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Archives de 2011 - La composition de l'atmosphère 2010

Beer, C., M. Reichstein, E. Tomelleri et al. 2010.Terrestrial gross carbon dioxide uptake: global distribution and covariation with climate. Science, Vol. 329, pp 834-838, doi:10.1126/science.1184984; Aussi, Mahecha, M.D. M. Reichstein, N. Carvalhais et al. 2010. Global convergence in the temperature sensitivity of respiration at ecosystem level. Science, Vol. 329, pp 838-840, doi:10.1126/science.1189587.

Deux études portant sur les aspects clés du cycle mondial du carbone ont été menées récemment. Selon la première, la productivité primaire brute terrestre a été de 123 ±8 pétagrammes de carbone annuellement au cours des dernières années, ce qui concorde avec les données antérieures. La deuxième révèle que la respiration des sols dans divers écosystèmes est moindre qu’auparavant et indépendante de la température annuelle moyenne, ce qui donne à penser que la sensibilité du climat au cycle du carbone serait moins prononcée.


La productivité primaire brute (PPB; absorption de CO2 par la photosynthèse) et la respiration des sols (libération de CO2) sont les principaux processus qui régissent les échanges de CO2 entre le sol et l’atmosphère. La compréhension de ces flux mondiaux est indispensable pour quantifier la rétroaction du cycle du carbone sur le climat. Dans le cadre de deux études récentes, dont les résultats ont été publiés dans la revue Science, des chercheurs ont utilisé les données de mesure de la covariance des turbulences du flux de CO2 recueillies par le réseau mondial (FLUXNET) (ainsi que des modèles diagnostiques dans le cas de Beer et al.) pour évaluer l’échange de carbone qui s’est produit entre la terre et l’atmosphère au cours des dernières années. Dans le premier article, Beer et ses collègues présentent la méthode d’estimation de la PPB fondée sur l’observation qu’ils ont mise au point. L’étude de la dynamique spatiale de la PPB permet de quantifier les facteurs climatiques qui influent sur la PPB (les précipitations, la température et les rayonnements de courtes longueurs d’onde sont examinés) dans différents biomes à l’échelle de la planète. Beer et ses collègues estiment que la PPB terrestre mondiale a été de l’ordre de 123 ±8 pétagrammes de carbone annuellement pendant la période s’étendant de 1998 à 2005 (ce qui concorde avec les estimations établies antérieurement à l’aide de différentes techniques). Pendant cette période, 60 p. 100 de l’absorption de CO2 était assurée par les forêts tropicales et les savanes. Les résultats de l’étude indiquent que la PPB des zones terrestres végétalisées dépend dans une proportion supérieure à 40 p. 100 de la disponibilité en eau (c.-à-d. des précipitations). Dans les savanes, les arbustaies, les prairies et les zones agricoles, cette proportion peut atteindre 70 p. 100. On peut en déduire que la productivité au sein de ces écosystèmes est très sensible aux changements dans les précipitations et qu’à l’inverse les variations de la disponibilité en eau ont un effet, somme toute, limité sur la productivité dans les forêts tropicales et boréales. Dans le second article, Mahecha et al se penchent sur la sensibilité de la respiration des écosystèmes terrestres à la température de l’air dans le but de déterminer si les modèles de cycles de carbone devraient ou non tenir compte de la respiration des écosystèmes terrestres, laquelle varie à l’échelle mondiale en fonction des paramètres environnementaux. Contrairement aux résultats obtenus dans le cadre d’études antérieures, les auteurs parviennent à la conclusion qu’à court terme (c.-à-d. sur une période de moins de trois mois) la sensibilité à l’échelle de l’écosystème ne diffère pas d’un biome à l’autre et est indépendante de la température annuelle moyenne. Leur estimation donne à penser que la sensibilité du climat au cycle du carbone serait moins prononcée que ne le laissaient entendre des modèles récents. Les auteurs ont constaté que, sur des échelles de temps plus longues, la dynamique spatiale de la respiration à l’échelle des écosystèmes se révélait plus complexe du fait des déplacements du carbone à l’intérieur des bassins à écoulement plus lent.


Bond-Lamberty, B. et A. Thomson. 2010. Temperature-associated increases in the global soil respiration record.Nature 464:579-583.

Les émissions mondiales de CO2générées par la respiration des sols ont augmenté d’environ 2 % au cours des deux dernières décennies. Cette donnée est cohérente avec l’accélération du cycle mondial du carbone.


Bien que les concepteurs de modèles du bilan du carbone reconnaissent que le réchauffement mondial des températures augmentera le taux de respiration et des émissions de CO2 associé aux sols à l’échelle planétaire, les processus concernés et l’amplitude potentielle de la réponse ne sont pas bien compris. Les chercheurs ont maintenant utilisé une base de données mondiale contenant des observations sur le flux du carbone à l’échelle de l’écosystème afin de fournir une meilleure estimation des changements survenus dans la respiration des sols au cours des deux dernières décennies. Les résultats confirment que les changements associés aux rejets mondiaux de dioxyde de carbone attribuables à la respiration des sols ont une corrélation positive et significative avec les changements dans les températures. De plus, entre 1989 et 2008, les rejets de COpour l’ensemble des sols ont augmenté en moyenne de 0,1 GtC/année, pour atteindre environ 98 GtC/année en 2008, ce qui correspond à une augmentation nette d’environ 2 % pour l’ensemble de cette période couvrant deux décennies. Les auteurs reconnaissent que cela n’indique pas nécessairement une rétroaction positive liée au climat puisque d’autres aspects du bilan mondial du carbone, incluant l’absorption du CO2 par photosynthèse, répondent également aux changements climatiques. Toutefois, les auteurs font valoir que les données sont cohérentes avec une accélération du cycle terrestre du carbone découlant des changements climatiques.


Levin,I., T. Naegler, R. Heinz, et al. 2010. The global SF6 source inferred from long-term high precision atmospheric measurements and its comparison with emission inventories. Atmos. Chem. Phys. 10:2655-2662.

L’analyse des données d’observation indique que certains pays sous-déclarent de façon importante leurs émissions d’hexachlorure de soufre (SF6).


Le SF6 est un gaz à effet de serre très puissant, avec un temps de séjour dans l’atmosphère de 3 200 ans. Par conséquent, il est inclus dans la Convention-cadre des Nations Unies sur les changements climatiques comme l’un des gaz à effet de serre clés. En outre, puisqu’il n’existe pas de sources naturelles importantes de SF6, les changements de concentrations atmosphériques de ce gaz avec le temps donnent un relevé climatique indirect des émissions mondiales. De nouvelles analyses des données de concentrations atmosphériques du SF6montrent que les émissions mondiales ont diminué brièvement entre 1995 et 1998, mais qu’elles ont augmenté de nouveau au cours de la dernière décennie. Ce qui est plus important encore, c’est que les observations indiquent que les émissions collectives rapportées par les pays de l’Annexe I correspondent uniquement à 20 à 30 % des émissions mondiales réelles. Les auteurs de l’étude font valoir qu’il existe clairement un besoin pour la mise en place d’une vérification des émissions rapportées par les pays de l’Annexe I en vertu de la Convention-cadre des Nations Unies sur les changements climatiques.


Mühle, J., A.L. Ganesan, B.R. Miller et al., 2010. Perflourocarbons in the global atmosphere: tetrafluoromethane, hexafluoroethane, and octafluoropropane. Atmos. Chem. Phys., 10:5145-5164.

De nouvelles mesures de trois hydrocarbures perfluorés (PFC) présents dans l'atmosphère fournissent des renseignements relatifs aux estimations des émissions descendantes à l'échelle mondiale qui révèlent des écarts importants avec les estimations précédentes des émissions ascendantes.


Les PFC dont le tétrafluorométhane (CF4, PFC-14), l'hexafluroéthane (C2F6, PFC-116) et l'octafluoropropane (C3F8, PFC-218) sont parmi les gaz à effet de serre ayant une longue durée de vie et les plus puissants à être réglementés en vertu du Protocole de Kyoto. Dans cet article, Mühle et al. présentent les mesures dans l'atmosphère de ces trois PFC avec une exactitude et une précision améliorées de façon significative. Ces nouvelles observations sont utilisées de concert avec des échantillons archivés d'air pour déterminer les taux de croissance des taux de ces trois PFC dans l'atmosphère sur trois décennies. Les auteurs présentent également des estimations révisées des concentrations de fond préindustrielles en fonction de l'air extrait de noyaux de glace du Groenland et de l'Antarctique. Un modèle d'inversion (modèle AGAGE 2-D à 12 boîtes) est utilisé pour estimer les débits de la source pour le CF4, le C2F6 et le C3F8 à partir de mesures dans l'atmosphère et ces débits sont ensuite comparés aux estimations antérieures des émissions qui proviennent d'études d'émissions ascendantes. Les auteurs trouvent que les données sur l'abondance du CF4 sont inférieures de 6 à 10 % à celles obtenues antérieurement et que les concentrations dans l'hémisphère Sud augmentent pour passer d'environ 49,9 ppt en 1978 à environ 76,9 ppt à la fin de 2008 et d'environ 46,3 ppt en 1973 à environ 78,0 ppt à la fin de 2008 dans l'hémisphère Nord. L'abondance du C2F6 a augmenté pour passer d'environ 0,96 ppt en 1978 à environ 3,93 ppt à la fin de 2008 dans l'hémisphère Sud et d'environ 0,75 ppt en 1973 à environ 4,06 ppt à la fin de 2008 dans l'hémisphère Nord. Les rapports de mélange dans la troposphère pour le C3F8 sont encore très faibles (inférieurs à 0,1 ppt), mais ils ont tout de même augmenté d'un ordre de grandeur au cours des trois dernières décennies. Les estimations des émissions de CF4 et de C2F6 de la Convention-cadre des Nations Unies sur les changements climatiques correspondent seulement à 30 à 70 % des estimations descendantes à l'échelle mondiale obtenues dans la cadre de la présente étude, et il importe de mentionner que les données de plusieurs pays émetteurs importants (pays non visés par l'annexe 1) ne sont pas incluses dans les données de la Convention-cadre des Nations Unies sur les changements climatiques. Des écarts importants avec des estimations d'émissions ascendantes provenant d'autres sources ont également été mentionnés.


Rice, A.L., C.L. Butenhoff, M.J. Shearer, et al. 2010. Emissions of anaerobically produced methane by trees. GRL 237,L03807, doi:10.1029/2009GL041565, 2010.

Les plus récentes recherches ont fourni une autre explication sur la découverte des fortes émissions de méthane provenant des forêts tropicales. Une suggestion surprenante avait été émise auparavant selon laquelle le méthane pouvait être produit en aérobiose à l'intérieur des arbres. Le présent rapport laisse entendre plutôt que des processus anaérobiques plus traditionnels peuvent en être la cause.
Il y a plusieurs années, une équipe de scientifiques européens (Keppler et al., 2006) avait observé que les émissions de méthane provenant des forêts tropicales étaient beaucoup plus importantes que ce qui avait été prévu. Elle avait laissé entendre que les arbres de cette région pouvaient produire du méthane grâce à des processus aérobiques. Depuis, les recherches ont constamment laissé entendreque les émissions de méthane terrestres provenant des sols sont produites principalement grâce à des processus anaérobiques (sans oxygène) ayant lieu dans des sols saturés d'eau ou des milieux humides. Les biologistes ont énormément mis en doute cette proposition. À présent, une nouvelle étude publiée dans les Geophysical Research Letters par un groupe de chercheurs étasuniens a confirmé que les feuillus de trois différentes parcelles de forêts tropicales inondées ont en fait émis, par l'entremise de leurs feuilles, des quantités importantes de méthane. Le méthane ainsi émis, ayant accru les émissions de méthane de toute l'aire des forêts inondées, peut représenter jusqu'à 10 % des émissions de méthane mondiales. Cependant, les analyses des isotopes de carbone du méthane émis indiquent qu'il est produit dans des sols inondés, dans des conditions anaérobiques, et est transporté, d'une manière ou d'une autre, à travers le tissu végétal et les feuilles pour être rejeté dans l'atmosphère. Même si les auteurs font remarquer que les mécanismes du transport à l'intérieur des arbres n'ont pas encore été compris et que les résultats eux-mêmes n'éliminent pas la possibilité d'une production biologique de méthane grâce à des processus biologiques, ces derniers ne sont pas nécessaires pour expliquer les sources de méthane tropicales importantes rapportées par Keppler et ses collègues.


Shakhova,N., I. Semiletov, A. Salyuk,. et al. 2010. Extensive methane venting to the atmosphere from sediments of the East Siberian Arctic Shelf. Science 327:1246-1250: Heimann, M. 2010.How stable is the methane cycle? Science 327:1211-1212.

Les eaux du plateau arctique de la Sibérie orientale montrent des preuves de rejets importants dans l’atmosphère d’anciens sédiments océaniques de méthane. Cela aura comme incidence d’offrir une rétroaction positive importante du système climatique qui n’est pas encore incluse dans les projections modélisées de climats futurs.

Le méthane stocké dans le pergélisol sur terre ou sous le fond océanique est l’une des cartes blanches pour prévoir les changements climatiques futurs puisque des températures plus chaudes pourraient déclencher un rejet rapide d’importants volumes de ce méthane. Cela pourrait accentuer considérablement les changements climatiques actuellement prévus dans les modèles climatiques. L’analyse des données d’observation provenant de la région du plateau arctique de la Sibérie orientale indique qu’il se produit peut-être déjà des rejets de méthane dans cette région. Les analyses de plus de 5 000 observations effectuées à un grand nombre d’endroits différents de cette région ont indiqué que 80 % des eaux de fond de ce secteur de l’océan Arctique sont sursaturées de méthane. Puisque la profondeur de l’eau dans la région n’est que d’environ 45 mètres, la majorité du méthane atteint la surface avant son oxydation, ce qui fait en sorte que 50 % des eaux de surface sont également sursaturées de méthane. Le flux de méthane annuel net rejeté par ces eaux dans l’atmosphère (diffusé par la surface ou par l’entremise de bulles provenant directement du fond océanique) est estimé à environ 8 Mt de C. Les auteurs soulignent que cette valeur est similaire en amplitude aux estimations antérieures associées à la quantité totale de méthane pour l’ensemble des surfaces océaniques. Ils indiquent également que même s’il faut réviser le flux de méthane océanique, leurs résultats ne viennent pas modifier radicalement le bilan planétaire contemporain du méthane. Cependant, cette rétroaction devrait être ajoutée comme une rétroaction importante à l’intérieur des modèles du système terrestre.


Zaehle, S., P. Friedlingstein, and A.D. Friend. 2010. Terrestrial nitrogen cycle feedbacks may accelerate future climate change. GRL 37,L01401, doi:10.1029/2009GL041345. Also, Jain, A., X. Yang, H. Kheshgi, et al. 2009. Nitrogen attenuation of terrestrial carbon cycle response to global environmental factors. Global Biogeochemical Cycles23, GB4028, doi:10.1029/2009GB003519; Also, Wang, Y.-P. and B.Z. Houlton. 2009. Nitrogen constraints on terrestrial carbon uptake: Implications for the global carbon-climate feedback. GRL 36, L24403, doi:10.1029/2009GL041009.


Trois études indépendantes ont indiqué que le cycle de l'azote mondial influe de manière importante sur le cycle de carbone mondial qui réagit en augmentant les concentrations de CO2 de l'atmosphère et qui change les climats. En général, elles laissent entendre que l'inclusion dynamique du cycle de l'azote dans des simulations modélisées réduit le nombre net de puits de carbone terrestres mondiaux. Ceci entraîne la hausse du taux d'augmentation du forçage radiatif des gaz à effet de serre relatif aux simulations reposant sur une disponibilité illimitée de l'azote.
Par le passé, la recherche a montré que la rétroaction du cycle de carbone sur le climat mondial constitue un aspect important du climat de la Terre qui réagit en haussant les concentrations des gaz à effet de serre. En général, les études ont permis de déterminer que la hausse des concentrations de dioxyde de carbone produit un effet de fertilisation qui augmente l'assimilation du carbone par les écosystèmes, mais qui hausse également les températures, menant éventuellement à l'accroissement de la respiration du sol. Des climats secs peuvent augmenter de façon importante les pertes de carbone par les écosystèmes en raison des feux irréprimés. Cependant, la plupart de ces études n'ont pas encore inclus des interactions dynamiques entre le cycle de carbone et celui de l'azote. En fait, la plupart d'entre elles considèrent que l'approvisionnement en azote pour la croissance d'un écosystème est illimité. Trois études récentes, présentées par des équipes de recherche indépendantes, permettent à présent de souligner l'importance d'inclure des réactions dynamiques de l'azote dans des simulations couplées de cycle de carbone et de climat. La première étude (Jain et al.) a comparé la réaction du cycle de carbone mondial aux changements climatiques et aux concentrations de CO2 dans l'atmosphère au cours du XXe siècle à l'aide de deux versions de simulation du modèle d'évaluation scientifique intégré : une version n'ayant pas inclus un cycle de l'azote entièrement dynamique et une autre l'ayant inclus. Les chercheurs ont découvert que, même si le nombre total de puits de carbone mondiaux au cours du XXe siècle demeurait semblable, la réaction des éléments du cycle de carbone ainsi que la distribution spatiale du flux de carbone net différaient de manière significative. En incluant le cycle de l'azote, par exemple, cela a produit un effet de fertilisation par le CO2 au cours des années 1990 ayant été significativement plus faible. Cependant, cela a également réduit les pertes de carbone en raison de la hausse des températures et des modifications des précipitations. Le nombre net de puits en haute altitude a également augmenté, mais celui dans certaines régions comme le sud-est des États-Unis a diminué. La deuxième étude (Wang et Houlton) a reposé sur une analyse théorique et a conclu que la plupart des modèles échouant à inclure en tant que contrainte des limitations d'approvisionnement en azote surestiment de manière importante l'assimilation du carbone par le sol et, donc, sous-estiment le taux d'augmentation des concentrations de CO2 dans l'atmosphère en réaction aux émissions mondiales provenant de la combustion des combustibles fossiles et des modifications de l'utilisation des sols. La troisième étude, Zaehle et al., a rapporté que les simulations à l'aide d'un modèle de végétation dynamique montrent que l'intégration des dynamiques de l'azote réduit d'environ 50 % l'entreposage de carbone terrestre en raison de la fertilisation par le CO2 entre 1860 et 2100. Ceci est partiellement contrebalancé par une réduction de 16 % des pertes de carbone dans le sol, principalement dans les régions en haute altitude. Les effets nets demeurent un nombre réduit de puits de carbone mondiaux qui, en 2100, augmentera le forçage radiatif causé par l'accroissement des concentrations de gaz à effet de serre d'un modeste 0,29 W/m2. Toutes ces études minimisent l'importance d'inclure le cycle de l'azote dynamique dans des simulations futures de modèles couplés système Terre.


 

 

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