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Le cycle du carbone
Le cycle biogéochimique du carbone est défini comme l‘ensemble des processus de transport et de transformations cycliques du carbone entre les grands réservoirs de la Terre (la lithosphère, l‘hydrosphère, la biosphère (marine et continentale) et l‘atmosphère ). Dans la représentation actuelle du cycle du carbone, on estime que le contenu des réservoirs est respectivement de 800 GtC pour l‘atmosphère, 37000 GtC pour l‘océan et 2850 GtC pour la biosphère. Les transferts de carbone sont, eux, estimés à 90 GtC an⁻¹ entre l‘océan et l‘atmosphère, et d‘environ 120 GtC an⁻¹ entre la végétation et l‘atmosphère . Notons que cela correspond à des échanges bruts opérant dans les deux sens tandis que le flux net entre ces réservoirs est pratiquement deux ordres de grandeur plus faible.
La nature même de ces réservoirs explique les grandes différences de vitesses de transfert au sein du cycle du carbone. Aux échelles de temps « courtes » qui nous intéressent dans cette thèse (i.e. moins d‘un millier d‘années), les échanges se font donc principalement entre l‘atmosphère, l‘hydrosphère et la biosphère et principalement sous forme de dioxyde de carbone (CO₂). Les échanges de CO₂ entre atmosphère et océans, hormis lors des évènements « El Nino », sont supposés varier de manière moins importante que ne peuvent varier les échanges de CO₂ entre l‘atmosphère et la biosphère continentale. De plus, la séquestration de CO₂ par les océans est le fait du mélange des eaux de surface (où le CO₂ est dissous rapidement) avec les eaux profondes. De ce fait, le stockage de CO₂ par les océans se fait sur une échelle de temps de quelques années, bien moins rapidement que ce que réalise la biosphère continentale.
Notons que les émissions de carbone sous forme de méthane (CH4), de monoxyde de carbone, etc… sont également prises en compte. Elles représentent environ 2 GtC an-1 , et s‘intègrent dans le cycle global du carbone après leur oxydation en COβ dans l‘atmosphère.
Au premier ordre, on estime que les flux bruts échangés entre deux réservoirs se compensent annuellement, conduisant à un flux net quasiment nul entre les trois réservoirs d‘intérêt pour nous. plus de la moitié des rejets de CO₂ issus de l‘activité anthropique chaque année (9 GtC an-1) sont réabsorbés par l‘océan (2GtC an-1) et la biosphère (3 GtC an-1), et seulement 4 GtC an-1 environ s‘accumulent dans l‘atmosphère.
L’empreinte de la biosphère terrestre
Le rôle de la biosphère dans l‘absorption du CO₂ atmosphérique peut être en partie exploré grâce à l‘observation des variations saisonnières des teneurs en CO₂ atmosphérique .
La station de Mauna Loa où a été mesurée cette série temporelle est située dans le Pacifique Nord, et est supposée intégrer l‘ensemble des flux d‘émission et d‘absorption de l‘Hémisphère Nord. On observe un cycle saisonnier clair qui traduit notamment l‘évolution saisonnière de l‘activité de la biosphère continentale. Les échanges entre la biosphère et l‘atmosphère sont largement dépendant de la disponibilité du CO₂, des conditions climatiques et du cycle de vie des plantes. De ce fait, l‘absorption de CO₂ par les plantes est maximale dans l‘hémisphère Nord en été, lorsque les plantes sont en croissance et que la photosynthèse, favorisée par la lumière, domine sur la respiration. Par la suite, on notera « GPP », pour «gross primary production » en anglais, ce flux brut d‘absorption de CO₂ par les plantes, lié à la photosynthèse.
Ce cycle se traduit par la baisse de concentration atmosphérique en CO₂ observée au printemps et en été. A la fin de l‘été, la concentration en CO₂ atmosphérique est au plus bas annuel, mais augmente pendant l‘automne et l‘hiver, alors que l‘activité photosynthétique est réduite et que la végétation rejette une partie du CO₂ absorbé (respiration hétérotrophe et autotrophe). En hiver, dans l‘hémisphère Nord, la situation est inversée et l‘on observe donc une augmentation de la teneur en CO₂ atmosphérique.
Pour toutes ces raisons, la biosphère continentale est associée aux processus majeurs d‘échanges de CO₂ avec l‘atmosphère aux échelles de temps courtes qui nous intéressent dans cette thèse. Dès lors, on comprend aisément que la compréhension et la quantification du stockage possible du CO₂ atmosphérique par la biosphère continentale est un élément capital dans la compréhension et la prédiction de la dynamique du cycle du carbone global. Dans un contexte de changement climatique où l‘augmentation de la fréquence des évènements climatiques extrêmes est attendue (rapports du GIEC), la perturbation des échanges de CO₂ entre atmosphère et biosphère devient notamment un point crucial dans l‘estimation de ce stockage. En effet, un évènement tel que la sècheresse et la vague de chaleur de 2003 en Europe de l‘Ouest serait responsable d‘une absorption moindre de CO₂ par la biosphère, liée principalement à une réduction de la GPP et possiblement à une augmentation des rejets de CO₂ par les plantes lors de la respiration (Ciais et al., β005). La présence de la biosphère continentale modifie significativement les bilans hydriques sur les surfaces terrestres. Par l‘évapotranspiration importante qu‘elle réalise, la biosphère continentale contribue directement à modifier le cycle de l‘eau sur les continents et donc de manière importante les transferts d‘énergie. Or, ces flux d‘énergie depuis la surface de la Terre sont importants, et apportent en moyenne globale annuelle deux fois plus dénergie aux couches de surface de l‘atmosphère que celles-ci n‘en récupèrent en absorbant les radiations du visible du rayonnement incident net.
Les variations climatiques (ensoleillement, humidité relative, évènements extrêmes, etc) et la variabilité des espèces végétales ainsi que la variation saisonnière de ce couvert (modifiant par exemple l‘albédo de la surface) et l‘hétérogénéité des types de sols accentuent les différences de distributions spatiale et temporelle d‘énergie et de flux d‘eaux dans l‘atmosphère. Ces hétérogénéités accentuent directement les gradients de température, de pression et d‘humidité relative dans l‘atmosphère, et sont donc en partie responsables de la circulation atmosphérique. On rappelle que ces mêmes variations climatiques sont également à l‘origine de la variation des flux de CO₂ à la surface, échangés avec l‘atmosphère.
Le flux de chaleur latente est également influencé par l‘intensité de l‘évapotranspiration des plantes. Ce flux d‘évapotranspiration est lui-même lié au degré d‘ouverture des stomates, ces orifices situés sur l‘épiderme des feuilles qui permettent les échanges de gaz entre les feuilles et l‘atmosphère. Or, le CO₂ est l‘un de ces gaz échangésν sa concentration atmosphérique influence donc aussi indirectement l‘ouverture stomatique des feuilles, complexifiant encore un peu plus la relation entre toutes ces composantes du climat, et plaçant résolument la biosphère continentale au carrefour des interactions entre flux de matière et transferts d‘énergies.
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Table des matières
CHAPITRE 1: INTRODUCTION GENERALE
1.1 Le cycle du carbone
1.1.1 L‘empreinte de la biosphère terrestre
1.1.β La perturbation anthropique du cycle du carbone
1.1.γ Un contexte actuel de changement climatique
1.1.4 Les échanges de carbone entre biosphère continentale et atmosphère et l‘incertitude de leurs estimations
1.1.5 Prédire l‘impact du changement climatique sur le cycle du carboneμ les modèles couplés simulant le climat global et la multiplication des données de terrain
1.1.6 Utilisation des mesures pour calibrer les modèles globaux dynamiques de végétation (DGVMs)
1.β Les mesures de cernes d‘arbres pour contraindre les processus d‘un modèle de biosphère
1.β.1 La représentation actuelle des flux de matière et d‘énergie dans les DGVM, la nécessité des calibrations
1.β.β Observations des largeurs et composition isotopique des cernes d‘arbres
1.β.γ Utilisation des largeurs de cernes et des compositions isotopiques pour contraindre un modèle de végétation
1.γ Les mesures atmosphériques de COSμ une nouvelle contrainte sur les flux photosynthétiques
1.γ.1 Le cycle du sulfure de carbonyle atmosphérique
1.γ.β Potentiel des mesures de COS pour contraindre la photosynthèse
1.γ.γ Objectifs de mon travail. Outils développés et mis en œuvre
CHAPITRE 2 : MESURES DE LA LARGEUR ET DES ISOTOPES DES CERNES D’ARBRES POUR CONTRAINDRE LE MODELE DE BIOSPHERE CONTINENTALE ORCHIDEE
β.1 Objectifs de l‘étude μ évaluer et contraindre le modèle ORCHIDEE
β.β Le modèle ORCHIDEE
β.β.1 Présentation générale
β.β.β Modules principaux
β.β.γ Préparation des simulations
β.β.4 Hydrologie du sol
β.β.5 ORCHIDEE-FM, un module permettant de représenter de manière réaliste les largeurs de cernes et la composition en 1γC de la cellulose
β.β.6 ORCHIDEE-O18, un module permettant de représenter la composition en 18O de la cellulose
β.γ Observationsμ largeur et isotopes de la cellulose des cernes d‘arbres
β.4 Evaluation du modèle ORCHIDEE avec les mesures de largeurs et isotopiques de cernes
β.4.1 Objectifs et résumé de l‘étude
β.4.β Article
β.5 Complémentsμ prise en compte de l‘auto-corrélation des signaux observées
CHAPITRE 3 : BILAN ATMOSPHERIQUE DU COS ET CONTRAINTE POTENTIELLE SUR LES FLUX BRUTS BIOSPHERIQUES
γ.1 Introduction
γ.β Re-évaluation des sources et puits de COS
γ.β.1 Emissions directe et indirecte d‘origine marine
γ.β.β Absorption par les végétaux
γ.β.γ Flux liés aux sols
γ.β.4 Autres composantes du budget global du COS
γ.γ Modélisation du cycle biogéochimique du COSμ les échanges océan-atmosphère
γ.γ.1 Résumé de l‘article
γ.γ.β Article
γ.4 Un nouveau bilan de COS atmosphériqueμ Evaluation d‘un ensemble de modèles de flux de COS et
contraintes potentielles sur les flux bruts biosphériques
γ.4.1 Objectifs et résumé de l‘étude
γ.4.β Article
CHAPITRE 4: CONCLUSIONS
4.1 Vers une optimisation des paramètres d‘ORCHIDEE, bilan et perspectives
4.1.1 Bilan des travaux de thèse
4.1.β Perspectives d‘améliorations
4.β Contraindre les flux de GPP à l‘aide du COS atmosphérique.
4.β.1 Bilan des travaux de thèse
4.β.β Valorisation directe des mesures de flux et de concentrations atmosphériques de COS
4.β.γ Améliorations futures proposées pour ces travaux
4.β.4 Principe d‘une optimisation conjointe du COS, du COβ et des traceurs des cernes d‘arbres
CHAPITRE 5: REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
