Dynamique et impact des feux de biomasse

Dynamique et impact des feux de biomasse

Feu et climat

Les feux exercent un rôle important dans l’évolution biologique et atmosphérique depuis que les plantes terrestres produisent de grandes quantités de matière organique, soit environ 350 à 400 millions d’années (Ma)(Cope and Chaloner, 1980). Par exemple, les fortes concentrations en charbon et suie mesurées dans certains sédiments datant de la limite du Crétacé et de l’ère tertiaire (65 Ma) témoignent de vastes incendies qui ont injecté d’énormes quantités de particules et de fumées dans l’atmosphère, ayant pu contribuer au refroidissement du climat de la Terre et aux grandes extinctions biologiques (Wolbach et al., 1985; Wolbach et al., 1988).

Actuellement, les feux anthropiques contribuent significativement au changement climatique, puisqu’ils représentent la seconde source de gaz à effet de serre après la combustion d’énergie fossile industrielle (Andreae, 1991). Les effets immédiats des feux concernent d’une part la chimie de l’atmosphère avec les émissions de gaz à effets de serre et d’aérosols carbonés (Penner et al., 1992), et d’autre part la dynamique des écosystèmes tropicaux. En effet, outre la dénitrification des sols, les feux modifient l’hydrologie des régions qu’ils affectent i) directement, avec l’émission de carbone particulaire dans la troposphère qui forme des nuclei potentiels pour la condensation des nuages (Cachier and Ducret, 1991; Ducret and Cachier, 1992) ii) indirectement, la déforestation diminuant l’évapo-transpiration, la pluviosité et le ruissellement.

Plus de 90% des feux actuels sont provoqués par les activités humaines (les éclairs, les éruptions volcaniques et les phénomènes d’auto-combustion étant les uniques causes naturelles de feux). Mais le développement de grands incendies reste néanmoins tributaire des conditions climatiques et écologiques (Pyne, 2001). Par ailleurs, l’actuel changement climatique global modifie la structure et la composition des forêts, mais aussi le comportement des feux (Fosberg et al., 1990). Plus le climat se réchauffe, plus le risque d’incendies augmente, et plus l’émission de gaz à effet de serre augmente.

Les enregistrements des feux passés

La variabilité des feux au cours des derniers cycles climatiques reste encore largement méconnue. A l’échelle du Pléistocène, les enregistrements de suie des sédiments de l’Atlantique subéquatorial suggèrent le développement des feux de savane au début (Bird and Cali, 1998) ou pendant (Verardo and Ruddiman, 1996) les périodes glaciaires, et ce depuis 400 ka. Pour les autres régions, les données sont presque inexistantes, excepté pour la région Indo Pacifique qui révèle d’importants feux de végétation entre 65 et 35 ka (Kershaw et al., 2002) en relation probable avec l’arrivée de l’homme moderne dans la région (Roberts et al., 1994; Turney et al., 2001). Les enregistrements continentaux (lacs et tourbières) des feux de biomasse en région intertropicale sont également rares malgré leur intérêt complémentaire évident: proximité des sources, temps de résidence du carbone inférieur à celui du domaine océanique, meilleure résolution chronologique, et possibilité d’identifier les phénomènes locaux et régionaux par l’étude de plusieurs sites. Les résultats actuels indiquent une association générale entre les changements de concentration de charbon et les spores de graminées, ainsi qu’une augmentation de la fréquence des feux pendant les périodes favorisant le développement de la savane (Burney, 1987; Mworia-Maitima, 1997; Hope and Pask, 1998). Pour la période Holocène, une synthèse d’enregistrements continentaux de charbons (Europe, Amérique du nord et Centrale, région Amazonienne) (Carcaillet et al., 2002) montre que la dynamique des feux a été associée aux principales tendances hydrologiques et climatiques régionales. Globalement, la déforestation par le feu s’est accrue au cours de l’Holocène, en association avec l’activité anthropique (Bird and Cali, 1998).

L’observation et la modélisation des feux actuels 

La télédétection spatiale, grâce à des capteurs sensibles aux spectres visible et infrarouge, permet de détecter les anomalies de température, les feux, et les nuages de fumée. Le calcul de la superficie de végétation brûlée permet ensuite d’évaluer les émissions liées aux incendies. Des bases de données mondiales sur les feux actifs sont disponibles sur le web (http://firemaps.geog.umd.edu/GlobalFires_HTML/viewer.htm/) sous forme de mise en cartes avec une résolution de 1 km (figure 1-1). Il apparaît clairement que les régions d’Afrique, du SE Asiatique, d’Amérique Centrale et d’Australie, situées dans la Zone de Convergence InterTropicale (ITCZ), ont été les plus touchées par les incendies durant l’année 2000. L’étude des feux actuels et passés montre que l’extension des feux et l’augmentation de leur fréquence dépendent du prolongement des périodes sèches, mais aussi de l’accumulation de biomasse végétale (Heinselman, 1973; Carcaillet and Richard, 2000). Grâce aux modèles de circulation générale (MCG), il est possible de prendre en compte les processus climatiques et l’état du combustible. Ces modèles considèrent généralement que l’estimation de la teneur en eau de la litière est le principal agent de contrôle du développement des feux. La longueur de la saison sèche pendant laquelle le combustible présente une humidité inférieure à un seuil critique est utilisée pour calculer la surface brûlée annuelle (Thonicke et al., 2001) (figure 1-2). Cette aire est rapportée à la surface observée pour obtenir une moyenne de retour des feux, ou fréquence de feux, qui peut être comparée avec les observations actuelles. Pour le vingtième siècle, les modèles sont en bon accord avec la plupart des régions brûlées au cours de l’année 2000 (figures 1-1 et 1-2). Pour le futur, si les MCG prévoient des vagues de sécheresse accrues dans certaines forêts tropicales, la fréquence de grands incendies incontrôlés et dévastateurs comme ceux du SE Asiatique pourrait augmenter (Goldamer and Seibert, 1990).

Caractéristiques des feux 

Les feux sont une des composantes essentielles de l’agriculture et de l’économie moderne et passée (déforestation, pratiques agricoles, besoins industriels et domestiques) (Coutinho, 1990; Koonce and Gonzales-Caban, 1990). Dans de nombreuses régions, les pratiques agricoles et forestières durables, ainsi que le pastoralisme, dépendent du recours aux feux (Pielou, 1952). Certains écosystèmes sont adaptés à l’occurrence régulière d’incendies qui jouent un rôle régénérant sur l’ensemble de la chaîne écologique (Chidumayo et al., 1996). Cela concerne par exemple les savanes tropicales en Afrique et Amérique du sud (Coutinho, 1990), les forêts de conifères boréales et Asiatiques (Goldamer and Penafiel, 1990), et de nombreux écosystèmes australiens (Gill et al., 1990). En revanche, dans d’autres écosystèmes, comme les forêts tropicales humides en Amazonie et en Asie, les incendies ont des effets destructeurs. Ils surviennent dans des conditions météorologiques extrêmes et ont de graves effets sur l’économie, la santé et la sécurité de l’homme, de façon comparable aux risques naturels majeurs (IPCC 2001). La pyrolyse (destruction par le feu) se produit lorsqu’un certain seuil de température interne est atteint (variable selon la teneur en carbone du combustible par rapport à sa teneur en eau). Par la suite, si le feu s’entretient tout seul et que les vapeurs produites sont suffisamment oxygénées, une flamme naît. En fonction des caractéristiques du combustible et du feu, troistypes d’incendies peuvent être distingués (Scott, 1989) .

Table des matières

Introduction
1. Dynamique et impact des feux de biomasse
1.1 Feu et climat
1.2 Les enregistrements des feux passés
1.3 L’observation et la modélisation des feux actuels
1.4 Caractéristiques des feux
1.5 Quantité de biomasse brûlée et feux tropicaux
1.6 Les émissions gazeuses
1.7 Les émissions solides
1.8 Impact radiatif des aérosols carbonés
1.9 Importance des feux dans le cycle du carbone
1.10 Climat tropical et dynamique des feux
1.10.1 Les feux en Afrique
1.10.2 Les feux du SE Asiatique
1.11 Conclusion
2. Méthodologie
2.1 Les méthodes optiques
2.2 Les méthodes thermiques
2.3 Les méthodes chimiques
2.4 Définition des principaux résidus carbonés issus de la combustion
2.5 Les réservoirs et le temps de résidence du carbone réfractaire
2.6 Méthode optique
2.6.1 Préparation des lames
2.6.2 Acquisition et traitement des images
2.7 Analyse du carbone élémentaire
2.7.1 Appareillage: l’analyseur élémentaire de carbone
2.7.2 Analyse du carbone total, du carbone organique, et calcul de la teneur en carbonate de calcium
2.7.3 Méthode thermique
2.7.4 Méthode chimique
2.8 Conclusion
3. Testing the Thermally Refractory Carbon (TRC) and Black Carbon (BC) extraction methods for reconstructing past biomass fires from the sedimentary record
3.1 Introduction
3.2 General background
3.3 Experimental section
3.3.1 Total Carbon (TC) and Organic Carbon (OC) determinations
3.3.2 Thermally Refractory Carbon (TRC) extraction
3.3.3 Black Carbon (BC) extraction
3.3.4 Synthetic matrices and natural sediments
3.3.5 Determination of elemental carbon abundance
3.4 Results
3.4.1 Detection limit of the elemental analyzer
3.4.2 Characteristics of the carbonaceous standards
3.4.3 Reproducibility of carbon determinations
3.4.4 Testing the extraction of Thermally Refractory Carbon
3.4.5 Testing the extraction of Black Carbon
3.5 Discussion
3.5.1 Reliability of the TRC extraction
3.5.2 Reliability of the BC extraction
3.6 Conclusion
Conclusion

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