Extrait de la Lettre n°11 du Programme International Géosphère Biosphère-Programme Mondial de Recherches sur le Climat (PIGB-PMRC)

1 - ^{Simulation de l'évolution de la concentration du CO2 atmosphérique et de la température de surface moyenne du globe de 1860 à 2050 par le modèle couplé Climat-Carbone de l'IPSL.}

2 - Simulation à l’aide du modèle couplé Climat-Carbone de l’IPSL de l’influence du changement climatique (dû aux rejets anthropiques du CO2) sur les puits de carbone liés à la biosphère continentale (gC/m2/yr).

3 - Changement de température et précipitation entre 1850 et 2050, simulé à l’aide du modèle couplé Climat - Carbone de l’IPSL.

4 - ^{Simulation à l'aide du modèle couplé Climat-Carbone de l'IPSL}

Depuis plus d'un siècle, la concentration en CO₂ atmosphérique mesurée a augmenté de 25 %, passant de 280 ppm en 1860 à 360 ppm de nos jours. Cette augmentation serait environ deux fois plus forte si tout le CO₂ émis par les activités humaines restait dans l'atmosphère ; environ la moitié de ce CO₂ émis est captée par la biosphère et par l'océan. Comment réagissent ces puits à un changement climatique?

Le cycle du carbone
Le cycle du carbone peut être très grossièrement schématisé comme suit : le carbone atmosphérique fixé par la biosphère ou par l'océan est relâché dans l'atmosphère quelques heures ou plusieurs millénaires plus tard selon les processus mis en jeu. Ainsi, en situation de quasi-équilibre, il y a environ autant de carbone fixé que relâché. Sur des constantes de temps de quelques siècles, et sans changement climatique notable, on observe effectivement une concentration de CO₂ à peu près constante, donc des puits océaniques et biosphériques (biosphère continentale) globalement nuls. Les processus qui régissent la fixation et le relâchement du carbone dépendant du climat, une variation de celui-ci entraînera une modification de la concentration de quasi-équilibre de CO2 . Sur des constantes de temps de plusieurs milliers d'années, les paléodonnées issues des carottes de glace nous montrent que la dépendance de la concentration de CO2 avec la température moyenne du globe est d'environ 20 ppm/°C.

Aujourd'hui, l'accroissement du CO₂ atmosphérique favorise la fixation du carbone par les plantes et l'océan (effet de fertilisation biosphérique et augmentation de l'échange diffusif air-mer). Ce carbone fixé étant relâché dans l'atmosphère avec un certain délai (nous nous intéressons ici aux périodes allant de l'année à quelques siècles), l'accroissement rapide de CO₂ entretient une augmentation du flux net de carbone stocké par la biosphère et l'océan. Les puits de carbone tant biosphérique qu’océanique ont ainsi tendance à croître, ce qui explique que seule environ la moitié du CO₂, relâché actuellement par l'homme dans l'atmosphère, y reste.

Des études récentes ont montré que le changement climatique résultant de l'accroissement du CO₂ pourrait réduire de façon significative l’efficacité de ces puits de CO₂, et donc pourrait introduire un effet amplificateur (c’est à dire une rétroaction positive) entre climat et cycle du carbone.

Modélisation couplée Climat-Carbone
Le couplage Climat-Carbone à l'échelle globale a déjà été abordé à l'aide de modèles en boiîe ou de modèles quasi-bidimensionnels simplifiés, notamment pour étudier les transitions entre périodes glaciaires et interglaciaires. A l'IPSL, nous avons abordé cette question en couplant des modèles tridimensionnels du climat et du cycle du carbone, et en nous intéressant aux changements futurs liés aux activités humaines.

Le modèle climatique est le modèle couplé atmosphère-océan IPSL-CM2. Il a été développé et mis au point par des équipes du LSCE, du LMD et du LODYC. Il est composé du modèle de circulation générale atmosphérique LMD-5.3 et du modèle de circulation générale océanique OPA7, ces deux modèles étant interfacés via le coupleur OASIS développé au CERFACS.

Les modèles du cycle du carbone du LSCE sont CASA/SLAVE pour la partie biosphérique (terme qui se réfère à la biosphère continentale) et HAMOCC3 pour la partie biogéochimie marine. L’encart présente l’intercomparaison de 9 modèles, dont celui de l’IPSL, qui estiment la localisation des puits marins de CO2 anthropique en fonction de la latitude. Ces deux modèles sont forcés à partir de valeurs moyennes mensuelles de variables climatiques :

• le flux solaire,
• la température et la précipitation pour la biosphère,
• les flux de surface,
• les champs tridimensionnels de température, salinité, vitesse et diffusion verticale pour le modèle de biogéochimie océanique.

La concentration de l'atmosphère en CO₂ est uniforme sur le globe et évolue une fois par an en fonction du bilan entre les sources anthropiques éventuelles et les puits biosphériques et océaniques.

La concentration en CO₂ pour l'année t+1 est calculée par :

CO₂^t+1 = CO₂^t + (ANT^t - BIO^t - OCN^t)/2.12

où ANT^t est le flux annuel de CO₂ d'origine anthropique (lié à la combustion d'énergie fossile et à la déforestation), BIO^t et OCN^t sont respectivement les flux nets annuels échanges entre l'atmosphère et la biosphère et entre l'atmosphère et l'océan, avec CO₂^t=0 = 286 ppm.

Souhaitant nous concentrer sur l'étude du couplage entre le climat et le cycle du carbone, le CO₂ est le seul gaz à effet de serre considéré, et, pour la même raison, les effets climatiques des aérosols ne sont pas pris en compte. En ce qui concerne les sources de CO2 anthropique, nous prenons en compte les émissions liées à la combustion d'énergie fossile ainsi que celles liées à une modification de l'utilisation des sols. Par contre plusieurs phénomènes potentiellement importants n'ont pas été considérés vu leur très fortes incertitudes : modification de la répartition géographique des différents types de végétations (due à l'homme ou à la migration des espèces), effet de fertilisation biosphérique additionnel dû à d'autres composants que le CO₂ ...

Evolution récente
Une simulation de contrôle, sans émission anthropique de CO2, nous a permis de vérifier la stabilité du modèle, l'absence de dérive aussi bien du climat que du CO2 pendant les 200 années de simulation. En parallèle, une simulation de l'évolution du climat et du CO₂ atmosphérique de 1860 à 2100 nous a permis de confronter nos résultats aux observations pour la période historique (1860-2000) et de simuler l'évolution future du climat et du cycle du carbone au XXIème siècle (Figure 1). Pour cette simulation, les émissions de CO₂ utilisées sont fournies par le groupe GIEC, (observations pour la période historique et scénario SRES-A2 pour le XXIème siècle).

La simulation reproduit très correctement l'évolution observée de la température moyenne du globe et de la concentration de l'atmosphère en CO₂. Le réchauffement simulé par le modèle est toutefois plus élevé que celui observé, très probablement du fait de la non prise en compte des aérosols. La variabilité interannuelle du CO₂ atmosphérique est bien reproduite et elle provient principalement des puits biosphériques. Ces puits sont principalement situés dans les régions tropicales, et sont très corrélés à l'oscillation australe ENSO. Nous avons pu vérifier de façon indépendante que les variations climatiques sur les continents associées à l'oscillation de type ENSO reproduisaient bien les observations actuelles, et que le modèle biosphérique reproduisait correctement la dépendance du puits de carbone à ces perturbations climatiques (voir “Sources et puits de carbone : leur variabilité interannuelle”). A l'échelle de temps de la décennie, la variabilité de la biosphère domine encore légèrement, mais celle de l'océan n'est plus négligeable.

Parmi les diagnostics réalisés, nous en présentons ici quelques uns, très globaux, qui nous semblent illustrer la capacité de notre modèle à reproduire l'évolution du climat sur les 150 dernières années, aussi bien en termes de tendance que de variabilité inter-annuelle, et ainsi donner quelque crédibilité à l'étude des évolutions possibles dans le futur.

Evolution future

Evolution des puits de CO₂
L'évolution future du CO₂ est simulée en utilisant le scénario SRES-A2. Les résultats que nous montrons ici vont jusqu'à l'année 2100 (Figure 1). L'augmentation simulée du CO₂ atmosphérique est proche, quoique légèrement plus faible, de celle calculée pour le GIEC avec le modèle simplifié de Bern (en 2100, nous avons 770 ppmv par rapport à 820 pour Bern). Cet écart est dû au puits biosphérique, plus important dans notre simulation (en 2050, 4GtC/an par rapport à 3 ), les puits océaniques étant très proches (en 2050, 5.5 GtC/an par rapport à 5.4). On constate également une saturation claire du puits biosphérique : à partir de 2040-2050 et jusqu'en 2100 il sature à peine plus de 4GtC/an. La variation géographique de ces puits biosphériques est illustrée Figure 2. On remarque (Figure 2a) une augmentation générale des puits dans les régions couvertes de végétation, à l'exception notable de l'Amazonie où le puits baisse significativement. Nous y reviendrons plus loin.

Evolution du climat
Comme nous considérons ici le CO₂ comme seul gaz à effet de serre, le forçage radiatif est environ 40 % plus faible que si tous les gaz étaient pris en compte. Nous obtenons bien que l'augmentation de la température moyenne du globe de notre simulation est sensiblement plus faible que la moyenne des simulations réalisées avec le scénario IS92A. Nous retrouvons les résultats considérés maintenant comme classiques (Figure 3):

• augmentation de la température de surface plus fortes aux hautes latitudes qu'aux basses, plus fortes sur les continents et la glace de mer que sur les océans... ;
• les précipitations augmentent dans les régions équatoriales et aux moyennes et hautes latitudes tandis qu'elles augmentent peu, ou même diminuent , dans les régions subtropicales.

Comme autre changement climatique significatif signalons la décroissance du volume de la glace de mer en Arctique de 35% en 2050, une telle décroissance ne se retrouvant pas en Antarctique.

Impact du changement climatique sur le cycle du carbone
Les simulations ci-dessus ont été réalisées en couplant le modèle climatique aux modèles de carbone. Les modèles de carbone dépendent du climat, le climat dépendant lui-même du CO₂ atmosphérique et donc des modèles de carbone. Pour estimer l'effet de ce couplage, nous avons réalisé une simulation avec émissions anthropiques de CO₂ dans laquelle les modèles de carbone sont forcés par un "climat constant", c’est-à-dire un climat non perturbé par les émissions anthropique de CO₂ (dans la pratique on prend le climat de la simulation de contrôle évoquée précédemment). Les résultats de ces simulations sont portés sur la figure 4. On peut remarquer (Figure 4a) que, dans le cas “climat constant”, le taux de CO₂ atmosphérique est plus faible que dans le cas couplé, c’est-à-dire que les puits naturels sont plus élevés. A l'horizon 2050, le puits océanique est peu modifié (Figure 4c) alors que le puits biosphérique est nettement plus important (Figure 4b). Lorsque l'on ne tient pas compte du changement climatique du à l'accroissement de CO2 , le puits biosphérique augmente dans toutes les régions couvertes de végétation, sans exception (Figure 2b) : c'est l'effet de fertilisation du CO₂ . La prise en compte du changement climatique réduit le puits biosphérique principalement dans les régions équatoriales et tropicales d'Afrique et d'Amérique, alors qu'il a plutôt tendance à augmenter dans les hautes latitudes (Figure 2c). Dans les basses latitudes, la croissance des plantes est principalement limitée par la disponibilité en eau. La réduction du puits biosphérique dans ces régions provient principalement d'une contrainte hydrique plus forte due à une augmentation de l'évaporation. Aux hautes latitudes la croissance des plantes est principalement limitée par la température; son augmentation leur permet au contraire un meilleur développement.

Dans les régions tropicales, l'effet climatique dû à l'accroissement de CO₂ peut réduire très fortement les puits biosphériques et annuler, voire dépasser, l'effet de fertilisation des plantes dû à l'augmentation du CO2 atmosphérique. Ceci explique pourquoi, dans la simulation scénario couplée Climat-Carbone, le puits biosphérique soit augmente peu, soit diminue dans certaines régions d'Afrique et d'Amérique équatoriale (Figure 2, pages couleur) Cela explique également la saturation du puits biosphérique à partir des années 2040-2050 : l'effet climatique néfaste aux écosystèmes tropicaux est tellement large qu'il compense globalement l'augmentation du puits liée à l'augmentation du CO2 atmosphérique.

Biosphère et océan se renvoient le carbone
En ce qui concerne l'absence de changement notable du puits de carbone océanique, nous avons pu mettre en évidence que c'est le résultat de deux perturbations qui se compensent. Le changement climatique diminue sensiblement le puits océanique, pour un taux de CO2 atmosphérique donné. Mais nous venons de voir que le puits biosphérique se réduit assez fortement du fait du changement climatique, entraînant une augmentation du CO₂ atmosphérique. Cette augmentation accroît les flux de CO₂ de l'atmosphère vers l'océan, et donc accroît le puits océanique. Et il se trouve qu'à l'horizon 2050, ces deux effets se compensent presque totalement. Mais l'océan sommeille pour probablement mieux se réveiller ensuite... En effet, un autre jeu de simulations réalisé avec les mêmes modèles, mais dans lequel les modèles climatiques et de carbone n'étaient pas directement couplés, révèlent qu'au delà d'un doublement du CO₂ par rapport à l'époque pré-industrielle, le changement climatique diminue assez fortement le puits de carbone océanique. Lorsque la concentration atteint 4 fois la valeur pré-industrielle, le changement climatique diminue le puits océanique de 35% et le puits biosphérique de 55%. De fait, le puits océanique simulé ici semble effectivement commencer à saturer vers la fin de la simulation (années 2090-2100).

Une inconnue à long terme
Pour étudier l'évolution future du climat sous l'effet des émissions anthropiques des gaz à effet de serre, la démarche usuelle, telle celle utilisée par le GIEC/IPCC, est la suivante :

• estimation des émissions à partir de différents scénario d'émission,
• calcul de l'évolution des puits naturels et de la concentration de l'atmosphère en CO₂,
• calcul de l'évolution du climat correspondant.

Dans une telle démarche, on néglige la dépendance des puits de CO₂ , et donc du CO₂ atmosphérique, vis-à-vis du climat. A l'horizon 2100, le CO₂ atmosphérique est environ 20% plus élevé si l'on tient compte de ce couplage que si l'on n’en tient pas compte. Cet accroissement supplémentaire de CO₂ induit un accroissement du changement climatique également d'environ 20%. Nous avons pu montrer à partir de simulations complémentaires dans lesquelles le climat et le cycle du carbone n'étaient pas directement couplés, que cet effet de couplage devrait continuer à croître et atteindre 20 à 25% en cas de quadruplement du CO₂ . Cet impact du changement climatique sur le cycle du carbone n'est pas du tout uniformément réparti sur le globe. Si les régions des hautes latitudes voient leur puits de carbone s’accroître, celui-ci diminue dans toutes les régions équatoriales et tropicales.

Dans cette étude, nous avons volontairement négligé de nombreux phénomènes, dont la migration des espèces végétales. La seule autre simulation couplée climat-carbone qui utilise des modèles de circulation générale, réalisée par le Hadley Center, prend en compte ce phénomène et aboutit à des résultats beaucoup plus marqués que les nôtres. Si de nombreuses incertitudes demeurent, il est toutefois clair que dès à présent, on ne peut négliger l'impact que le changement climatique aura sur l'évolution à long terme des puits naturels de carbone.

Encart : The Ocean Carbon-Cycle Model Intercomparison Project (OCMIP, coordination IPSL/LSCE) (Patrick Montfray)

Contacts :
Jean-Louis Dufresne
LMD -UMR 8359 ,
(CNRS - Ecole Polytechnique - ENS, et Univ. )
Ecole Polytechnique
91128 Palaiseau cedex
dufresne@lmd.jussieu.fr

Pierre Friedlingstein
LSCE - UMR 1572 (CEA-CNRS)
CE Saclay Bât. 709
91191 Gif sur Yvette
pierre@lsce.saclay.cea.fr