LSCE Laboratoire des sciences du climat et de l environnement

LSCE Laboratoire des sciences du climat et de l environnement octobre 2011 CONTACTS PRESSE : Service de presse de CEA - Tél : 01 64 50 16 49 presse@ceafr Service de presse du CNRS - Tél : 01 44 96 51 51 - presse@cnrs-dirfr Service de presse de l UVSQ - Tél : 01 39 25 79 54 - robertrivoire@uvsqfr

SOMMAIRE Présentation du LSCE 3 Thèmes de recherche du LSCE 3 1 Transferts et Traceurs dans l'environnement 3 2 Dynamique et archives du climat 4 3 Composition atmosphérique et flux de surface 5 4 Projet TGI ICOS 6 5 Modélisation du climat, des cycles biogéochimiques et de leurs interactions 8 6 Interaction Homme, Climat et Environnement 9

Présentation du LSCE Le laboratoire des Sciences du Climat et de l Environnement (LSCE) est une unité mixte de recherche (UMR 8212) entre le CEA (rattaché à la Direction des Sciences de la Matière), le CNRS, et l'université de Versailles Saint-Quentin (UVSQ), localisé sur deux sites (Saclay et Gif-sur-Yvette) Avec environ 300 personnes dont 150 permanents, le LSCE fait partie de l'institut Pierre Simon Laplace (IPSL) Thèmes de recherche du LSCE 1 Transferts et Traceurs dans l'environnement Bassins versants et rivière du Laos Ce thème a pour objectif d évaluer les Transferts d eau et de matière dans l Environnement à l aide de Traceurs géochimiques de pointe et de modèles depuis les continents jusqu à l océan ouvert, en passant par l interface estuarienne et côtière Comprendre les mécanismes, quantifier leur dynamique, établir les flux et les sources permettra d anticiper les problèmes environnementaux liés à l utilisation intensive des sols, la pollution des milieux aquatiques, les ressources en eau, la qualité des eaux côtières ou encore l acidification des océans Mesure en zone côtière bretonne sous influence anthropique Les sujets scientifiques abordés, et associés aux trois autres thèmes de recherche traités au sein du laboratoire, sont structurés autour de trois axes : Géochimie isotopique et élémentaire qui permet de comprendre les mécanismes d échange de matière entre océans, continents et atmosphère, et de quantifier leur dynamique Cela implique le développement de traceurs géochimiques, radioactifs ou radiogéniques innovants et d un parc instrumental de dernière génération L utilisation de ces traceurs permet ainsi d affiner les connaissances sur la dynamique océanique, l acidification de l océan ou les transformations du carbone dans les sols, les estuaires et l océan Etude des échanges de matières des surfaces continentales jusqu au milieu marin, en passant par l interface côtière Les transferts et stockages de carbone et de micro-polluants sont en grande partie régis pas les échanges dissous-particulaires et le devenir des particules fines Modélisation des hydrosystèmes continentaux (bassin versant, nappes souterraines, lacs, rivières ) pour comprendre le lien entre régime hydrologique et régime climatique (aride, boréal, mousson ) à différentes échelles spatiales et temporelles Les modèles s appuient sur la simulation numérique (code Cast3M) et les données de terrain 3/9

2 Dynamique et archives du climat Connaître l évolution passée du climat est fondamental pour comprendre le fonctionnement de ce système complexe et les interactions entre les différentes composantes du système climatique : atmosphère, océan, glaces et continents Ces interactions produisent, même en l absence de perturbations externes, une variabilité climatique «interne», qu il est important de caractériser et de comprendre Le climat réagit également à un ensemble de perturbations externes, qui modifient le bilan radiatif terrestre, à Schéma du système climatique, et de sa réaction à des forçages (perturbations) externes ( LSCE) Schéma des différents facteurs de changement climatique, en fonction de leur échelle de temps caractéristique (en abscisse, en échelle logarithmique) ( LSCE) différentes échelles de temps : variations de l activité solaire, activité volcanique, modulation de la répartition de l ensoleillement par les changements lents de l orbite terrestre, etc Les observations instrumentales (météorologiques, océanographiques, satellitales ) permettent de connaître l évolution récente du système climatique, mais couvrent une période de temps très courte : quelques décennies, au plus quelques siècles pour les relevés de température les plus anciens Il est essentiel de placer cette connaissance précise mais brève dans le contexte plus large de la variabilité naturelle passée du climat Depuis cinquante ans, le LSCE développe des méthodes de reconstitution de paramètres climatiques à partir de l analyse de marqueurs physico-chimiques dans des archives naturelles (sédiments marins, coraux, ) Les variations climatiques passées permettent de décortiquer la manière dont le système climatique réagit à des perturbations connues, et fournissent un banc d essai pour tester la capacité des modèles numériques de climat à représenter correctement ces mécanismes, l amplitude et la vitesse des changements passés Ces modèles de climat sont les outils les plus complexes disponibles pour estimer les risques d évolution future du climat L étude des archives naturelles du climat permet également de comprendre les impacts passés des changements climatiques sur différents écosystèmes (marins et terrestres) Ces informations sont également précieuses pour anticiper les impacts futurs du changement climatique en cours Les travaux de recherche sur l évolution passée du climat au LSCE reposent sur des méthodes de carottage, d analyse physico-chimique ultra-précises, de datation, sur la compréhension des relations entre les paramètres mesurés sur les archives naturelles et les variables climatiques, sur la synthèse de données ponctuelles pour obtenir une vision globale des climats passés, et sur la confrontation entre ces bases de données et la modélisation du climat Actuellement, ces études sont centrées sur quatre échelles de temps : La surveillance des processus d enregistrement de paramètres climatiques dans les milieux naturels grâce à un prélèvement régulier ou ponctuel d échantillons de plancton, d eau (vapeur d eau, précipitations, lacs) ; 4/9

La reconstitution de l évolution du climat au cours du dernier millénaire, avec une très haute résolution temporelle (saison, année) ; L étude d évènements climatiques abrupts, se produisant en quelques années à quelques décennies ; L analyse des cycles glaciaires-interglaciaires, avec une focalisation sur la variabilité du climat pendant les dernières périodes chaudes 3 Composition atmosphérique et flux de surface Depuis deux siècles, la poussée démographique et le développement industriel et agricole (combustion des énergies fossiles, utilisation des sols) provoquent un profond déséquilibre des cycles biogéochimiques globaux La majorité des composés atmosphériques à impact radiatif (CO 2, CH 4, N 2 O, O 3, aérosols) ont vu leur concentration augmenter très significativement Cette évolution a un effet direct sur le climat Les changements de la composition atmosphérique ont également un double impact sur les écosystèmes marins et La pollution sur Paris ( LSCE) continentaux D'une part, les changements climatiques sont susceptibles de modifier en profondeur à la fois la géochimie et la dynamique des grands réservoirs, d'autre part, certains composés exercent une influence directe de fertilisation ou d'inhibition des végétaux Ainsi l'étude de l'état transitoire actuel des cycles biogéochimiques passe à la fois par le suivi de l'évolution temporelle de l'atmosphère, de l'océan, de la biosphère et par la compréhension de l'impact global de l'évolution du climat sur ces grands réservoirs L objectif scientifique à long terme au sein du LSCE est de comprendre et de modéliser les interactions entre les cycles biogéochimiques et le climat De plus, et face à la perturbation anthropique, la mise en œuvre de politiques visant à une stabilisation de la composition de l'atmosphère devient, au niveau international, une priorité Ceci nécessite donc la création de modèles prédictifs capables d'évaluer différents scénarios Dans cette perspective, le LSCE se propose de réaliser une hiérarchie de modèles du système terrestre Dans la continuité des programmes en cours, le laboratoire se propose de développer : L'étude et la modélisation des processus qui régissent les cycles globaux du carbone et des espèces contrôlant le contenu de la troposphère en CH 4, O 3 et aérosols Le couplage des différents modèles biogéochimiques entre eux, ainsi qu'aux modèles de climat Cette action jouera un rôle fédérateur des axes de recherche mentionnés ci-dessus Elle devrait mettre en évidence les processus les plus importants et de proposer des stratégies visant à réduire les incertitudes L'accent sera mis sur l'évolution des cycles à l'ère industrielle Ces modèles sont comparés aux observations de divers types, tels que des données des sites de mesures atmosphériques et des instruments de télédétection Pour mieux comprendre les différences entre le modèle et les données, et pour améliorer notre compréhension des cycles globaux, les chercheurs du LSCE ont développé une expertise forte en modélisation inverse Dans la mesure où ces modèles ne peuvent pas être utilisés sans une comparaison permanente avec les observations, les chercheurs mettent en place un réseau global de stations de mesure des gaz à effet de serre, 5/9

participant ainsi à l effort international pour créer une base de données intégrée Le laboratoire participe également à de vastes campagnes de mesures étudiant les précurseurs de l ozone et la transformation des aérosols troposphériques à proximité des sources, et développe des algorithmes innovateurs nécessaires à la production des données globales de télédétection liées à la composition atmosphérique 4 Projet TGI ICOS Fig 1 Réseaux ICOS de stations atmosphériques (A), de tours à flux sur différents écosystèmes (B) de suivi des flux sur l Atlantique Nord ( LSCE) Le projet ICOS, Integrated Carbon Observation System (http://wwwicos-infrastructureeu), est une infrastructure de recherche européenne de mesure des concentrations atmosphériques des gaz à effet de serre et des flux sur les écosystèmes et l océan L'augmentation des gaz à effet de serre (GES) étant la principale cause du changement climatique, l'intérêt d'icos est de permettre, à terme, une surveillance de leurs sources et puits Cette surveillance donnera notamment des éléments de vérification des émissions et des puits indépendants des inventaires d'émissions fossiles et des données sur l usage des sols Coordonnée par la France et le Laboratoire des Sciences du Climat et de l Environnement (LSCE) dans sa phase préparatoire européenne, l infrastructure de recherche ICOS est développée par le CEA, le CNRS, l UVSQ et l INRA ICOS est l un des 30 projets d Infrastructure de Recherche qui ont été classés prioritaires à l échelle européenne par le forum ESFRI en 2006 A ce jour, le projet ICOS implique 17 pays en Europe Contexte international L Union européenne (UE) est le troisième émetteur mondial de CO 2 fossile après la Chine et les Etats- Unis En signant le Protocole de Kyoto, L UE est engagée à réduire ses émissions par rapport à l année de référence 1990 A terme, le plan climat prévoit une réduction bien plus ambitieuse des émissions Aux Etats-Unis, certains états comme la Californie ont aussi pris des engagements volontaires pour réduire fortement leurs émissions de gaz à effet de serre De nouveaux réseaux de mesure conçus pour la surveillance des puits de carbone et des émissions sont nécessaires dans le cadre du monitoring et de la vérification des flux naturels et anthropiques de CO 2 De tels réseaux sont en construction aux USA, au Japon, en Chine Ces réseaux de mesure s insèrent dans la stratégie globale du groupe intergouvernemental GEO (Group for Earth observation) En parallèle, les agences spatiales américaine et japonaise ont développé de nouveaux satellites pour mesurer le CO 2 et le CH 4 en colonne intégrée depuis l espace Il s agit des missions OCO-2 et GOSAT GOSAT a été lancé avec succès en 2009 Les données de ces satellites, avec une précision moindre mais une couverture globale, complèteront celles des réseaux sol L objectif d ICOS est d apporter les observations nécessaires pour estimer les flux de GES (gaz à effet de serre) sur le continent européen Le réseau et la méthodologie développée pourront être étendus à d autres régions, via l installation de stations de type ICOS, en particulier en Sibérie et en Afrique 6/9

Le réseau sera construit et optimisé pour l estimation optimale des flux, par exemple en utilisant des outils de simulation d un réseau optimal (network design) La densification progressive du réseau optimisé permettra, combinée à des systèmes de simulation numérique et d assimilation de données, de déterminer les flux anthropiques et biogéniques de CO 2, CH 4 à une échelle de 20 à 50 kilomètres en Europe (Fig 1) Ces estimations régulières des flux permettront : De comprendre les processus biogéochimiques qui contrôlent la variabilité du cycle des GES ; De détecter un affaiblissement, ou des anomalies des flux de carbone face aux accidents climatiques comme les sècheresses ; De connaître la valeur moyenne et de suivre la variabilité et la tendance à long terme des émissions anthropiques du continent (sur les régions les mieux couvertes) ; De connaître la valeur moyenne et de suivre la variabilité et la tendance à long terme des flux biogéniques Construction et fonctionnement de l infrastructure de recherche ICOS Pour le suivi à long terme des flux de gaz à effet de serre (GES), ICOS s appuie sur la coordination et le fonctionnement opérationnel de trois réseaux de mesure complémentaires (Fig 1) Les méthodes de collecte de données et les instruments de mesure sont standardisés pour toutes les stations du réseau Ces observations sont compatibles avec les standards internationaux de métrologie WMO et FLUXNET, et de distribution des données INSPIRE et GEOSS L infrastructure ICOS est constituée à l échelle européenne par : 50 stations atmosphériques de suivi en continu des concentrations du CO 2, du CH 4, du N 2 O et autres GES pour quantifier les bilans régionaux et les réductions d émission, 40 sites de tours de flux pour le suivi à petite échelle les échanges de CO 2, de vapeur d eau et d énergie des principaux écosystèmes, Des mesures automatiques des flux sur des navires océanographiques et commerciaux pour la caractérisation des flux air-mer de CO 2 L intégration des données pour calculer des flux de CO 2, CH 4 sur le continent européen se fait avec des systèmes d assimilation de données Plusieurs systèmes existent en Europe en mode recherche Le LSCE développe un système complet d assimilation global du cycle du carbone qui pourra être adapté pour fonctionner à différentes échelles, sur le globe, l Europe, et la France Les activités d assimilation des flux de gaz à effet de serre (GES) à partir des observations atmosphériques font aussi partie programme européen GMES Le réseau ICOS devrait être construit en 2012 dans une majorité de pays 10 pays ont un engagement de financement pour leur réseau ICOS national On estime que le réseau sera complet avant 2014, sous réserve de l engagement financier des pays restants Contribution du LSCE à ICOS Une contribution française préexistante est constituée par le réseau atmosphérique RAMCES de l INSU développé par des laboratoires français Le réseau atmosphérique français est largement construit sur l expérience et les sites développés par le Service d Observation RAMCES du LSCE Dans le cadre d ICOS la composante française du réseau ICOS comprendra 15 sites dont 11 sites principaux avec un équipement maximum Parmi ces sites, 8 sont localisés à l outre-mer (Ile Amsterdam dans les TAAF, Guyane, Réunion) ou à l étranger (Côte d Ivoire, Inde, Irlande) Ce réseau atmosphérique français représente une contribution majeure au réseau européen Il est la partie distribuée de la composante atmosphère de l infrastructure ICOS En ce qui concerne la France, le 7/9

réseau atmosphérique est basé principalement sur l existant du LSCE ainsi que l installation de nouvelles stations, parfois en collaboration étroite avec d autres organismes Pour que l infrastructure de recherche ICOS atteigne des objectifs opérationnels compatibles avec un suivi régulier et la production d estimation continues des flux en Europe, il a été prévu de créer autour du réseau de stations, quatre installations centrales: un siège européen de la coordination, un Centre Thématique Atmosphérique, un Centre Thématique Ecosystèmes, un Centre Thématique Océan et un Laboratoire d Etalonnage et de fabrication de standards La France est candidate pour la construction du centre atmosphérique Européen de l infrastructure ICOS au sein du LSCE En France, ICOS est associé à IAGOS (In service aircraft for a global observation service), une autre infrastructure de recherche ESFRI, pour former un Très grand instrument de recherche (TGI-R) du MESR Une labellisation SOERE («GREAT GASES») par l Allenvi (Alliance pour l environnement) complète le dispositif de structuration, avec l implication des groupes IAGOS et ICOS-Océan Fig 2 Lignes commerciales de navigation et séries temporelles ( LSCE) 5 Modélisation du climat, des cycles biogéochimiques et de leurs interactions ( LSCE) Depuis sa création, la modélisation est l une des grandes spécialités du LSCE Historiquement, cette approche était conduite en parallèle par les climatologues du thème Climat, intéressés par des échelles de temps relativement longues (de la centaine d années aux centaines de millions d années), et par les biogéochimistes, plutôt intéressés par des échelles de temps plus courtes (jusqu à la centaine d années) Ces travaux de modélisation se sont depuis le début largement appuyés sur l expertise des équipes d observations présentes au LSCE L'activité de modélisation au sein du thème peut être décrite au sein de trois grandes thématiques Les Variabilités naturelles L étude des variabilités naturelles du climat suit trois grands axes : L'étude des interactions entre le système climatique et les cycles biogéochimiques (en particulier le cycle du carbone) aux longues échelles de temps et sur le dernier million d'années ; Les instabilités rapides du climat (IRC) ; Les variations climatiques au cours du dernier millénaire 8/9

La perturbation anthropique Cet axe de recherche vise à : Proposer de nouveaux scénarios climatiques dans le cadre du cinquième rapport d'évaluation du GIEC (IPCC AR5) ; Quantifier le rôle du changement d'utilisation des sols ; Quantifier la variabilité interannuelle à décennale des interactions climat-cycles biogéochimiques ; Modéliser l'impact du forçage anthropique sur les "points de rupture" du système climatique (circulation thermohaline, moussons, permafrost, hydrates de méthane) Le développement des modèles et les liens modèles-données Les activités de recherche sus-citées sont intimement liées au développement des outils adéquates, et notamment d'une nouvelle génération de modèles Le modèle «système Terre IPSL-CM» est ainsi en train de connaître des évolutions majeures, que l'on peut caractériser selon cinq axes : Augmentation progressive de la résolution spatiale de l'océan et de l'atmosphère ; Intégration des améliorations des différentes composantes (eg nuages dans LMDz, topographie dans NEMO) ; Amélioration les interfaces entre composantes et la physique des couplages ; Intégration des cycles biogéochimiques dans le modèle IPSL-CM ; Intégration des évolutions du modèle à celles des moyens de calculs Les travaux d'amélioration des composantes concernent également les calottes de glace (modèle GRISLI), les surfaces continentales (ORCHIDEE), la biogéochimie marine (PISCES), les aérosols et la chimie atmosphérique (INCA) Par ailleurs, l'expertise du LSCE dans la mesure des traceurs et isotopes sera renforcée par l'inclusion dans le modèle système Terre des isotopomères de l'eau et du carbone, afin de mieux comprendre les cycles biogéochimiques Le développement de ces modèles sera accompagné d'une phase d'évaluation qui se fera sous la forme de projets d'intercomparaison de modèles Une des spécificités du LSCE est d être coordinateur de plusieurs projets de ce type, et ce pour différentes composantes ou thématiques : l étude des paléoclimats (PMIP), le cycle du carbone dans l océan (OCMIP), la représentation des aérosols (AeroCom), le couplage climat-carbone (C4MIP) et plus récemment l'évaluation du rôle joué par les changements d'usage des sols sur le climat récent (LUCID) 6 Interaction Homme, Climat et Environnement Avec ce thème de recherche, le LSCE tente de comprendre les relations existantes entre l'homme, le Climat et l'environnement, dans les temps présents, passés et futurs, ainsi que dans l'espace à la surface de notre planète Les principales thématiques abordées et étudiées sont : L'adaptation au changement climatique, thématique pluridisciplinaire qui s'ouvre sur d'autres disciplines: énergie, santé, agronomie, économie, biologie, histoire, ou encore paléontologie ; L'histoire du climat et en particulier l'identification des événements extrêmes (fréquence, amplitude) au cours des temps historiques Cette discipline apporte des informations essentielles sur la dynamique du climat dans notre pays et de manière plus générale en Europe occidentale ; Des projets ciblés : chantier Méditerranée, projet Arctique, Histoire des populations et paléoclimats 9/9