustrielle Carbon dioxide: 33% riseMethane: 100% rise The Met Office. Hadley Center for Climate Prediction and Research. BW 5

19 Emissions, CO 2, température 250 ans de données sur: Les émissions de CO2 La dynamique de la concentration de CO 2 dans latmosphere Lévolution des températures moyennes mondiales (à partir de données corrigées des effets de lurbanisation) Concentration du CO2 en 2005 : 380ppm CO 2 emissions atmospheric CO 2 temperature 0.2 C/decade

20 Les gaz à effet de serre au niveau de la biosphère

21 Les modifications de lutilisation des terres ont une influence sur la concentration des GHG (CO2, méthane..) dans latmosphère. Modification de lutilisation des terres

22 Bilan des émissions de carbone et de sa répartition dans le globe depuis 1800 (Gt C)

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24 Les simulations de la réponse au forçage naturel … ne permettent pas dexpliquer à elles seules le réchauffement de la seconde moitié du XXème siècle Stott et al, Science 2000

25 Les indicateurs de linfluence humaine sur latmosphère durant lère industrielle Les aérosols sulfatés déposés dans les glaces du Groenland Les gaz à effets de serre (GHG)

26 ..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

27 4 Les changements climatiques attendus

28 Changements climatiques à venir IPCC Third Assessment (2001) –Réchauffement global de 1.4 à 5.8° C dici 2100 –Elévation du niveau de la mer de 0.2 à 0.8 m –Accroissement de la moyenne des précipitations à léchelle du globe, mais distribution spatiale extrêmement incertaine Facteurs associés –Amplification des interactions climat-carbone: le réchauffement entraîne des émissions de CO 2 et de méthane à partir des réservoirs terrestres et océaniques –Obscurcissement : la pollution par les aérosols réduit lensoleillement 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

29 Le rôle de la circulation océanique dans la régulation climatique nest pas connu avec sufisamment de précisions pour établir des scénarios sur le long-terme mais……

30 Warm and less salineAntarctic circumpolar current Warm surface current Intermediate waters La circulation thermohaline pourrait être affectée par le changement climatique

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32 Scénarios démission A1 Croissance rapide de léconomie La population mondiale augmente jusquau 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 dindustries 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

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34 Les prévisions de température jusquen 2100

35 Les prévisions de température en 2100

36 Scénario intermédiaire Réchauffement très important dans larctique Les continents sont plus chauds que les océans Changement de température moyenne annuelle calculée sur la période par rapport à la température mesurée en 1990 Tmoy T 1990

37 Les précipitations certaines régions devraient devenir plus humides, dautres plus sèches, avec un accroissement global des précipitations. Annual mean precipitation change: 2071 to 2100 Relative to 1990

38 La montée des océans Le niveau des océans monte non pas à cause de la fonte des glaces mais par dilatation thermique des océans

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40 Laccroissement de leffet de serre en question Pourquoi lutter contre laccroissement de leffet de serre A:Les émissions de GHG sont à lorigine du changement climatique B:Les réponses du climat à laugmentation de la concentration des GHG sont mesurables dès maintenant C:Les changements climatiques atteindront à lavenir des niveaux dangereux D:Cest pourquoi la réduction des émissions de CHG doit être amorcée au niveau planétaire dès maintenant. Un certain degré dincertitude 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 nentraînerait pas que A, C ou D le soit D est une décision politique et éthique qui découle de C

41 Que disent les sceptiques : point A Hypothèse Critique Réfutation Estimer que la vapeur deau a une rétroaction négative est erroné Le feedback positif de la vapeur deau est maintenant prouvé Les émissions de GHG dorigine anthropique entraînent un changement climatique Laugmentation de la couverture nuageuse due à laugmentaton de vapeur deau résoudra le problème La rétroaction des nuages est incertaine mais devrait être négative et de très grande ampleur.

42 Que disent les sceptiques : B HypothèseCritiqueRéfutation B Les réponses climatiques à laugmentation de la concentration des GHG sont mesurables dès maintenant Lurbanisation influence les mesures instrumentales de T Les effets de lurbanisation ont été soigneusement soustraits Les mesures satellitaires ne montrent pas de réchauffement Cétait 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 dune 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 nexpliquent au plus que la moitié des tendances de T pour les 150 dernières années 2 Quoiquil 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

43 Que disent les sceptiques : C et D HypothèseCritiqueRéfutation C Les changements climatiques atteindront à lavenir des niveaux dangereux D Cest pourquoi nous devons dès maintenant réduire les émissions planétaires de GHG Les modèles sont trop complexes et incertains pour quon les croie. Les modèles sont largement capables de reproduire les tendances climatiques observées entre Les modèles omettent de nombreux processus clés De plus en plus de processus sont pris en compte ; ils introduisent des incertitudes supplémentaires dans les deux sens Une adaptation se produira au fur et à mesure des changements, les niveaux dangereux ne seront pas atteints. Les taux dadaptation 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 ladaptation sera impossible pour les secteurs économiques et les sociétés vulnerables.

44 Le cycle du carbone Les modifications anthropiques du cycle du carbone Deuxième partie

45 1 Le cycle du carbone Le carbone représente 50 % de la matière organique sur terre La photosynthèse permet lincorporation du carbone atmosphérique inorganique dans les tissus végétaux Notion de source et puits de carbone

46 Les acteurs principaux de la production primaire dans les écosystèmes terrestres

47 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) Quelques définitions

48 Production primaire nette (NPP) NPP = GPP - R Plant Dune manière générale, la respiration est beaucoup moins bien connue que la photosynthèse On considère généralement que GPP 2 NPP

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52 La NEP (net ecosystem production) ou NEE (net ecosystem exchange) correspond à la NPP moins la respiration hétérotrophique (microorganismes du sol) On considére généralement que GPP 2 NPP 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,…)

53 La NEP est la résultante de deux grands flux: La GPP et la respiration de lécosystème

54 Les mécanismes de régulation

55 Comment mesurer la GPP ou plus généralement les échanges de C entre latmosphère et la végétation à léchelle de lécosystème, de la région ou du globe Micro météorologie Fluctuations turbulentes Télédétection

56 ForêtCulture Les données satellites (radiation interceptée) peuvent être utilisées pour estimer la GPP car lefficacité de conversion de la lumière (LUE) est proche entre les différents écosystèmes

57 Estimation du gain de carbone à partir de satellites NDVI = (NIR-VIS) (NIR+VIS) NDVI: Normalized difference vegetation index NIR: Near-infrared radiation VIS: Visible radiation Les satellites mesurent la lumière absorbée ou réfléchie à différentes longueurs dondes

58 Le NDVI est proportionnelle à la quantité dénergie lumineuse absorbée par la chlorophylle, et donc au gain de carbone de lécosystème (Satellite estimate) (Measured light absorbed)

59 Nemani et al (2003): 6% increase in global terrestrial NPP (from NDVI) Gain global de carbone depuis 1980….. Comment varie le stock de carbone des écosystèmes terrestres ?

60 ……mais pas depuis 1994 Angert et al. 2005; Dai et al. 2005; Buermann et al. 2005; Courtesy Inez Fung 2005 d(NDVI)/dt: Summer d(NDVI)/dt: Summer Les gains réalisés dans un premier temps grâce à lallongement de la période de croissance sont presque annihilés par le ralentissement de lassimilation 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.

61 Robert T. Watson IPCC, Chair Les activités humaines ont perturbé et continueront à perturber le cycle du carbone, par laccroissement de la concentration de CO2 dans latmosphère 2 Les modifications anthropiques du cycle du carbone, les réponses et scénarios dévolution du stockage

62 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-til, deviendra-til nul ou même sera-til remplacé par une émission nette ?

63 Mécanismes de séquestration du C Changement de lusage 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 dazote atmosphérique (origine industrielle)

64 Limitations des mécanismes de séquestration Changements de lusage des terres Le taux de croissance des forêts diminue avec lage. Le taux de déforestation peut augmenter Fertilisation en CO2 Les plantes en C3 plants sacclimatent (downregulation) Dautres nutriments deviennent limitants Le dépot dN peut conduire à une acidification

65 Le caractère transitoire de laugmentation de séquestration en forêt Les forêts américaines et européennes sont maintenant proches de leur pic de taux de croissance et la croissance va diminuer. C Sink Strength (NEP) Years Age moyen des arbres des forêts tempérées ans Sink t 4 t 1 t 2 Source Biomass t 3

66 Simulation de la variation du stock de carbone des sols d'ici à Les sols passeraient de puits à source vers Le déstockage de carbone des sols vers l'atmosphère totaliserait environ 200 Gt de carbone entre 2050 et Source :Hadley Center

67 Vulnérabilité du C fixé dans les sols gelés PgC in frozen soils Warming melts permafrost reduced permafrost area deeper seasonal melting CO 2, CH 4 exchanges both important Vulnerable: ~ 100 PgC eq ~ 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.

68 Principales incertitudes sur la prédiction du cycle du C à lavenir Réponse du métabolisme terrestre au climat Rapidité du turnover des principaux réservoirs de C Interactions entre les facteurs de forcage climatique (réchauffement, CO 2, patrons de précipitations, N) Effets directs des changements dutilisation des terres Interactions climat-feux, particulièrement sous les tropiques.

69 Thèmes de recherches ultérieures Inventaires intensifs des réservoirs de C Mesures des flux à léchelle de lécosystème (eddy covariance) Recherches dans les milieux tropicaux Expérience de manipulation décosystèmes Réponses aux perturbations

70 Les premières réponses internationales…. ….vers une stabilisation des climats

71 UNITED NATIONS FRAMEWORK CONVENTION ON CLIMATE CHANGE Rio de Janeiro : June 1992 ARTICLE 2: OBJECTIVE Lobjectif 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 lhomme et le système climatique. Un tel niveau devrait être atteint dans un délai suffisant pour: permettre aux ecosystèmes de sadapter naturellement aux changements climatiques sassurer que la production de nourriture nest pas menacée autoriser un processus de développement économique durable

72 La concentration en CO 2, la température et le niveau de la mer continueront à augmenter bien après que les émissions ont été réduites

73 Plafonner les émissions de CO 2 ne conduira pas à stabiliser les concentrations atmosphériques

74 3 Les faits Lexemple du déstockage de C des sols

75 Les zones terrestres devraient séchauffer 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 = 3.1 o C

76 une augmentation globale est prévue mais certaines régions deviendront plus sèches et dautres plus humides Evolution de la moyenne des précipitations : 2071 to 2100 par rapport à 1990

77 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 dun seuil donné, variable suivant lespèce et la variété peut affecter des phases de développement de certaines récoltes et produire de sérieuses baisses de rendement de certaines cultures action sur lacquisition du C DecLa décomposition de la matière organique gelée dans le permafrost, qui se produit sous leffet du rechauffement des régions articques va entraînerdimportantes émissions de CO2 dans latmosphère action sur la perte de C

78 Le carbone dans le sol Schulze and Freibauer Nature september /8

79 Les pertes de carbone des sols en Angleterre et au pays de Galles entre Bellamy et al., Nature september /8

80 Taux de variation du carbone organique des sols en fonction de la quantité dorigine et de lusage des terres a terre arable b prairie permanente c non agricole d tous Bellamy et al., Nature september /8

81 4 Quelques éléments sur la situation en France

82 REPARTITION ET EVOLUTION DES EMISSIONS DE GAZ A EFFET DE SERRE EN FRANCE

83 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 Quelques ordres de grandeur du rôle de la forêt

84 Pensez à léchelle planétaire Analysez à léchelle locale


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