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Construction d'un modèle à 3 compartiments : l'atmosphère, la biosphère et le sol

 

Un problème est posé :

Les émissions de CO2 d'origine anthropique sont connues :  sur 150 ans (depuis 1850), l ’apport est estimé à 282 Gt de Carbone.  Ces émissions se sont en partie accumulées dans le réservoir atmosphérique dont la capacité a été estimée à 600 GT en 1850. Des études  révèlent que sur les 10 dernières années, sur les 64 Gt de C qui ont été dispersés dans l'atmosphère il n’en reste qu’environ 50%. 

On cherche à déterminer où est passé le CO2 qui manque?

Diverses hypothèses sont émises : la plus probable est celle d'un autre réservoir lieu de stockage du carbone. La photosynthèse et la respiration des êtres vivants étant connues, on peut retenir l'idée selon laquelle la biosphère pourrait jouer le rôle de réservoir séquestrant une partie du carbone anthropique. 

Existe-t-il des preuves de l'existence d'échanges entre la biosphère et l'atmosphère ?

On cherche à établir les preuves des échanges de carbone entre l'atmosphère et la biosphère à différents niveaux : au niveau de la planète Terre, au niveau des différents écosystèmes et au niveau des organismes. On propose d'exploiter des données de terrain (à partir des banques de données internationales WCDGG et Fluxnet) et des données acquises au laboratoire (expérimentation assistée par ordinateur par exemple). 

 

Au niveau planétaire:

On exploite les informations fournies par les banques de données internationales du réseau WDCGG

 

 

co2_lemonde.jpg

Des stations mesurent le CO2 atmosphérique depuis de nombreuses années. Ces stations sont réparties dans diverses régions du globe terrestre, de l'hémisphère Sud à l'hémisphère Nord. 

On exploite les mesures issues de plusieurs sites comme par exemple le site Norway (dans l'Arctique) ou le site Mauna Loa (dans l'hémisphère Nord - océan Pacifique).
 

Norway

co2_norway.jpg


 

 

 

Mauna Loa 

co2_maunaloa.jpg

 

L'analyse des graphiques révèle deux phénomènes : une augmentation de la concentration atmosphérique en CO2 mais également  une variation saisonnière de ce paramètre.

L'augmentation de la concentration en CO2 conforte  l'hypothèse des émissions de CO2 d'origine anthropique.

Les variations saisonnières confortent l'hypothèse du rôle de la biosphère (essentiellement la biosphère végétale terrestre):

    • en été, on assiste à une diminution de la concentration en CO2 atmosphérique,
    • en hiver, le phénomène s'inverse, la teneur en CO2 atmosphèrique augmente.


On attribue ces variations cycliques de la concentration en CO2 à l'activité de la biosphère terrestre de l'hémisphère Nord. A l'échelle mondiale lorsque la photosynthèse l'emporte sur la respiration (la période "printemps-été"), la concentration en CO2 diminue au niveau planétaire.

Réciproquement, la concentration en CO2 diminue durant la période "automne-hiver" lorsque la respiration l'emporte sur la photosynthèse. 

On peut noter par ailleurs que l'impact de la biosphère sur l'atmosphère augmente de l'hémisphère sud vers l'hémisphère nord et dans l'hémisphère nord, cet impact augmente aux hautes latitudes. On peut expliquer ces variations par le fait que la biosphère terrestre est plus développée dans l'hémisphère nord que dans l'hémisphère sud d'une part, que la durée du jour augmente fortement en été pour l'hémisphère nord avec la latitude. 

Ainsi du carbone circule entre les 2 enveloppes, l'enveloppe atmosphérique et l'enveloppe biosphérique : cette circulation met en jeu 2 mécanismes, la photosynthèse et la respiration. 

 Au niveau des écosystèmes :  

On exploite les données fournies par les stations d'écophysiologie du réseau FLUXNET. Les stations d'écophysiologie qui sont implantées sur de nombreux continents fournissent des mesures qui indiquent clairement que la biosphère terrestre modifie cycliquement la concentration en CO2 de l'atmosphère au-dessus de chaque écosystème. 

 

 

carte_fluxnet.gif

Dans le but de disposer de données sur les flux de CO2 (et H2O) entre les divers écosystèmes et l'atmosphère à l'échelle locale, plusieurs grands programmes nationaux ou internationaux ont été lancés. 

Ces programmes, fédérés sous l'appellation FLUXNET, s'appuient sur des sites fortement instrumentés, mettant en œuvre la méthode dite des corrélations turbulentes. 

 

L'examen de la répartition spatiale des sites de mesure sur le globe fait apparaître une forte concentration de ces sites en Europe et en Amérique du Nord, et au contraire une grande faiblesse des implantations dans des grandes zones forestières, la forêt tropicale humide en particulier. 

Exploitation des données en ligne du réseau Fluxnet :

Le réseau Amériflux fournit des données graphiques consultables en ligne (consultation de la base de données Ameriflux). Lors de cette consultation il est possible de construire des graphiques mettant en relation des paramètres pris 2 à 2. Il est également possible de télécharger les données au format csv (format compatible avec Excel).

 
  • Nous proposons une consultation des stations du réseau Fluxnet en utilisant le SIG (Système d'Information Géographique) Google Earth. Si Google Erath est installé sur votre ordinateur il suffit de cliquer sur le lien fluxnet.kmz
 

Exploitation de la banques de données de référence :

 

A titre d'exemple, nous présentons ci-dessous les mesures effectuées au niveau de la hêtraie de Sarrebourg (France) :

 
sarrebourg_g3.jpg

Llien vers la banque de données Euroflux :  http://www.fluxnet.ornl.gov/fluxnet/Cd-1/web/site03.html  

Lien vers le fichier Excel :  sarrebourg.xls

Durant le printemps et le début de l'été, l'écosystème hêtraie consomme du CO2, la photosynthèse domine la respiration. Durant l'automne, le phénomène s'inverse, la respiration domine la photosynthèse. Globalement; cet écosystème est en équilibre, le bilan annuel de carbone est presque nul. 

 

La hêtraie de Sarrebourg est un écosystème en équilibre : en hiver (décembre, janvier, février) , il fait tellement froid que le métabolisme est presque nul. Au début du printemps (en mars), les bourgeons ne sont pas encore éclos, mais le sol (champignons, bactéries, ...) commence à respirer. L'écosystème produit du CO2 et consomme du dioxygène. En avril, le sol repire de plus en plus car il fait de plus en plus chaud. La photosynthèse augmente et domine largement la respiration. L'écosystème consomme du CO2 et produit du dioxygène. En mai et en juin,  la photosynthèse des arbres domine largement la respiration du sol. En juillet et en août, il fait extrêmement chaud, la photosynthèse diminue. Certains jours, il y a à peu près équilibre entre la photosynthèse et la respiration. En automne (septembre, octobre et novembre), la photosynthèse diminue et la respiration du sol est encore importante.  Si on fait un bilan global de cet écosystème, le bilan entre photosynthèse et respiration est à peu près nul sur l'année. 
 
 

Ainsi, la circulation du carbone entre l'atmosphère et la biosphère est confirmée au niveau de chaque écosystème. Photosynthèse et respiration laissent leur empreinte au niveau de l'écosystème.


  

Au-niveau de l'organisme :

 

Les échanges gazeux entre le végétal et son milieu peuvent être étudiés au laboratoire. L'étude du métabolisme trouve ainsi sa place dans le cycle du carbone à travers les échanges de CO2.

 

Des études conduites avec du matériel EXAO permettent d'identifier les flux de CO2 et d'O2, d'évaluer l'importance relative des deux phénomènes respiration et photosynthèse et de relever les facteurs influençant les échanges (température, concentration en CO2, nature du végétal, ...). Il est essentiel ici de montrer que les flux "photosynthèse" et "respiration" ne sont pas constants mais qu'ils dépendent de facteurs du milieu : si la concentration en CO2 augmente alors l'intensité de la photosynthèse; si la température augmente, la respiration augmente notamment au niveau du sol.

 

Cette activité paillasse permet de montrer que le CO2 atmosphérique circule normalement entre les deux compartiments, l'atmosphère et la biosphère. Cette circulation correspond à deux flux : la respiration d'une part, la photosynthèse d'autre part. 

 

Ainsi il existe des preuves de l'existence d'échanges de carbone entre l'atmosphère et la biosphère. L'impact de la photosynthèse et l'impact de la respiration sur l'atmosphère sont identifiables à différents niveaux : au niveau de l'organisme, au niveau de l'écosystème et au niveau planétaire.

 
 
 

Des données de terrain au modèle du cycle du carbone :

 

On cherche à préciser les mécanismes des échanges de carbone entre ces deux compartiments, atmosphère et biosphère, et leurs implications dans le climat.  Afin de réaliser cette étude, le chercheur a recourt à la modélisation. Quelle est sa méthode? 

 
Voir la construction d'un modèle à 2 puis 3 compartiments : l'atmosphère, la biosphère puis les sols.

 

Équipe INRP de l'académie d'Orléans-Tours.