Introduction aux cycles biogéochimiques : un point de vue atmosphérique

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1 : un point de vue atmosphérique Laboratoire des Sciences du Climat et de l! environnement Université de Versailles Saint Quentin en Yvelines 1

2 Le système climatique Source : IPCC,

3 Eléments chimiques et réservoirs Dissous/particulaire, organique/inorganique 3 U S Geological Survey

4 Plan Composition de l atmosphère actuelle Comment classer les composés atmosphériques? Espèces et Modèles en boîtes des cycles biogéochimiques 4

5 Plan Composition de l atmosphère actuelle Comment classer les composés atmosphériques? Espèces et Modèles en boîtes des cycles biogéochimiques 5

6 Composition actuelle de l atmosphère 6 Source : Dossier l! atmosphère, Pour la Science, ed. Belin, Juin 1996.

7 Principaux constituants atmosphériques. 7 Physico-chimie de l atmosphère, Belin ed., 2005

8 Le cycle global de l eau - Cycle Actif : taux de renouvel. = 11 jours - 2/3 de l! effet de serre naturel - Eau = enjeu majeur du 21e siècle Quantités exprimées en kg d eau 8

9 Temps de résidence de la vapeur d eau dans l atmosphère en fonction de la latitude. Physico-chimie de l atmosphère, Belin ed. Fondamentaux de météorologie, S. Malardel, Cépaduès ed.,

10 EAU et humidité 10

11 Précipitations Fondamentaux de météorologie, S. Malardel, Cépaduès ed.,

12 Cycle du carbone géologique 12

13 750 GtC Le bilan global «naturel» du CO 2 en GtC an -1 (1 GtC = gc) Dégazage 70 ± 20 Absorption 70 ± 20 Erosion Respiration 120 ± 30 Photosynthèse 120 ± GtC 2500 GtC Flux annuels années 1990 Stocks moyens réservoirs Source : IPCC-TAR 13

14 Espèce à longue durée de vie : CH 4 ppb Concentrations de méthane calculées par le modèle de chimie-transport LMDZ-INCA (moyenne annuelle pour 1990). 14

15 Reconstruction du méthane atmosphérique depuis l espace Frankenberg et al.,

16 Distribution d ozone sur la verticale au dessus de la Suisse (ppb) Ozone stratosphérique Ozone troposphérique 16

17 Composés en déséquilibre de mélange Fig. 8 : Unité Dobson. 17

18 NO 2 depuis l espace En Asie En Europe 18

19 Plan Composition de l atmosphère actuelle Comment classer les composés atmosphériques? Espèces et Modèles en boîtes des cycles biogéochimiques 19

20 Distribution verticale des principaux constituants atmosphériques. Physico-chimie de l atmosphère, Belin ed.,

21 Réactivité chimique Variation de l énergie potentielle lors d une réaction chimique. Physico-chimie de l atmosphère, Belin ed.,

22 Temps de vie Evolution de la masse des constituants après leur émission dans l atmosphère. Physico-chimie de l atmosphère, Belin ed. 22

23 Type de sources Représentation schématique des principaux processus affectant la composition chimique de l atmosphère. Physico-chimie de l atmosphère, Belin ed.,

24 Type d échange 24

25 Forçage radiatif 25 IPCC, 2007

26 Toxicité 26 Source : Atmospheric chemistry of the earth, Seinfield, ed. Wiley-interscience, Pollution de l! air, P. Arquès, ed. Edisud, 1998.

27 Transport dans l atmosphère Temps caractéristiques moyens de transport (a) horizontal et (b) vertical dans l atmosphère. Physico-chimie de l atmosphère, Belin ed.,

28 Echelle temporelle 1 siècle 10 ans 1 an 1mois 1 jour 1 heure 100 s 1 s HO 2 OH NO 3 CH 3 O 2 Gaz à longue durée de vie C 3 H 6 Isoprène NOx*** HFCs* CH 3 Br CO** Aérosols O 3 tropo H SOx*** 2 O 2 DMS Radicaux COVs** CH 4 * N 2 O* CO 2 *** CH 3 CCl 3 * 1 m 1 km 100 km 1000 km SF 6 * CFCs* Gaz à durée de vie modérée Classification espace/temps des composés atmosphériques *: fort PEG DDD : contribue à détruire l ozone strato AAA : gaz à effet de serre **: Toxicité ou dangerosité *** : acidification Temps de mélange Inter-hémisphérique Temps de mélange Intra-hémisphérique Temps de mélange dans la couche limite Echelle spatiale 28

29 Plan Composition de l atmosphère actuelle Comment classer les composés atmosphériques? Espèces et Modèles en boîtes des cycles biogéochimiques 29

30 30 Introduction to atmospheric chemistry, D. Jacob, 1999, Cambridge press university, 267p.

31 Un outil pour représenter les cycles biogéochimiques : le modèle en boîtes Modèle à une boîte Modèle à 2 boîtes Modèle à 3 boîtes d! = F in + E + P " F out " L " D dt Conservation de la masse Introduction to atmospheric chemistry, D. Jacob, 1999, Cambridge press university, 267p. 31

32 Modèles en boîtes : Cycle de l oxygène 32 Introduction to atmospheric chemistry, D. Jacob, 1999, Cambridge press university, 267p.

33 Modèles en boîtes : Cycle de l azote 33 Introduction to atmospheric chemistry, D. Jacob, 1999, Cambridge press university, 267p.

34 Les différentes espèces azotées NH + 4 Ammonium ion NH 3 Ammoniaque gaz NO - 2 Nitrite ion NO - 3 Nitrate ion HNO 3 Acide nitrique gaz NO Oxyde Nitrique gaz NO 2 Dioxyde d azote gaz N 2 O Oxyde nitreux gaz à effet de serre N 2 Diazote gaz AOD Azote organique dissous (DON) PAN Peroxy acetyl nitrate gaz 34

35 Modèles en boîtes : Cycle du carbone 35 Introduction to atmospheric chemistry, D. Jacob, 1999, Cambridge press university, 267p.

36 Les principales espèces carbonées CO 2 gaz carbonique gaz à effet de serre CH 4 méthane gaz à effet de serre CO monoxyde de carbone gaz HCHO formaldéhyde gaz COVs composés organiques volatils gaz 36

37 Conclusions Les cycles biogéochimiques sont une composante majeure du système climatique. Le cycle du carbone comprend deux gaz à effet de serre à longue durée de vie (CO 2, CH 4 ) et une myriade d espèces réactives (CO, HCHO, COVs) Le cycle de l azote comprend des ions (NH 4+, NO 3-,NO 2- ), des composés à cycles rapides (NOx, NH 3 ) et un gaz à effet de serre (N 2 O). Le cycle de l oxygène est fortement couplé au cycle du carbone. Les cycles longs peuvent souvent être découplées des cycles courts. Un outil utile pour faire cette séparation est le modèle en boîtes. 37

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