Bernadette Pinel-Alloul Université de Montréal 6 octobre 2005

1. 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

2. Plan de cours Réchauffement 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

3. Plan de cours (suite) • Les impacts sur l’environnement • élévation du niveau des mers • impacts au niveau de la cryosphère • les provinces écoclimatiques

4. L’effet de serre: un phénomène naturel indispensable à la vie sur Terre

5. Le système climatique Radiation solaire Albedo

6. 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

7. Structure verticale de l’atmosphère terrestre Thermosphère Mésosphère Stratosphère Source: NASA Troposphère

8. Structure verticale de l’atmosphère terrestre Gradient thermique Couche d’ozone Absorption des UVs Méso- Strato- Tropo- Gradient thermique Reémission des IRs Source: NASA

9. Composition de la troposphère GES Méthane (CH4) Oxyde nitreux (N2O) Ozone (O3) Néon - 1,82×10-3 % Hélium - 5,24×10-4 % Krypton - 1,14×10-4 % Xénon - 8,7×10-6 % < 0.1% + 1 à 3% (v/v) vapeur d’eau

10. L ’effet de serre: un phénomène naturel 342 W m-2 Absorption UVs 168 W m-2 PAR: 450-600 nm

11. Réflection des Infra-Rouges Absorption des UVs

12. Climats planétaires

13. 2. Le réchauffement global à la surface de la Terre: une réalité?

14. Variations à long terme de la température à la surface de la Terre Périodes inter-glaciaires Périodes glaciaires

15. Variations GES Millénaire 400 ans stabilité Augmentation GES Fin 1800 stabilité stabilité

16. 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)

17. Moyenne 1961-1990 • 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 Hémisphère nord Moyenne 1961-1990

18. 3. Les gaz à effet de serre et leurs propriétés radiantes

19. Exemples de GES affectés par les activités anthropiques Source: Intergovernmental Panel on Climate Change, 2001

20. Potentiel de réchauffement des principaux GES par rapport au CO2 Source: Intergovernmental Panel on Climate Change, 2001

21. Contribution de chacun des GES au forçage anthropique CO2 55% Autres CFC 7% 17% CFC 11 et 12 6% 15% Méthane N2O Source: Intergovernmental Panel on Climate Change, 1990

22. 400 mille années • Augmentation [CO2] atmosphère = moitié du taux des émissions de combustibles carbonés Post-industriel Pré-industriel 25 millions années 500 millions années Post-glaciaire

23. Le cycle du carbone: les perturbations anthropiques 6.3±0.4 -1.7±0.5 -1.4±0.7 Puits de carbone Séquestration 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).

24. Océan=puits de carbone Fig. 4. Circulation thermohaline dans l ’océan Atlantique. Séquestration Carbone Eaux profondes 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).

25. Cycle terrestre du carbone Production primaire Émissions anthropiques 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). Combustibles fossiles Décomposition Carbone fossile Humus

26. Concentrations atmosphériques de CH4 Millénaire Post-glaciaire Centennaire Taux de changement 400 mille années cycles de périodes glaciaires et interglaciaires

27. Concentrations atmosphériques de N2O Centennaire Millénaire

28. Les CFCs Produits de synthèse augmentation x 5 en 40 ans • 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)

29. 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

30. Forçage radiatif moyen du climat pour l ’année 2000, comparativement à 1750 Source: Intergovernmental Panel on Climate Change, 2001

31. 4. Les modèles climatiques et les différents scénarios d ’émission

32. Complexification des modèles climatiques Source: Intergovernmental Panel on Climate Change, 2001

33. Les modèles climatiques sont-ils fiables? Facteurs naturels Facteurs anthropiques Tous les facteurs naturels et anthropiques Meilleur ajustement Fig. 1. Estimations des températures annuelles moyennes à la surface de la Terre (source: IPCC, 2001).

34. Les différents scénarios d ’émission Fig. 2. Différentes directions des scénarios SRES (« Special Report on Emissions Scenarios ») pour divers indicateurs (source: IPCC, 2001).

35. Projections des émissions des GES

36. Meilleurs scénarios B1, A1T, B2 Pires scénarios A1F1, A1B 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).

37. 5. Le climat de demain

38. 2 1 • 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 projections 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. Post-industriel Pré-industriel

39. Scénario A2 Réchauffements majeurs jusqu’à 6-8 degrés en zones polaires arctiques Scénario B2 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).

40. Ruissellement annuel Scénario d’augmentation 1% de CO2 par an Fonte des glaces ouragans inondations Fig. 3. Modifications du ruissellementannuel 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). Sécheresse

41. 6. Les impacts sur l ’environnement

42. Élévation du niveau des mers 0.2 – 0.8 m Fig. 3. Projections des variations du niveau moyen des mers de 1990 à 2100 selon les différents scénarios d ’émissions envisagés (source: IPCC, 2001).

43. Anomalies de la couverture de neige Baisse depuis 1990 Glaces du Groenland Bonne corrélation avec hausse de température 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).

44. Baisse depuis 1980 Glaces de mer surface Épaisseur (-1 à –2 m) 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).

45. Fig. 7. Localisation des impacts physiques et biologiques liés aux changements climatiques et rapportés dans la littérature scientifique contemporaine (source: IPCC, 2001).

46. 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).

47. Impacts au niveau de l ’agriculture Blé Riz Maïs Fig. 9. Variations des des rendements de divers cultures suivant les différents scénarios climatiques (avec ou sans adaptation agronomique) (source: IPCC, 2001).

48. Les CFC, la couche d’ozone et le rayonnement UV

49. Plan de cours Déplétion de la couche d’ozone/CFCs • Cycle de l’ozone stratosphérique • Variations spatio-temporelles de l ’ozone stratosphérique • Les craintes entourant l ’intégrité de la couche d ’ozone • Les facteurs responsables de la destruction de la couche d ’ozone • Les impacts environnementaux

50. Mesure de l’ozone atmosphérique Unités Dobson Maximum Stratosphère 10 ppm Colonne d`ozone correspondant à 3 mm niveau de la mer Spectophotomètre Brewer