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Le climat à découvert

 | 
Catherine Jeandel
, 
Rémy Mosseri

Cinquième partie. La modélisation du climat

10. Modélisation du cycle du carbone et des interactions climat-carbone

Laurent Bopp et Patricia Cadule

Texte intégral

Diversité des modèles de carbone

1La modélisation du cycle du carbone a pour principal objectif de quantifier les échanges de carbone entre les différents réservoirs impliqués dans ce cycle planétaire et leurs variations au cours du temps (cf. II-11). Cette modélisation recouvre plusieurs problématiques différentes. Il s’agit d’une part de comprendre les causes des variations passées de la pression partielle du CO2 dans l’atmosphère pour différentes échelles temps (cf. II-14), et d’autre part d’estimer l’évolution de cette pression partielle en réponse aux émissions anthropiques de carbone au cours des prochaines décennies et siècles (cf. VI-6). Les modèles développés et utilisés pour répondre à ces problématiques variées sont conceptuellement très différents et dépendent fortement de l’échelle de temps abordée.

2Ainsi, pour étudier les variations du CO2 atmosphérique au cours des derniers 600 millions d’années, les modèles mis en place tiennent compte des flux de carbone liés aux processus d’altération des roches, du métamorphisme et du volcanisme. Mais ils ne représentent pas explicitement les échanges entre océan, biosphère* et atmosphère et sont spatialement très peu détaillés afin de pouvoir intégrer de longues périodes de temps. Sur des échelles de temps bien plus courtes (de l’année aux milliers d’années), les modèles s’attachent à détailler les processus du cycle du carbone dans l’océan et la biosphère* terrestre, et les échanges avec l’atmosphère. Mais ils ne représentent pas la variabilité des flux liés aux processus géologiques (altération, volcanisme…) ; ils sont bien plus détaillés spatialement que les précédents.

Des interactions climat-carbone

3Plusieurs observations ont mis en évidence un lien fort entre la variabilité du climat et le CO2 atmosphérique. Le CO2 contribue à l’effet de serre et donc modifie le bilan énergétique de notre planète. En retour, le climat contrôle le stockage de carbone dans les différents réservoirs et donc influence le CO2 atmosphérique. Les variations de sa teneur, de l’ordre de 100 ppm* entre période glaciaire et période interglaciaire par exemple, sont expliquées par la réponse du cycle du carbone océanique aux variations climatiques (et en particulier par la réponse aux changements de la température et à la circulation océanique). Sur des échelles de temps plus courtes, les variations interannuelles du taux de croissance du CO2 dans l’atmosphère, entre 0,5 et 3 ppm par an selon les années, sont liées à la variabilité climatique* interannuelle : les années El Niño* sont marquées par un fort déstockage du carbone de la biosphère* terrestre lié aux conditions climatiques particulières de ces années-là. Ces deux échelles de temps illustrent les liens forts entre système climatique* et cycle du carbone. Pour les prochaines décennies, l’évolution du CO2 dans l’atmosphère dépendra non seulement de l’évolution des émissions anthropiques, mais aussi de la capacité des réservoirs de carbone à stocker une partie du carbone anthropique et donc de leurs réponses au changement climatique. Cette question de l’interaction entre climat et cycle du carbone a conduit au développement de modèles du cycle du carbone couplés aux modèles climatiques utilisés pour estimer l’évolution du climat en réponse au forçage anthropique.

Modélisation du cycle du carbone sur les continents et dans l’océan

4Pour la biosphère* terrestre, les modèles du cycle du carbone ont été développés à partir des modèles de surface, utilisés dans les modèles de climat et représentant les échanges d’eau et d’énergie entre l’atmosphère et les surfaces continentales. Ils sont en général résolu sur la même grille horizontale que les modèles d’atmosphère et détaillent les échanges de carbone entre l’atmosphère, la biomasse aérienne et les sols en calculant de façon explicite les principaux flux de carbone (figure 1 : photosynthèse, respirations autotrophe et hétérotrophe, etc.). Leur complexité a fortement augmenté ces dernières années et de nombreux processus ont été ajoutés : représentation de différents types de végétaux, prise en compte des surfaces anthropisées, incorporation du cycle de l’azote dans la végétation et les sols, rôle des feux, etc. (cf. II-13).

Fig. 1 – Représentation schématique des principaux compartiments et flux dans les modèles de carbone, pour la biosphère terrestre (modèle ORCHIDÉE*, à gauche) et pour l’océan (modèle NEMO-PISCES, à droite), utilisés dans le modèle système Terre de l’IPS

5Dans l’océan, les modèles du cycle du carbone incorporent les aspects essentiels de ce cycle : les échanges air-mer de CO2, la chimie du carbone inorganique et une représentation simplifiée de l’écosystème océanique (figure 1) et de son rôle dans le transfert de carbone de la surface vers l’océan profond (cf. II-12). L’écosystème est souvent représenté par quelques groupes fonctionnels du phytoplancton et du zooplancton. Sont aussi intégrés les cycles des principaux éléments nutritifs : azote, phosphore, fer et silice. Enfin, ces modèles sont intimement liés aux modèles de circulation générale océanique (GCM) : ils sont résolus sur la même grille tridimensionnelle que les modèles d’océan et utilisent les champs de courants calculés par le modèle de circulation océanique pour le transport des différentes grandeurs concernées (carbone inorganique dissous, éléments nutritifs, cellules phytoplanctoniques…).

6Ces modèles peuvent être utilisés indépendamment des modèles de climat – on peut par exemple forcer les modèles du cycle du carbone continental par des observations de températures et de précipitations pour simuler les variations du puits de carbone continental sur la période historique. Ces modèles ont aussi été intégrés aux modèles de climat pour simuler l’évolution conjointe du climat et du cycle du carbone.

Une rétroaction climat-carbone positive

7Les premières simulations couplées climat-carbone ont été réalisées par les équipes du Hadley Centre et de l’IPSL* au début des années 2000. Elles mettent en évidence l’existence d’une rétroaction positive* entre climat et cycle du carbone : le changement climatique anthropique diminue la capacité des puits naturels, océan et biosphère* terrestre, à absorber le carbone anthropique. Différents mécanismes entrent en jeu. Pour l’océan, l’augmentation des températures entraîne une diminution de la solubilité du CO2 et la stratification verticale empêche la pénétration du carbone anthropique. Pour la biosphère* terrestre, le réchauffement stimule la respiration des bactéries du sol et la dégradation de la matière organique, source de CO2. Les changements de végétation en réponse au changement climatique conduisent également à un déstockage de carbone.

Fig. 2 – Évolution de la température moyenne du globe entre 2000 et 2100 pour le scénario SRES-A2. Cette température est calculée par les modèles climatiques standards de l’IPCC (noir) pour une trajectoire donnée du CO2 atmosphérique, et par les modèles couplés climat-carbone du projet C4MIP* (rouge) qui tiennent compte de la rétroaction positive climat-carbone

8Pour parvenir à quantifier l’importance de cette rétroaction, deux simulations couplées sont nécessaires : dans la première, le modèle est forcé par des émissions de carbone anthropique et calcule conjointement l’évolution du climat et le CO2 atmosphérique. Le CO2 atmosphérique est fonction des émissions anthropiques imposées et des flux de carbone vers les puits naturels, calculés par le modèle. Dans la deuxième simulation, dite « découplée », les mêmes émissions anthropiques de carbone sont utilisées mais les flux de carbone vers les puits naturels sont calculés en supposant que le climat reste à l’état préindustriel. La différence entre ces deux simulations permet de quantifier la rétroaction climat-carbone.

9Un exercice d’intercomparaison de simulations couplées climat-carbone (le projet C4MIP*, pour Coupled Carbon Cycle Climate Model Intercomparison Project) auquel ont participé une dizaine de groupes a permis de confirmer cette rétroaction positive* mais il a mis en évidence la forte incertitude entourant cette rétroaction. La quantité de CO2 atmosphérique additionnelle, résultant de cette rétroaction, varie entre 20 et 200 ppm à la fin du siècle, en fonction du modèle, pour le même scénario d’émissions de carbone anthropique. Pour ce scénario, cette rétroaction pourrait conduire à un réchauffement additionnel de 1,5 °C en 2100 (figure 2).

Du nouveau dans CMIP5…

10Dans le nouvel exercice d’intercomparaison de modèles climatiques, réalisé pour le prochain rapport du GIEC, les simulations couplées climat-carbone prennent une place importante. Elles vont permettre de tenir compte de cette rétroaction dans les projections du changement climatique.

11Une part plus importante sera également dédiée à l’évaluation de ces simulations couplées climat-carbone pour tenter de réduire la forte incertitude associée. Une comparaison fine du CO2 simulé par ces modèles aux observations atmosphériques (distribution spatiale du CO2, cycle saisonnier, variabilité interannuelle…) va permettre de vérifier que ces modèles reproduisent correctement la distribution et la variabilité des puits et sources de carbone au cours de la période historique.

Bibliographie

Références bibliographiques

• P. FRIEDLINGSTEIN, L. BOPP et P. CADULE - « Changement climatique et cycle du carbone », La Météorologie, 2007.

• N. DE NOBLET-DUCOUDRÉ et J.-L. DUPOUEY - « Le rôle ambigu des forêts », La Recherche, 2007.

• M. LÉVY et L. BOPP - « Turbulences dans l’océan », La Recherche, 2007.

Table des illustrations

Légende Fig. 1 – Représentation schématique des principaux compartiments et flux dans les modèles de carbone, pour la biosphère terrestre (modèle ORCHIDÉE*, à gauche) et pour l’océan (modèle NEMO-PISCES, à droite), utilisés dans le modèle système Terre de l’IPS
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11447/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 268k
Légende Fig. 2 – Évolution de la température moyenne du globe entre 2000 et 2100 pour le scénario SRES-A2. Cette température est calculée par les modèles climatiques standards de l’IPCC (noir) pour une trajectoire donnée du CO2 atmosphérique, et par les modèles couplés climat-carbone du projet C4MIP* (rouge) qui tiennent compte de la rétroaction positive climat-carbone
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11447/img-2.jpg
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Auteurs

Océanographe biogéochimiste, Chargé de Recherche au CNRS, LSCE, Gif-sur-Yvette.
laurent.bopp@lsce.ipsl.fr

Climatologue, ingénieur d’Études CNRS, IPSL, Guyancourt.
patricia.cadule@lsce.ipsl.fr

© CNRS Éditions, 2011

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