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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
• 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
Première partie
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)
168 Absorbé parla surface
Rayonnement solaire réfléchi107
Réflexion par les nuages, l’air, les aérosols
Réfléchi parla surface
Absorbé par la 324 surface
Gaz à effet de serre
Rayonnement IR vers le sol
324
Emission IR vers l’espace
235
195 Emis par l’atmosphère et
les nuagesFenêtre atmosphérique
350
40
390 Rayonnement IR émis par la surface
Rayonnement solaire incident342 W m-2
67
Absorbé par l’atmosphère et les nuages
78 ETR
24 Chaleursensible
24 78
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)
Solar radiation
Thermal radiation
Solar radiation
Thermal radiation
In Bard E 2004. Greenhouse effect and ice ages: historical perspective. CR Geosciences 603-638.
Arrhenius S. 1896. On the influence of carbonic acid in the air upon the temperature of the ground.
Philos. Mag, 41, 237-275
2 Les observations sur les changements de climat
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
SPM 1a
Variations de la température de surface de la Terre depuis 140 ans
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
changements de température ?
Teneur de l’atmosphère en CO2 depuis 160 000 ans (courbe verte)
Time (thousands of years)160 120 80 40 Now
–10
0
10
100
200
300
400
500
600
700
CO2 in 2100(with business as usual)
Double pre-industrial CO2
Lowest possible CO2
stabilisation level by 2100
CO2 now
Différences de températures avec la température actuelle (rouge)
CO
2 con
cen
tratio
n (p
pm
v)
Corrélation CO2 Température
La concentration de CO2 et celle du méthane ont fortement augmenté depuis la période préindustrielle
Carbon dioxide: 33% rise Methane: 100% rise
The Met Office. Hadley Center for Climate Prediction and Research.
BW 5
Emissions, CO2, température
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
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
1750 1800 1850 1900 1950 2000
Fo
ssil
Fu
el E
mis
sio
n (
MtC
/yr)
270
290
310
330
350
370
390
Atm
osp
her
ic [
CO
2] (
pp
mv)
Emissions
[CO2]
270
290
310
330
350
370
390
1750 1800 1850 1900 1950 2000Year AD
Atm
osp
her
ic [
CO
2] (
pp
mv)
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
Tem
per
atu
re A
no
mal
y (d
egC
)
[CO2]
Temperature
CO2 emissions
atmospheric CO2
atmospheric CO2
temperature
0.2 C/decade
Les gaz à effet de serre au niveau de la biosphère
Type de gaz CO2 CH4 N2O CFC11 CFC12
Avant la période industrielle (ppm)
280 0.80 288 0 0
En 1990 354 1.70 310 280 84
Accroissement annuel de concentration %
0.5 .9 0.25 4 4
Durée de séjour dans l’atmosphère (an)
50-200 10 150 60 120
Pouvoir radiatif / CO2 1 32 160 14000 17000
Les modifications de l’utilisation des terres ont une influence sur la concentration des GHG (CO2, méthane..) dans l’atmosphère.
Modification de l’utilisation des terres
180
110
115
265
140Land use change
Fossil emissions
Atmosphere
Oceans
Terrestrial
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 indicateurs de l’influence humaine sur l’atmosphère durant l’ère industrielle
Les aérosols sulfatés déposésdans les glaces du Groenland
Les gaz à effets de serre (GHG)
“..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 climatiquesattendus
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……
Warm and less saline Antarctic circumpolar current
Warmsurfacecurrent
Intermediatewaters
La circulation thermohaline pourrait être affectée par le changement climatique
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 pétroleA1T Energie non fossileA1B 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 intermédiaireRéchauffement très important dans l’arctiqueLes 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
Les précipitationscertaines 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 années2 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 DHypothèse 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.
• Le cycle du carbone
• Les modifications anthropiques du cycle du carbone
Deuxième partie
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 primairedans les écosystèmes terrestres
Gross Primary ProductionProduction 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
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
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,…)
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
Forêt Culture
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
Estimation du gain de carbone à partir de satellites
NDVI = (NIR-VIS)(NIR+VIS)
NDVI: Normalized difference vegetation indexNIR: Near-infrared radiationVIS: Visible radiation
Les satellites mesurent la lumière absorbée ou réfléchie à différentes longueurs d’ondes
Le NDVI est proportionnelle à la quantité d’énergie lumineuse absorbée par la chlorophylle, et donc au gain
de carbone de l’écosystème
(Satellite estimate)
(Mea
sure
d lig
ht a
bsor
bed)
Nemani et al (2003): 6% increase in global terrestrial NPP 1982-1999 (from NDVI)
Gain global de carbone depuis 1980…..
Comment varie le stock de carbone des écosystèmes terrestres ?
……mais pas depuis 1994
Angert et al. 2005; Dai et al. 2005; Buermann et al. 2005; Courtesy Inez Fung 2005
d(NDVI)/dt: Summer 1982-1991
d(NDVI)/dt: Summer 1994-2002
•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.
Robert T. Watson IPCC, Chair
Les activités humaines ont perturbé et continueront à perturber le cycle du carbone, par l’accroissement de la concentration de CO2 dans l’atmosphère
2 Les modifications anthropiques du cycle du carbone, les réponses et scénarios d’évolution du stockage
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 terresConversion de terres agricoles en forêtsLes 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 terresLe 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.
C S
ink S
tren
gth
(N
EP)
Years
Age moyen des arbres des forêts tempérées40-70 ans
Sink
0 30 60 90 120 150
0
2
4
-2
t4
t1
t2
Source
Bio
mas
s
t3
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….
….vers une stabilisation des climats
UNITED NATIONS FRAMEWORK CONVENTION ON CLIMATE CHANGERio de Janeiro : June 1992ARTICLE 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
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
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 arableb prairie permanentec non agricoled tous
Bellamy et al., Nature september 2005 437/8
4 Quelques éléments sur la situation en France
émissions en 2001 en %
Δ 1990-2001 en %
Transports 28 + 22
Résidentiel tertiaire
19 + 14
Industrie 21 - 18
Agriculture 18 - 4
Energie 11 - 28
Déchets 3 - 14
REPARTITION ET EVOLUTION DES EMISSIONS DE GAZ A EFFET DE SERRE EN FRANCE
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
Pensez à l’échelle planétaire
Analysez à l’échelle locale
