Les chercheurs explorent les causes des variations des émissions de CO2 dans l'atmosphère
Publié par Isabelle le 05/09/2018 à 12:00
Source: CEA

En période de sécheresse, les plantes subissent un stress hydrique et absorbent moins de dioxyde de carbone. L'effet global mesuré est plus fort que les estimations antérieures ne le suggéraient © Pixabay
Plusieurs résultats récents auxquels sont associés les climatologues du Laboratoire des sciences du climat (Le climat correspond à la distribution statistique des conditions atmosphériques dans une région donnée pendant une période de temps donnée. Il se distingue de la...) et de l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme environnement tend actuellement à prendre...) (LSCE: CEA/CNRS/UVSQ, Paris-Saclay) expliquent les liens entre les épisodes de sécheresse et les échanges de CO2 entre la végétation (La végétation est l'ensemble des plantes (la flore) sauvages ou cultivées qui poussent sur une surface donnée de sol, ou dans un milieu aquatique. On parle aussi...) et l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :). L'impact de ces divers phénomènes sur la croissance du CO2 atmosphérique à l'échelle globale n'est pas négligeable.

La concentration atmosphérique en CO2 croît plus rapidement pendant les années sèches: une approche satellitaire innovante

Des chercheurs de l'ETH (Suisse), du Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement (LSCE: CEA/CNRS/UVSQ, Paris-Saclay) et de l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa...) d'Exeter (Royaume-Uni) ont montré que la concentration atmosphérique en gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend à occuper tout le...) carbonique s'accroissait plus rapidement pendant les années sèches, parce que les écosystèmes soumis au stress (Le stress (« contrainte » en anglais), ou syndrome général d'adaptation, est l'ensemble des réponses d'un organisme soumis à des contraintes environnementales. Dans le langage courant, on parle de...) hydrique absorbent moins de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.). Leurs résultats permettent de comprendre pourquoi l'augmentation du CO2 atmosphérique peut varier beaucoup d'une année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié à la révolution de la Terre autour du Soleil.) à l'autre, même si les émissions liées à l'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) humaine restent relativement stables. À l'échelle globale, cet effet devra être pris en compte dans les modèles climatiques futurs (Futurs est une collection de science-fiction des Éditions de l'Aurore.).

Les écosystèmes terrestres absorbent en moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de l'ensemble...) 30 % des émissions anthropiques de CO2, un phénomène qui modère l'accroissement de la concentration de ce gaz à effet de serre (L'effet de serre est un processus naturel qui, pour une absorption donnée d'énergie électromagnétique, provenant du Soleil (dans le cas des corps du système solaire) ou d'autres étoiles (dans le cas...) dans l'atmosphère. Cependant, les plantes ont besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est souvent fait un classement des besoins humains en trois grandes...) d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) pour se développer. Lorsqu'une sécheresse se produit, elles réduisent leur métabolisme (Le métabolisme est l'ensemble des transformations moléculaires et énergétiques qui se déroulent de manière ininterrompue dans la cellule ou l'organisme vivant. C'est un processus ordonné, qui fait...) pour se préserver. Elles capturent alors moins de CO2 atmosphérique: leur rôle de 'puits de carbone' est en quelque sorte affaibli.
Dans leur étude, publiée dans Nature [1], les chercheurs de l'ETH Zurich, du LSCE et de l'université d'Exeter ont utilisé une approche innovante pour mesurer, par satellite (Satellite peut faire référence à :), la sensibilité globale des écosystèmes au stress hydrique.
Les satellites les plus récents mesurent des variations extrêmement faibles du champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de gravitation (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) terrestre, y compris celles causées par des variations de la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de...) d'eau stockée sur les continents.

Pendant les années globalement sèches comme 2015 (à l'échelle mondiale), les écosystèmes naturels ont capturé environ 30 % de CO2 en moins que lors d'une année normale. Cela a induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en électricité (générateur) ou en force (moteur).), cette année-là, un accroissement plus rapide de la concentration atmosphérique en CO2. À l'inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que x·y = y·x = 1, si 1...), l'année 2011 fut globalement très humide ; le développement de la végétation a causé une augmentation plus lente (La Lente est une rivière de la Toscane.) du CO2 atmosphérique.

Les plantes utilisent l'eau plus efficacement et capturent moins de CO2 lors des sécheresses marquées de l'hémisphère Nord

Des sécheresses sévères dans l'hémisphère Nord engendrent des baisses importantes des rendements agricoles, des réductions de la capture (Une capture, dans le domaine de l'astronautique, est un processus par lequel un objet céleste, qui passe au voisinage d'un astre, est retenu dans la gravisphère de ce dernier. La capture de l'objet céleste aboutit à sa satellisation ou à sa...) du carbone par les forêts et des accélérations de l'augmentation des concentrations du CO2 atmosphérique. Les plantes répondent aux sécheresses en fermant partiellement leurs stomates (orifices des plantes permettant les échanges gazeux), pour limiter les pertes d'eau par évaporation (L'évaporation est un passage progressif de l'état liquide à l'état gazeux. Elle est différente de l'ébullition qui est une transition rapide. C'est un changement d'état appelé...), au détriment de la capture de carbone par la photosynthèse (La photosynthèse (grec φῶς phōs, lumière et σύνθεσις sýnthesis, composition) est le processus bioénergétique...). Le phénomène maximise l'efficacité de l'utilisation de l'eau, comme l'attestent les mesures en laboratoire et les expériences sur le terrain publiées dans Nature Geoscience par une équipe internationale à laquelle est associée le LSCE [2].

Pour quantifier ce phénomène, le rapport 13C/12C des isotopes stables du carbone a été mesuré sur des étendues de millions de km2 et sur une dizaine d'années concernées par le changement climatique récent. Les chercheurs relèvent une forte cohérence spatiale et temporelle entre la maximisation de l'efficacité de l'utilisation de l'eau et la réduction de la capture du carbone atmosphérique dans l'hémisphère Nord lors des sécheresses qui ont affecté l'Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un continent à part entière, mais aussi comme l’extrémité occidentale du...), la Russie et les USA en 2001–2011.
L'impact de ces sécheresses est nettement plus important que les prévisions des six modèles les plus performants, à l'heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur elle-même, l'instant (l'« heure qu'il est »), y compris en sciences (« heure solaire »...) actuelle, dans ce domaine. Cela suggère que ceux-ci sous-évaluent les rétroactions climat-carbone causées par les sécheresses: leur prise en compte de la réponse au stress hydrique de la végétation doit être améliorée, en particulier sur la base des mesures des isotopes stables du carbone.

La capacité des puits de carbone a augmenté entre 1998 et 2012 avec l'évolution de l'usage des sols

La masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et...) de carbone fixée sur les surfaces continentales (autrement dit le puits de carbone terrestre) a augmenté sur la période 1998-2012, pendant laquelle le climat a connu un lent réchauffement. Le triplement de cette valeur par rapport à la période précédente (1980–1998) reste mal compris. Cette intensification du puits ne peut être expliquée ni par la seule fertilisation associée à l'augmentation du CO2 atmosphérique, ni par le seul changement climatique.
Dans Nature Geoscience [3], une équipe internationale à laquelle est associé le LSCE démontre par modélisation que l'évolution de l'usage des sols est la principale cause du phénomène. Elle l'explique par un reboisement dans les régions tempérées de l'hémisphère Nord, ainsi que par des pertes moindres de surfaces de forêts tropicales.
Les estimations par modélisation inverse des données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) atmosphériques corroborent ce scénario. Un autre modèle ne reproduit cependant pas cette augmentation du puits de carbone, vraisemblablement parce qu'il ne prend pas en compte la réduction de la déforestation tropicale.

Ces études démontrent l'importance de mieux quantifier les changements des émissions de carbone dus aux usages des sols pour mieux comprendre l'évolution récente du puits de carbone terrestre.

Références:
​[1] Sensitivity of atmospheric CO2 growth rate (La rate (en grec ancien σπλήν (splēn), en latin lien, d'où les adjectifs splénique et liénal) est un organe fragile, profond, situé dans l'hypochondre...) to observed changes in terrestrial water storage. Nature, 30/8/2018.
[2] Increased water-use efficiency and reduced CO2 uptake by plants during droughts at a continental scale. Nature Geoscience, 27/8/2018.
[3] Lower land-use emissions responsible for increased net land carbon sink during the slow warming period, Nature Geoscience, 20/8/2018: https://www.nature.com/articles/s41561-018-0204-7
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