Bernadette Pinel-Alloul Université de Montréal 6 octobre 2005

TXL-6014Perturbations globales des cycles

biogéochimiques II: le réchauffement global/ l’appauvrissement de la couche

d’ozone

Bernadette Pinel-Alloul

Université de Montréal

6 octobre 2005

Plan de cours Plan de cours Réchauffement global/GESRéchauffement 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

Plan de cours (suite)Plan de cours (suite)Les impacts sur l’environnement

élévation du niveau des mersimpacts au niveau de la cryosphèreles provinces écoclimatiques

1. L’effet de serre: un phénomène naturel

indispensable à la vie sur Terre

1. L’effet de serre: un phénomène naturel

indispensable à la vie sur Terre

Le système climatique

RadiationsolaireAlbedo

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

Thermosphère

Troposphère

Stratosphère

Mésosphère

Source: NASA

Structure verticale de l’atmosphère terrestre

Source: NASA

Tropo-

Méso-

Strato-

Structure verticale de l’atmosphère terrestre

Gradient thermiqueCouche d’ozoneAbsorption des UVs

Gradient thermiqueReémission des IRs

Composition de la troposphère

Néon - 1,82×10-3 %Hélium - 5,24×10-4 %Krypton - 1,14×10-4 %Xénon - 8,7×10-6 %

+ 1 à 3% (v/v) vapeur d’eau

Méthane (CH4)Oxyde nitreux (N2O)Ozone (O3)

< 0.1%

GES

L ’effet de serre: un phénomène naturel

342 W m-2

168 W m-2

Absorption UVs

PAR: 450-600 nm

Absorption des UVs

Réflection desInfra-Rouges

Pressiondesurface

PrincipauxGES

Températureà la surface(sans GES)

Températureobservée

Réchauff ementdû aux GES

VENUS 90 >90% CO2 46°C 477°C 523°C

TERRE 1 0,04% CO2

1% H2O

18°C 15°C 33°C

MARS 0,007 >80% CO2 57°C 47°C 10°C

Climats planétaires

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

réalité?

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

réalité?

Variations à long terme de la température à la surface de la Terre

Périodesglaciaires

Périodesinter-glaciaires

Variations GESMillénaire

400 ans

stabilité

stabilité

stabilité

AugmentationGES

Fin 1800

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)

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 1961-1990

Moyenne 1961-1990

Hémisphère nord

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

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

Exemples de GES affectés par les

activités anthropiques CO2 (dioxyde de

carbone)

CH4 (méthane) N2O (oxyde

nitreux)

CFC- 11

(chlorofluoro

carbone- 11)

HFC- 23

(hydrofluoro

carbone- 23)

CF4

(perfluoro

méthane)

Concentration

durant l'ère

préindustrielle

280 ppm 700 ppb 270 ppb 0 0 40 ppt

Concentration en

1998

365 ppm 1 745 ppb 314 ppb 268 ppt 14 ppt 80 ppt

Taux de

changement des

concentrations

1,5 ppm/an 7,0 ppb/an 0,8 ppb/an - 1,4 ppt/an 0,55 ppt/an 1 ppt/an

Durée de vie dans

l'atmosphère

5 à 200 ans 12 ans 114 ans 45 ans 260 ans >50 000

ans

Source: Intergovernmental Panel on Climate Change, 2001

Potentiel de réchauffement des principaux GES par rapport au CO2

Gaz Durée de vie

dans

l'atmosphère

20 ans 100 ans 500 ans

Dioxyde de carbone CO2 1 1 1

Méthane (CH4) 12 ans 62 23 7

Oxyde nitreux (N2O) 114 ans 275 296 156

CFC- 11 CCl3F 45 ans 6 300 4 600 1 600

CFC- 12 CCl2F2 100 ans 10 200 10 600 5 200

Potentiel de réchauff ement


Contribution de chacun des GES au forçage anthropique


55%

15%6%

17%

7%

CO2Autres CFC

CFC 11 et 12

Méthane N2O

•Augmentation [CO2] atmosphère = moitié du taux des émissions de combustibles carbonés

Post-glaciaire

Pré-industriel

Post-industriel

500 millions années

25 millions années

400 mille années

Le cycle du carbone: les perturbations anthropiques

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).

6.3±0.4

-1.7±0.5-1.4±0.7

Puits de carboneSéquestration

Océan=puits de carbone

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).

Fig. 4. Circulation thermohaline dans

l ’océan Atlantique.

Séquestration Carbone

Eaux profondes

Cycle terrestre du carbone

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). Humus

Production primaire

Décomposition

Carbonefossile

Combustibles fossiles

Émissionsanthropiques

Concentrations atmosphériques de CH4

400 mille annéescycles de

périodes glaciaireset interglaciaires

Post-glaciaireMillénaire

Centennaire

Taux de changement

Concentrations atmosphériques de N2O

Millénaire

Centennaire

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)

Les CFCs

Produits de synthèse augmentation x 5

en 40 ans

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

Forçage radiatif moyen du climat pour l ’année 2000,

comparativement à 1750


4. Les modèles climatiques et les différents scénarios

d ’émission

4. Les modèles climatiques et les différents scénarios

d ’émission


Complexification des modèles climatiques

Fig. 1. Estimations des températures annuelles moyennes à la surface de la Terre (source: IPCC, 2001).

Les modèles climatiques sont-ils fiables?

Facteurs naturels Facteurs anthropiques

Tous les facteursnaturels et anthropiquesMeilleur ajustement

Les différents scénarios d ’émission

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

Projections des émissions des GES

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).

Meilleurs scénariosB1, A1T, B2

Pires scénariosA1F1, A1B

5. Le climat de demain 5. Le climat de demain

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

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.

1

2

Pré-industriel

Post-industriel

projections

Fig. 2. Réchauffement prévu pour les scénarios d ’émissions A2 (haut) et B2 (bas) comparant les températures moyennes pour la période 2071-2100 à celles de

1961-1990 (source: IPCC, 2001).

Réchauffements majeursjusqu’à 6-8 degrés

en zones polaires arctiques

Scénario A2

Scénario B2

Fig. 3. Modifications du

ruissellement annuel moyen en 2050 (2041-2070) comparé à la période 1961-1990, 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).

Ruissellement annuelScénario d’augmentation

1% de CO2 par an

Sécheresse

Fonte des glacesouragans

inondations

6. Les impacts sur l ’environnement

6. Les impacts sur l ’environnement

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

Élévation du niveau des mers

0.2 – 0.8 m

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).

Anomalies de la couverture de neigeBaisse depuis 1990Glaces du Groenland

Bonne corrélation avechausse de température

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 1997 (source: IPCC, 2001).

Baisse depuis 1980Glaces de mer

surfaceÉpaisseur (-1 à –2 m)

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

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).

Impacts au niveau de l ’agriculture

Fig. 9. Variations des des rendements de divers cultures suivant les différents scénarios

climatiques (avec ou sans adaptation agronomique) (source: IPCC, 2001).

Maïs Blé Riz

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

Plan de cours Plan de cours Déplétion de la couche d’ozone/CFCsDéplétion de la couche d’ozone/CFCs

Cycle de l’ozone stratosphériqueVariations spatio-temporelles de l ’ozone

stratosphériqueLes craintes entourant l ’intégrité de la

couche d ’ozoneLes facteurs responsables de la

destruction de la couche d ’ozoneLes impacts environnementaux

Mesure de l’ozone atmosphérique

Spectophotomètre Brewer

Unités Dobson

MaximumStratosphère

10 ppm

Colonne d`ozonecorrespondant à 3 mm

niveau de la mer

Source: NASA

Répartition verticale de l’ozone

MaximumStratosphère

10 ppm

La molécule d’ozone

Source: NASA

Cycle de l’ozone dans la stratosphère

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

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

Répartition mondiale de l’ozone total dans la stratosphère

Les vents stratosphériques transportent l’ozone de l’équateur vers les pôles

Source: OMM, 2003Effets des brouillards arctiquesa très basses température

Variations saisonnières de l’ozone au-dessus de l’Arctique

Source: OMM, 2003

Accumulation en hiver

Destruction en été

Variations saisonnières de l’ozone au-dessus de l’Antarctique

Source: OMM, 2003

Destruction en été

Accumulation en hiver

Les craintes entourant l’intégrité de la couche

d’ozone

Les craintes entourant l’intégrité de la couche

d’ozone

Fig. 1. Abondances moyennes de l’ozone en fonction de la latitude et de la saison pour a) 1964-1980 et b) 1984-1993. 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

Source: Environnement Canada (2003), L’état de la couche d’ozone de l’Arctique

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

Ozone stratosphérique

Source: NOAA

Trou d’ozoneMaximum

au printemps

Moyenne1991-2000

2000

2001

Les facteurs responsables de la destruction de la couche

d’ozone

Les facteurs responsables de la destruction de la couche

d’ozone

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

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 100 000 molécules ou plus d’ozone

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”

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

Source: Série nationale d’indicateurs environnementaux, Environnement Canada (2003)

Production de CFCs

Offre de SACO

Protocole de Montréal1987

Source: Série nationale d’indicateurs environnementaux, Environnement Canada (2003)

Interdiction

Persistance Longue durée de vie

> 50 ans

Les HCFCs

Fig. 1. Concentrations atmosphériques des principaux hydrochlorofluorocarbures



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

Formation des nuages stratosphériques polaires (PSC)

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

ClNO3 + HCl (glace)

HNO3 (glace) + Cl2 (gaz)

Activation de l’effetdestructeur du Chlore

Autres facteurs influant sur l’appauvrissement de l’ozone dans l’Arctique

Fig. 1. Quantité d’ozone (en unité Dobson) au niveau de la basse atmosphère (10-20 km) sur

l’Arctique canadien

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

Les impacts sur l’environnementLes impacts sur l’environnement

Le rayonnement UV

UV-A : pas très nocifsUV-B : trés nocifs

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

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

PantagonieArgentine

X

L’augmentation des rayonnements UV-B est elle une menace potentielle pour les forêts?

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

Source: Proceedings of the workshop on atmospheric ozone, Downsview, Ont. (Mars 1997)

Source: Proceedings of the workshop on atmospheric ozone, Downsview, Ont. (Mars 1997)

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)

Absence d’UV

UV ambiants

+20% UV

Forte irradiationBaisse de biomasse

Algues tolérantesDiatomées

Cryptophytes

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.

Example de pollution locale (< 100 km): le smog photochimique

Smog sur la vallée du bas Fraser

Relation entre ozone troposphérique et rayonnement UV

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

Formation d’ozoneen basse atmosphère

après forte irradiation UVs

OzoneUV

Conditions d ’inversion thermiqueBarrière naturelle: Montagnes

Formation du smog photochimique

Stratosphère

Troposphère

Réaction de la phase lumineuse

NO2

NO HO2

RO2

OHOR

O3

O2

O2

O

P.A.N

Inflammation des voies respiratoires après exposition à O3

. Source: Proceedings of the workshop on atmospheric ozone, Downsview, Ont. (Mars 1997)

Implications pour la santé humaine

Hospitalisationcorrélée pollution

atmosphérique

7. Bref historique de la politique du climat

7. Bref historique de la politique du climat

1972Le climat fait son apparition sur la scène politique internationale à Stockholm

1975Premiers programmes nationaux de recherche sur le changement climatique, après la publication des résultats de Keeling sur la croissance rapide des concentrations atmosphériques de CO2

1979Première conférence mondiale sur le climat organisée par l’OMS à Genève: on y traite du renforcement anthropique des GES

1985Signature de la convention de Vienne sur la protection de la couche d’ozone

1987Signature du protocole de Montréal: arrêt de la production des CFCs

1990Dépôt du premier rapport du GIEC sur les impacts probables d’un changement climatique

1992Sommet 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

Le Protocole de KyotoConférence 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

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

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

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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Bernadette Pinel-Alloul Université de Montréal 6 octobre 2005