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Représentation et analyse des interactions entre le climat, le carbone et l’azote dans les régions de pergélisol dans le modèle du système Terre de l’IPSL

Year: 2024
Type: dissertation
Abstract: Le pergélisol, présent dans les régions froides du globe, contient de grandes quantités de carbone organique. Ces réservoirs de carbone sont menacés par le fort réchauffement des régions arctiques, qui provoque le dégel du pergélisol et expose la matière organique précédemment gelée à la décomposition. Les émissions de CO₂ et de CH₄ qui en résultent amplifient le réchauffement climatique par un processus appelé rétroaction carbone-climat du pergélisol, avec des conséquences sur les budgets carbone et les trajectoires de réduction des émissions. Toutefois, l’échéance et l’amplitude de cette rétroaction restent très incertaines. En effet, la dynamique future du cycle du carbone du pergélisol n’a été évaluée qu’à l’aide de modèles de surface continentale (LSM) ou de modèles de complexité intermédiaire, avec des réponses contrastées. Parmi les modèles de la sixième phase du projet d’intercomparaison de mod- èles couplés (CMIP6), lancé en 2014 afin de mieux comprendre les réponses du système climatique aux forçages anthropiques, seuls deux modèles du système Terre (ESM) partageant la même composante de surface continentale incluent le carbone du pergélisol. Cette thèse apporte un nouvel éclairage en incorporant les mécanismes du pergélisol dans un autre ESM. Dans le cadre de ma thèse, j’ai développé un nouveau modèle du système Terre, appelé IPSL-Perm-LandN, basé sur les processus physiques et biogéochimiques du pergélisol initialement développés à l’Institut Pierre-Simon Laplace (IPSL) au début des années 2010. J’y ai incorporé de nouveaux processus, tels que l’isolation du sol par les plantes couvre-sol, dans une version du modèle de surface continentale qui comprenait déjà une représenta- tion explicite du cycle de l’azote continental. Dans un premier temps, afin d’améliorer le réalisme de la représentation du climat arctique, il est démontré que la chaleur latente associée au changement de phase de l’eau du sol et l’isolation du sol par le carbone organique et une couche organique de surface (mousses, lichens, litière) influencent fortement la température de l’air en surface et la fraction des pré- cipitations sous forme de neige. Leur inclusion dans le modèle conduit à une amélioration du climat des hautes latitudes et de la thermique du pergélisol, en cohérence avec les observations et les produits satel- litaires. IPSL-Perm-LandN est évalué par rapport à des observations et à des produits basés sur des données sur la période historique (1850-2014) et simule des stocks de carbone du sol dans le pergélisol beaucoup plus importants que la version précédente de l’ESM de l’IPSL. La région de pergélisol s’avère être un puits de carbone au cours des dernières décennies, avec un flux net de carbone entre la surface et l’atmosphère cohérent avec les mesures de flux. Dans le futur, lorsque la concentration atmosphérique de CO₂ augmente, la région de pergélisol reste un puits de carbone dans IPSL-Perm-LandN malgré les pertes importantes de carbone du sol causées par le dégel du pergélisol, en raison des rétroactions néga- tives contrebalançant ces pertes. En particulier, l’augmentation de la disponibilité de l’azote à la suite du dégel du pergélisol réduit la limitation en azote de la végétation et augmente donc l’absorption du carbone par la biosphère terrestre, bien que cet effet soit probablement surestimé. Enfin, le modèle simule des changements irréversibles du carbone continental et océanique dans le cadre de trajectoires d’overshoot des émissions de CO₂. Dans les scénarios de forte atténuation, les surfaces continentales et les océans se transforment en sources de carbone, ce qui neutralise en partie les efforts d’atténuation et souligne la nécessité de maintenir les overshoots en température à un niveau aussi bas que possible.
Language: English
Open Access status: green
OpenAlex ID: W7079213553
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