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
Source: Intergovernmental Panel on Climate Change, 2001
Contribution de chacun des GES au forçage anthropique
Source: Intergovernmental Panel on Climate Change, 1990
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
Source: Intergovernmental Panel on Climate Change, 2001
4. Les modèles climatiques et les différents scénarios
d ’émission
4. Les modèles climatiques et les différents scénarios
d ’émission
Source: Intergovernmental Panel on Climate Change, 2001
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
Source: Intergovernmental Panel on Climate Change, 2001
Source: Intergovernmental Panel on Climate Change, 2001
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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