Changements planétaireset cycle du carbone

Richard JOFFREEquipe DREAMCEFE-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

• 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