Changements planétaires et cycle du carbone Richard JOFFRE Equipe DREAM CEFE-CNRS richard.joffre@cefe.cnrs.fr

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

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)

Emission IR vers l’espace 235 Rayonnement solaire réfléchi 107 Réflexion par les nuages, l’air, les aérosols Réfléchi par la surface Rayonnement solaire incident 342 W m-2 195 Emis par l’atmosphère et les nuages Fenêtre atmosphérique 350 40 390 Rayonnement IR émis par la surface 67 Absorbé par l’atmosphère et les nuages Gaz à effet de serre 78 ETR 24 Chaleur sensible 24 78 324 Rayonnement IR vers le sol 168 Absorbé par la surface Absorbé par la 324 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 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. D’autres 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)

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

Teneur de l’atmosphère en CO2 depuis 160 000 ans (courbe verte) Corrélation CO2 Température 700 CO2 in 2100 (with business as usual) Teneur de l’atmosphère en CO2 depuis 160 000 ans (courbe verte) 600 Double pre-industrial CO2 500 Lowest possible CO2 stabilisation level by 2100 Différences de températures avec la température actuelle (rouge) CO2 concentration (ppmv) 400 CO2 now 300 10 200 –10 100 160 120 80 40 Now Time (thousands of years)

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

Emissions, CO2, température CO2 emissions 250 ans de données sur: Les émissions de CO2 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 atmospheric CO2 0.2 C/decade temperature atmospheric CO2

Les gaz à effet de serre au niveau de la biosphère

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)

“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 gaz à effets de serre (GHG) 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 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 2071-2100 par rapport à la température mesurée en 1990 Tmoy2071-2100-T1990

Annual mean precipitation change: 2071 to 2100 Relative to 1990 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: Les émissions de GHG sont à l’origine du changement climatique  B: Les réponses du climat à l’augmentation de la concentration des GHG sont mesurables dès maintenant  C: Les changements climatiques atteindront à l’avenir des niveaux dangereux  D: 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 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 Les émissions de GHG d’origine anthropique entraînent un changement climatique 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 B Les réponses climatiques à l’augmentation de la concentration des GHG sont mesurables dès maintenant L’urbanisation influence les mesures instrumentales de T Les effets de l’urbanisation ont été soigneusement soustraits 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 Réfutation C Les changements climatiques atteindront à l’avenir des niveaux dangereux D C’est pourquoi nous devons dès maintenant réduire les émissions planétaires de GHG 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 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 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

Gross Primary Production Production Primaire Brute 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 We can measure NPP but measuring GPP at ecosystem scale is difficult Measuring ps and Plant resp on leaf scale is straightforward, but given all the canopy effects we’ve talked about, how to scale from leaf to canopy is not straightforward.

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 NDVI = (NIR-VIS) (NIR+VIS) NDVI: Normalized difference vegetation index NIR: Near-infrared radiation VIS: Visible radiation

Le NDVI est proportionnelle à la quantité d’énergie lumineuse absorbée par la chlorophylle, et donc au gain de carbone de l’écosystème (Measured light absorbed) Data from a variety of biomes (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 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. Sink 4 Biomass Age moyen des arbres des forêts tempérées 40-70 ans t 2 t 2 3 C Sink Strength (NEP) t 4 t -2 1 Source Years 30 60 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…. … Les premières réponses internationales…. ….vers une stabilisation des climats

L’objectif final de cette convention … est … de parvenir à .… 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

Changement de la température annuelle moyenne entre 2071 et 2100 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

Evolution de la moyenne des précipitations : 2071 to 2100 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

de grandeur du rôle de la forêt 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