Puits de carbone

Laurent Bopp

Directeur de Recherche au CNRS

Professeur A9aché à l’Ecole Normale Supérieure 22 Mai 2019

Climat et CO ₂

Puits de carbone

RétroacGon climat-carbone

IntroducGon : 400 ppmv de CO ₂ dans l’atmosphère

La courbe de Keeling (h9ps://scripps.ucsd.edu/programs/keelingcurve/)

Atm. CO

at Mauna Loa

(since 1958)

IntroducGon : CO ₂ et Changement ClimaGque

Aerosols, Land-Use, …

Natural (Volcanic, Solar) Total anthr.

IPCC, 2013

Le CO

est le premier

facteur expliquant le

réchauffement des

derniers 250 ans

IntroducGon : CO ₂ et acidificaGon de l’océan

IPCC, 2013

Le CO

est aussi responsable de

l’acidificaGon de l’océan

IPCC, 2013

IntroducGon : CO ₂ atmosphérique et cycle du carbone

GIEC, 2013 - h9p://www.ipcc.ch/report/ar5/wg1/

IntroducGon

Bilan du Carbone au cours des derniers 50 ans

Les puits de carbone (océan, biosphère terrestre)

La rétroacGon climat-carbone au 21

siècle

CombusGbles Fossiles et ProducGon de Ciment

Source: CDIAC; Le Quéré et al 2016 ; Global Carbon Budget 2016

Le cycle du Carbone : les émissions anthropiques

Source: CDIAC; Le Quéré et al 2016 ; Global Carbon Budget 2016

CombusGbles Fossiles et ProducGon de Ciment

Le cycle du Carbone : les émissions anthropiques

Source: CDIAC; Le Quéré et al 2016 ; Global Carbon Budget 2016

CombusGbles Fossiles et ProducGon de Ciment

Le cycle du Carbone : les émissions anthropiques

Source: CDIAC; Le Quéré et al 2016 ; Global Carbon Budget 2016

CombusGbles Fossiles et ProducGon de Ciment

Le cycle du Carbone : les émissions anthropiques

Bilan de Carbone : les émissions

Global Carbon Atlas , h9p://www.globalcarbonatlas.org

Bilan de Carbone : les émissions

Global Carbon Atlas , h9p://www.globalcarbonatlas.org

Bilan de Carbone : les émissions

Global Carbon Atlas , h9p://www.globalcarbonatlas.org

Bilan de Carbone : les émissions

Global Carbon Atlas , h9p://www.globalcarbonatlas.org

Bilan de Carbone – les derniers 50 ans : l’atmosphère

CO

at Mauna Loa (since 1958)

(Scripps, NOAA, 2015)

Taux de Croissance du CO

Bilan de Carbone : l’atmosphère

h9p://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/globalview/

Total CO

emissions

Atmosphere

CO 2 P ar titi on in g (P gC y

)

1960 1970 1980 1990 2000 2010

10 8 6 4 2

Seulement la moiGé des émissions s’accumule dans l’atmosphère

Bilan de Carbone : émissions vs. croissance atm.

Emissions Atm. CO

+ +

+

Land :

FerGlisaGon

….

Ocean : DissoluGon

de l’excès de CO

Emissions = Δ CO ₂ – F_ocean – F_land

Bilan de Carbone : les puits de carbone !

①   Moyenne Décennale :

à Combinaison d’observaGons

(atm. O

, atm. δ

C, ocean CFCs, ocean pCO

…)

Bilan de Carbone : Pour fermer le bilan

ATMOSPHERE"

CO₂ O₂

2000 1980

1960

Emissions = ΔCO

– F_ocean – F_land -α. Emissions = ΔO

– β . F_land

EvoluGon de l’oxygène atm.

IPCC, 2013

①   Moyenne Décennale :

à Combinaison d’observaGons

(atm. O

, atm. δ

C, ocean CFCs, ocean pCO

…)

Bilan de Carbone : Pour fermer le bilan

2000 1980

1960

Emissions = ΔCO

– F_ocean – F_land -α. Emissions = ΔO

– β . F_land

EvoluGon de l’oxygène atm.

IPCC, 2013

①   Moyenne Décennale :

à Combinaison d’observaGons

(atm. O

, atm. δ

C, ocean CFCs, ocean pCO

…)

Bilan de Carbone : Pour fermer le bilan

CO₂ (ppm)

354 358 362 366 370 374 378

-300 -280 -260 -240 -220 -200 -180 -160 -140 -120 -100

July 1991

July 1998 Jan. 1999

July 1999

B.

A.

FF Combustion

Observations

OCEAN

CONTINENT

Pour 2008-2017

①   Moyenne Décennale :

à Combinaison d’observaGons

(atm. O

, atm. δ

C, ocean CFCs, ocean pCO

…)

Bilan de Carbone : Pour fermer le bilan

Global Carbon Budget : h9p://www.globalcarbonproject.org/carbonbudget/

①   Moyenne Décennale

②   Variabilité Interannuelle

à UGlisaGon de modèles océaniques du cycle du carbone

Ocean General CirculaGon Model + Ocean Carbon Cycle

NEMO-PISCES Model (Aumont and Bopp, 2006) Forced by atm. reanalysis and historical atm. CO

Source

Sink

Bilan de Carbone : Pour fermer le bilan

this carbon budget individual ocean models data products

Simulated

Ocean Carbon Sink

①   Moyenne Décennale

②   Variabilité Interannuelle

à UGlisaGon de modèles océaniques du cycle du carbone

Bilan de Carbone : Pour fermer le bilan

Sources

Puits

Bilan de Carbone : Pour fermer le bilan

Les Puits de Carbone : ConGnental

ConGnental & Océanique

27

Les Puits de Carbone : ConGnental

DistribuGon Régionale des Flux de Carbone Net (NEE)

Méthode : Inversions Atmosphériques des flux de CO

- en uGlisant les données atm. et un modèle de transport.

Les Puits de Carbone : ConGnental

(h9p://macc.copernicus-atmosphere.eu)

Les Puits de Carbone : ConGnental

IPCC, 2013

Les Puits de Carbone : ConGnental

ProducGon Primaire Brute (gC/m2/an)

Beer et al. Science 2010

Méthode :

Données de « tour à flux » - www.fluxdata.org

RelaGons staGsGques avec météo, type de vegetaGon, données satellites.

Biome Area (millions km²) Total C pool (GtC) Total GPP (Gt C/an)

Forêts tropicales 17.5 340 40.8

Forêts tempérées 10.4 139 9.9

Forêts boréales 13.7 57 8.3

Savannes tropicales 27.6 79 31.3

Prairies tempérées 17.8 6 8.5

Déserts 27.7 10 6.4

Tundra 5.6 2 1.6

Cultures 13.5 4 14.8

Glace 15.5

Total 149.3 654 PgC 121.6 PgC/yr

Les Puits de Carbone : ConGnental

ProducGon Primaire Brute (gC/m2/an) et Stock de Carbone

32

•  FerGlisaGon par le CO

•  Dépôts d’azote anthropique

•   Variabilité ClimaGque

•  Changement d’uGlisaGon des sols

Les Puits de Carbone : ConGnental

Mécanismes Responsables du Puits de Carbone

•  FerGlisaGon par le CO

Les Puits de Carbone : ConGnental

Mécanismes Responsables du Puits de Carbone

FACE Experiments

Les Puits de Carbone : Océanique

Cours Thèse – ED 129 – 2010 – L. Bopp

35

Carbon Sink

Carbon Source Données

(Takahashi et al. 2009)

Un cycle naturel très dynamique : Puits et Sources

Les Puits de Carbone : Océanique

(Base de données SOCAT (18.6 millions data) : h9p://www.socat.info/about.html)

Méthode :

-  Base de données de pCO

-  RelaGon entre F

et Δ pCO

F

= k(w, SST, …) ΔpCO

Cours Thèse – ED 129 – 2010 – L. Bopp

36

Les Puits de Carbone : Océanique

La perturbaGon Anthropique

(Pacific)

(AtlanGc) (Méthode pour

esGmer le carbone

anthropique)

h9p://cdiac.ornl.gov/oceans/glodap/

Carbone Anthropique dans l’océan (2010) : 155 PgC

Les Puits de Carbone : Océanique

La perturbaGon Anthropique

Processus Responsables du Puits Anthropique de Carbone dans l’océan

« Despite the importance of biological processes for the ocean’s natural cycle, current thinking maintains that the oceanic uptake of

anthropogenic CO2 is primarily a physically and chemically controlled process surimposed on a biogically driven carbon cycle that is close to steady state » (IPCC, 2001)

Les Puits de Carbone : Océanique

La perturbaGon Anthropique

39

L’absorption de carbone anthropique est limitée :

à par la chimie des carbonates dans l’eau de mer (effet tampon)

Facteur de Revelle:

R = (dpCO

/dDIC)/(pCO

/DIC)

(DIC = CO2 + HCO3 + CO3)

Les Puits de Carbone : Océanique

Donne une esGmaGon de la quanGté de carbone qui peut être absorbée dans la couche de surface

(Revelle et Suess, 1957)

CO

+ CO

+ H

O à 2 HCO

40

Subduction of C

controlled by a subtle interaction of ocean

properties

(MLD, currents, winds and eddies) (e.g. Sallée et al. for the SO)

L’absorption de carbone anthropique est limitée :

à par la chimie des carbonates dans l’eau de mer (effet tampon) à par la vitesse avec laquelle ce carbone est transporté dans les

couches profondes

Les Puits de Carbone : Océanique

Emissions Atm. CO

+ +

+

Land :

FerGlizaGon Ocean : DissoluGon of excess CO

La rétroacGon climat-carbone : principe

Emissions

+ +

+ +

Climate Change Atm. CO

Land :

FerGlizaGon Ocean : DissoluGon of excess CO

La rétroacGon climat-carbone : principe

Cycles Glaciaires – Interglaciaires : couplage entre climat et CO

Siegenthaler et al.

Science 2005

à Des échanges avec l’océan

La rétroacGon climat-carbone : dans le passé ?

Taux de Croissance du CO 2 (PgC/y)

Variabilité Interannuelle : CO2 atmospherique et ENSO

Wang et al. PNAS 2013 à ENSO, Echanges avec la biosphère terrestre

La rétroacGon climat-carbone : dans le passé ?

Emissions

-5 5 15 25

2000 2040 2090

CO

PgC/y

Business as usual

High MiGgaGon

First Step : Socio-Economic scenarios of future emissions

Moss et al. 2010

La rétroacGon climat-carbone : esGmaGon ?

Modèles de Climat et modèles

du Cycle du Carbone

Ocean et Land

La rétroacGon climat-carbone : esGmaGon ?

Surface Temperature Anomalies

Stocks de Carbone Stock de Carbone

Videos : P. Brockman, LSCE

Une simulaGon climat-carbone avec le modèle IPSL (RCP8.5, 21st century)

La rétroacGon climat-carbone : esGmaGon ?

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Atmospheric CO concentration (p.p.m.v.)2 Year

18500 200 400 600 800 1,000 a

1900 1050 2000 2050 2100

Year

Mean temperature at 1.5 m (K)

2751850 280 285 290 295 b

1900 1050 Global

Land

2000 2050 2100

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Atmospheric CO concentration (p.p.m.v.)2 Year –2001850 –100 400 100 –200 –300 –400 a

1900 1050 2000 2050 2100

Year

Change in soil carbon (Gt C)

–2001850 –100 400 100 –200 –300 –400 b

1900 1050 2000 2050 2100

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© 2000 Macmillan Magazines Ltd

La première simulation couplée climat-carbone: Cox et al. Nature 2000

Emissions CO

Climate Sinks

Emissions CO

Climate Sinks

Rétroaction Positive !

Le changement climatique entraine un retrait important de la forêt amazonienne et à un relargage massif de carbone du sol …

La rétroaction induit un CO2 additionel de 200 ppm en 2100 !

Only One Model : HadCM3

Découplé Couplé

La rétroacGon climat-carbone : esGmaGon ?

Emissions

+ +

+ +

Climate Change Atm. CO

Land :

FerGlisaGon Réchauffement des sols

AugmentaGon de l’aridité

Ocean : DissoluGon

de l’excess de CO

DiminuGon de la solubilité StraGficaGon de l’océan

EvoluGon couplée du climat et du cycle du carbone

-

-

IPCC AR4

Le réchauffement tend à réduire l’efficacité des puits de carbone, ce qui augmente la part des émissions qui s’accumulent dans l’atmosphère, amplifie le réchauffement, etc… Une rétroacGno posiGve !

Les incerGtudes liées à ce9e rétroacGon sont importantes

+20 to +220 ppm / +0.2 to +1.5°C en 2100 pour un scénario pessimiste

Coupled

Température (°C)

IPCC, AR4, 2007

~10 models

EvoluGon couplée du climat et du cycle du carbone

Quelques Conclusions

Projections climatiques : prevoir l’évolution des puits est indispensable Les modèles projettent une rétroaction climat-carbone positive

Mais plusieurs processus sont pas / mal représentés

(permafrost, some nutrient limitation, land-use and managment, …)

(ocena eddies, coastal zones, ….)

Conclusions et Implications

Emissions et Réchauffement

Conclusions et Implications

Emissions et Warming

Implication:

attenuation

< 2°C

Only for cumulated

emissions of less

than 2900 PgCO

Conclusions et Implications

Back to Emissions !

To keep global warming under 2°C:

ReducGon of emissions by 40% to 70% in 2050 (vs. 2010)

Zero emissions before the end of the century….

ProjecGons Futures : sur du plus long terme…

Une rétroaction climat-carbone positive Et sur le plus long terme….

Le CO

, un gaz à (très) longue durée de vie…. (IPCC, 2013)

Cycle du Carbone et Echelles de temps

IPCC, 2001

1950 à 2000

Cenozoic (Last 25 Ma)

Phanerozoic (500 Ma) Last 1200 yrs

Holocene (12 ka)

Glacial Cycles (400 ka)