Effets du changement climatique et prévisions futures

Changements climatiques

Origines et conséquences des changements climatiques

Il est admis que les changements globaux, et notamment les changements climatiques, ont majoritairement débuté durant la période industrielle (essor important de l’utilisation des énergies fossiles (charbons, pétrole), industrialisation et l’urbanisation croissante…). Cependant, selon plusieurs études, ces changements possèderaient une origine antique, voire préhistorique (Fig. 1.3) (IPCC, Climate Change 2014, the physical science basis). Des analyses des paléoclimats prouvent l’ampleur du changement climatique et global durant ces périodes (Fig. 1.3). Ainsi, se pose la question du début de l’augmentation des GES au sein de l’atmosphère terrestre, en particulier le méthane (CH4) et le dioxyde de carbone (CO2).

Un consensus est aujourd’hui établi au sein de la communauté scientifique sur l’origine anthropiques des changements globaux (Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat, 2014 : Climate Change 2014: Synthesis Report) (Fig. 1.4). La croissance économique et démographique de nos sociétés depuis l’ère industrielle a provoqué une augmentation des émissions de GES, dont la rapidité et l’intensité sont sans précédent. Ainsi, les concentrations atmosphériques de dioxyde de carbone (CO2), de méthane (CH4), et d’oxyde nitreux (N2O) connaissent des extrêmes jamais atteints depuis plusieurs centaines de milliers d’années (au moins 800 000 ans). Globalement, les émissions de GES ont augmenté au cours de la période comprise entre 1970 et 2010 et n’ont jamais été aussi importantes qu’entre 2000 et 2010. Les émissions de GES anthropiques en 2010 ont atteint 49 ± 4,5 GtCO2-éq/an, tandis que la concentration en CO2 atmosphérique mesurée au sein de l’observatoire de Mauna Loa (Hawaï) atteint une teneur record de 416,39 ppm en juin 2020 (Keeling et al., 1976 ; https://gml.noaa.gov/) (Fig 1.5). Les GES sont considérés comme étant une des causes principales du réchauffement climatique observé et mesuré depuis le 20ème siècle.

Effets du changement climatique et prévisions futures

D’après le 5ème rapport du GIEC, édité en 2014, chacune des trois dernières décennies a été successivement plus chaude à la surface de la Terre que toutes les décennies précédentes depuis 1850. Cette période est probablement la plus chaude qu’ait connue l’hémisphère Nord au cours des 1400 dernières années. Ainsi, une moyenne globale des mesures de températures de surface atmosphérique et océanique met en lumière une hausse significative des températures de 0,85°C entre les années 1880 et 2012, sans précédent dans l’histoire récente (Fig. 1.6 a). En parallèle de cette importante augmentation des températures, on observe une diminution des précipitations neigeuses, et donc une réduction du volume des calottes de glaces continentales et de la glace de mer (banquise). L’étendue moyenne de la banquise en Arctique a globalement diminué au cours de la période récente (1979-2012), avec un taux de 3,5 à 4,1% par période de 10 ans (IPCC, Climate Change 2014, the physical science basis). Au cours des trois dernières décennies, les calottes glaciaires du Groenland et de l’Antarctique ont également diminué, tandis que les glaciers continentaux ont reculé sur l’ensemble des continents (IPCC, Climate Change 2014, the physical science basis).

Une des conséquences majeures de la fonte des glaces continentales est l’élévation du niveau marin global. Entre 1901 et 2010, le niveau moyen mondial de la mer a augmenté de 0,19 m, et est supérieur au taux moyen des deux derniers millénaires (U.S. Global Change Research Program (2017). « Climate Science Special Report. Chapter 12: Sea Level Rise»; IPCC, Climate Change 2014: Synthesis Report)) (Fig 1.6 b). De plus, l’augmentation des températures atmosphériques participe de façon majeure à celle des océans. En effet, il est estimé que 90% de l’énergie thermique accumulée au cours des dernières décennies est stockée au sein des océans (IPCC, Climate Change 2014 : Synthesis Report). Ce réchauffement océanique global a de nombreuses conséquences néfastes : acidification, fonte des glaciers, hausse du niveau marin, relargage du CO2 … (IPCC, Climate Change 2014 : Synthesis Report). La dilatation thermique contribue à l’élévation du niveau océanique global à hauteur de 42% (pour la période entre 1993 et 2018 ; (WCRP Global Sea Level Budget Group, 2018)), suivie par la fonte des glaciers tempérés, du Groenland, et de l’Antarctique (WCRP Global Sea Level Budget Group, 2018) . Ensuite, depuis le début de l’ère industrielle, l’absorption de CO2 par les océans a augmenté. A l’heure actuelle, les océans ont un rôle majeur dans le stockage du carbone, notamment du CO2 atmosphérique. L’augmentation du taux de CO2 atmosphérique (Fig. 1.6c et d) a provoqué une acidification des océans : le pH de l’eau de surface a diminué de 0,1 (Howes et al., 2015), ce qui peut avoir des conséquences néfastes, notamment sur la biodiversité marine (Shaw et al., 2015; Zeng et al., 2015; Yang et Hansson, 2016). Néanmoins, l’augmentation de la température des eaux de surfaces océaniques diminue le potentiel de stockage du carbone par les eaux et augmente le relargage du CO2 par l’océan (IPCC, Climate Change 2014 : Synthesis Report).

Face aux changements d’origine anthropique, les membres du GIEC proposent plusieurs scénarios d’évolution du climat de notre planète (modèles RCP pour Representative Concentration Pathways), dans chaque édition du rapport (Fig. 1.7) :

– RCP 2.6 : contrôle des émissions des GES et autres changements globaux
– RCP 4.5 et 6.0 : stabilisation des émissions
– RCP 8.5 : fortes émissions .

Le changement de température moyenne du globe en surface pour la fin du 21ème siècle dépassera 1,5°C pour l’ensemble des modèles, sauf le scénario 2.6 (Fig. 1.7a). Les données paléoclimatiques soutiennent cette hypothèse, en montrant des réchauffements, notamment au niveau des pôles lors de périodes d’augmentation de la concentration atmosphérique en CO2. Comme pour la température, tous les modèles RCP, sauf le 2.6, montrent une diminution des étendues de banquises au sein de l’hémisphère Nord (Fig. 1.7b), tandis que le niveau moyen des mers continuera probablement d’augmenter au cours du 21ème siècle (Fig. 1.7c).

L’ensemble de ces données prouve sans équivoque l’ampleur du changement global et son impact sur nos civilisations. C’est donc une nécessité de le comprendre et d’y remédier. S’il est aujourd’hui établi que le changement global a pour principales causes les activités anthropiques, il est encore nécessaire d’étudier les changements passés, afin de mieux contraindre les changements à venir. En effet, les différents scénarios du GIEC reposent sur l’utilisation de modèles, principalement alimentés par les données environnementales et climatiques disponibles des périodes passées. Comprendre la variabilité climatique et environnementale passée est donc capital pour pouvoir appréhender les changements futurs.

Etude des Paléoclimats et Paléoenvironnements 

La communauté des paléoclimatologues, paléocéanographes et paléoenvironnementalistes cherche à mieux contraindre la variabilité climatique, par l’étude des climats et environnements anciens. Dans ce but, il est nécessaire d’avoir accès aux données environnementales passées. Mais comment reconstituer les climats passés ? Comment avoir accès aux différentes variables environnementales, permettant de comprendre et de décrire les paléoclimats et paléoenvironnements ? Comment connaître les variations de la température moyenne annuelle de l’air (TMAA), de l’humidité, des précipitations en milieu continental, ou encore de la température de surface des océans et de la salinité en milieu océanique ? Des mesures directes de ces données sont disponibles dans le meilleur des cas pour les deux derniers siècles, et plus généralement pour les dernières décennies. Au-delà de cette période, il est nécessaire d’utiliser des approches indirectes pour obtenir ces renseignements. A l’aide de différents supports, ou archives, il est possible de reconstruire ces différents paramètres. Deux grands types d’archives peuvent être distingués :
– des archives biologiques, c’est-à-dire des restes d’organismes, indicateurs des conditions environnementales régnant au cours de leurs vies,
– des archives sédimentaires/glaciaires, permettant de reconstituer les variations paléoclimatiques et paléoenvironnementales grâce à leur type de dépôt (continu ou discontinu), la nature de ce dépôt (marin, lacustre…), leur contenu (restes fossilisés, éléments terrigènes…), leur nature minéralogique (carbonatés, siliceuses…) ou leur contenu géochimique… (Ruddiman, 2001; Deconinck, 2014; Renard et al., 2015) .

Des outils pour reconstituer les climats passés

Le terme anglais « proxy » se réfère aux indicateurs indirects des conditions climatiques et environnementales, et est défini comme suit : “something that you use to represent something else that you are trying to measure or calculate” (Oxford dictionary). Dans la suite de ce manuscrit, pour désigner ces indicateurs, les termes « marqueur » ou « indicateur » sont utilisés dans les parties en français, tandis que dans les parties en anglais sera utilisé le terme « proxy ».

Les climatologues utilisent majoritairement deux grands types d’indicateurs pour les paléoreconstructions : (1) les marqueurs d’origine biologique, qui sont des restes préservés ou fossilisés d’organismes végétaux ou animaux, et (2) des marqueurs «géochimiques » (Fig 1.8).

Les marqueurs d’origine biologique sont de très bons candidats pour renseigner les climatologues sur les variations climatiques et environnementales passées, en milieu océanique ou continental. En effet, la diversité écologique des organismes végétaux et animaux est très fortement dépendante des paramètres climatiques et environnementaux (Ruddiman, 2001; Gornitz, 2008). Néanmoins la plupart des organismes qui ont existé sur Terre sont aujourd’hui éteints, et plus on remonte dans le temps, moins les restes fossilisés sont reconnaissables. Ainsi, l’utilisation des marqueurs « biologiques » sur de longues échelles de temps (millions à plusieurs dizaines de millions d’années) nécessite souvent de se fier à la ressemblance des formes passées avec leurs homologues modernes (Ruddiman, 2001). Au sein des milieux océaniques, quatre grands groupes de plancton animal et végétal formant des exosquelettes (coquilles ou tests) sont utilisés majoritairement pour les reconstitutions des climats passés. Ces quatre groupes peuvent former des tests constitués de carbonate de calcium (CaCO3), comme les foraminifères (planctoniques ou benthiques ; Ravelo et Hillaire-Marcel, 2007) et les coccolithophoridés, ou des tests siliceux comme les diatomées (par exemple : Hasle et al., 1996; Crosta et Koç, 2007; Round et al., 2007) et les radiolaires (par exemple : Kling, 1998; Cortese et Abelmann, 2002). En milieu continental, les reconstitutions paléoenvironnementales sont effectuées majoritairement à l’aide des grains de pollens préservés dans les archives sédimentaires lacustres ou terrestres (par exemple : (Reille and de Beaulieu, 1990; Sánchez Goňi, 2006), des macrorestes végétaux ou des restes fossilisés d’insectes, les chironimides (par exemple : Gandouin et al., 2007). Les restes végétaux jouent donc un rôle central dans les paléoreconstructions, notamment au travers de l’étude de macrorestes (cônes, graines, feuilles) dont les caractéristiques peuvent renseigner sur les conditions climatiques passées. Par exemple, les climats plus chauds d’il y a des dizaines de millions d’années sont déduits de la présence de palmiers fossilisés aux hautes latitudes nordiques (Greenwood et West, 2016). Les climatologues utilisent aussi les assemblages de grains de pollen déposés dans les sédiments comme indicateurs de l’abondance relative des types de végétation (arbres, herbes…). Les grains de pollen produits par la végétation, sont déposés puis préservés dans des sédiments lacustres ou marins, à la suite de leur transport éolien ou aquatique (Ruddiman, 2001). En milieu lacustre, des exosquelettes de microorganismes peuvent fournir des informations sur les conditions paléoenvironnementales, comme par exemple les ostracodes (Holmes, 2000; Horne et al., 2002; Martens et al., 2008) ou encore certaines espèces de diatomées présentes en milieux lacustres (Leng and Barker, 2006). Enfin, l’étude de restes carbonisés de végétaux peut nous renseigner sur les régimes de feux de forêts passés et leurs fréquences (Power et al., 2008).

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 – ETAT DE L’ART
INTERET ET ETUDE DES PALEOCLIMATS ET DES PALEOENVIRONNEMENTS
1.1.1. LE SYSTEME CLIMATIQUE
1.1.2. CHANGEMENTS CLIMATIQUES
Origines et conséquences des changements climatiques
Effets du changement climatique et prévisions futures
1.1.3. ETUDE DES PALEOCLIMATS ET PALEOENVIRONNEMENTS
Des outils pour reconstituer les climats passés
Concept de biomarqueur
DIVERSITE ET ADAPTABILITE DU VIVANT
1.2.1. DOMAINE DES EUCARYOTES
1.2.2. DOMAINE DES ARCHEES
1.2.3. DOMAINE DES BACTERIES
• Bactéries Gram-négatif vs. Gram-positif
1.2.4. ROLE ET STRUCTURE DES MEMBRANES CYTOPLASMIQUES
Un composant essentiel des membranes eucaryotes et bactériennes : les glycérophospholipides
Les éthers de glycérol archéens et bactériens
Notion de lipides polaires intacts et lipides de coeur
1.2.5. ADAPTATION HOMEO-VISQUEUSE DES MEMBRANES CYTOPLASMIQUES
Une mosaïque fluide
…qui s’adapte aux variations environnementales
…notamment de température et de pH
LES LIPIDES COMME MARQUEURS D’ENVIRONNEMENT
1.3.1. EXEMPLES DE BIOMARQUEURS DE TEMPERATURE EN MILIEU AQUATIQUE
Les alcénones insaturés (Indice Uk’37)
Les diols à longue chaîne (indice LDI)
Les alkyl tetraéthers de glycérol à chaînes isopréniques (indice TEX86)
Conclusion partielle
1.3.2. MARQUEURS DE TEMPERATURE ET DE PH EN MILIEU TERRESTRE
Les tetraéthers de glycérol bactériens
• Structures et sources des tetraéthers bactériens
• Utilisation des tetraéthers bactériens comme marqueurs de température et de pH en milieu terrestre
• Tetraéthers isopréniques et ramifiés : Indice BIT
Validation et application des brGDGTs comme marqueurs de température et de pH en milieu continental
• Validation des brGDGTs comme marqueurs de température et de pH
• Applications paléoenvironnementales
Les acides gras 3-hydroxylés
• Structures et sources des acides gras 3-hydroxylés
• Les 3-AGH comme marqueurs de température et de pH en milieu terrestre
1.3.3. CONCLUSION PARTIELLE
CHAPITRE 2 – MATERIELS ET METHODES
SITES D’ETUDE ET ECHANTILLONNAGE
2.1.1. MASSIFS DES BAUGES ET DU LAUTARET-GALIBIER
Massif des Bauges
Massif du Lautaret-Galibier
Echantillonnage
Données de température
2.1.2. MONT POLLINO (ITALIE)
2.1.3. MONT SHEGYLA (TIBET)
2.1.4. ANDES, TRANSECT DU KOSÑIPATA (PEROU)
2.1.5. ARAUCANOS (CHILI)
2.1.6. JEU DE DONNEES GLOBAL (BRGDGTS)
ETUDES DE SOLS EN ENVIRONNEMENTS CONTROLES (MICROCOSMES)
2.2.1. CHOIX DES SOLS
2.2.2. PROTOCOLE D’INCUBATION
ANALYSES ELEMENTAIRES, PH ET HUMIDITE
2.3.1. HUMIDITE RELATIVE
2.3.2. ANALYSES ELEMENTAIRES ET ISOTOPIQUES
2.3.3. MESURES DE PH
2.3.4. GRANULOMETRIE ET CAPACITE D’ECHANGE CATIONIQUE
ANALYSE DES LIPIDES BACTERIENS : BRGDGT ET 3-AGH
2.4.1. EXTRACTION, SEPARATION ET ANALYSE DES BRGDGTS
Protocole d’extraction et de séparation des tetraéthers bactériens
Protocole d’analyse des tetraéthers bactériens
2.4.2. EXTRACTION, SEPARATION ET ANALYSE DES ACIDES GRAS 3-HYDROXYLES
Protocole d’extraction et de séparation des acides gras 3-hydroxylés
Protocole initial d’analyse des acides gras 3-hydroxylés
Développement analytique
• Effet du séchage sous azote
• Répétabilité et reproductibilité des analyses
• Désilylation des échantillons au cours de l’analyse
• Présence de coélutions
Nouvelles conditions d’analyse des acides gras 3-hydroxylés
ANALYSES STATISTIQUES
2.5.1. ANALYSES UNIES ET BIVARIEES
2.5.2. ANALYSES MULTIFACTORIELLES
2.5.3. MACHINE LEARNING
CHAPITRE 3 – ETUDE DE MARQUEURS LIPIDIQUES BACTERIENS AU SEIN DE SOLS DES ALPES FRANÇAISES
INFLUENCE OF ENVIRONMENTAL PARAMETERS ON THE DISTRIBUTION OF BACTERIAL LIPIDS IN SOILS FROM
THE FRENCH ALPS: IMPLICATIONS FOR PALEO-RECONSTRUCTIONS
3.1.1. INTRODUCTION
3.1.2. RESULTS
Bulk soil properties
BrGDGT and 3-OH FA distribution
3.1.3. DISCUSSION
BrGDGTs and 3-OH FAs as proxies of pH and temperature
• Relationship between pH and bacterial lipid distribution
• Relationship between MAAT and bacterial lipid distribution
Impact of other environmental variables on bacterial lipid distribution
• Selection of non-redundant environmental variables for statistical analyses
• RDA analysis of brGDGT distribution and environmental variables
• RDA analysis of 3-OH FA distribution and environmental variables
• Influence of vegetation and soil type on 3-OH FA and brGDGT distribution
Development of local calibrations between the relative abundance of bacterial lipids
and MAAT/pH
• BrGDGTs
• 3-OH FAs
Constraints on the applicability of brGDGTs and 3-OH FAs as environmental proxies
3.1.4. CONCLUSIONS
ETUDE DE L’EFFET DE LA TEMPERATURE SUR LA DISTRIBUTION DES ACIDES GRAS 3-HYDROXYLES ET DES TETRAETHERS BACTERIENS AU SEIN DE SOLS DES ALPES FRANÇAISES EN CONDITIONS CONTROLEES
3.2.1. INTRODUCTION
3.2.2. RESULTATS ET DISCUSSION
Viabilité des organismes au sein des microcosmes
Concentrations et abondances relatives des lipides bactériens
• Les acides gras 3-hydroxylés (3-AGH)
• Les tetraéthers bactériens (brGDGT)
Adaptation des microorganismes et production des lipides membranaires en réponse
aux variations de températures
3.2.3. CONCLUSIONS
CONCLUSION

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