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6.3 Le cycle du carbone

$CO_{2}(t)$ est calculé en fonction de la concentration au pas de temps précédent par un bilan de masse:


\begin{displaymath}
CO_{2}(t)=CO_{2}(t-dt)+F(t)\cdot\frac{CO_{2}^{act}}{M_{CO_{2}}^{act}}\cdot dt
\end{displaymath}

avec $CO_{2}(t)$ la concentration en $CO_{2}$ en ppm et $F(t)$ le flux de $CO_{2}$ vers l'atmosphère en Gt/an. Notons que l'on exprime les flux de $CO_{2}$ en Gt de $CO_{2}$ par an. Pour convertir ces flux en Gt de Carbone par an, il suffit de multiplier nos flux par 12/44. Le facteur $\frac{CO_{2}^{act}}{M_{CO_{2}}^{act}}$ permet la conversion entre une masse de $CO_{2}$ en Gt ($10^{9}$t) et une concentration en ppm: $M_{CO_{2}}^{act}$ est la masse de $CO_{2}$ dans l'atmosphère actuelle (750 Gt) et $CO_{2}^{act}$ la concentration actuelle en $CO_{2}$ (405 ppm).

Le flux de $CO_{2}$, $F(t)$, est la somme de plusieurs contributions:

Les émissions anthropiques et volcaniques sont supposées constantes tout au long de la simulation.

6.3.1 Stockage biologique et altération des continents

Les flux de consommation de $CO_{2}$ par stockage biologique et altération des continents sont supposés proportionnels à la concentration en $CO_{2}(t)$, par analogie avec des réactions chimiques dans lesquelles le $CO_{2}$ est le réactif:

\begin{displaymath}
F_{conso}(t)=-s\cdot CO_{2}(t)
\end{displaymath}

avec $s$ le taux de consommation de $CO_{2}$ en Gt/ppm/an.

L'utilisateur choisit le taux de consommation de $CO_{2}$ par le stockage biologique $s_{bio}$ et par l'altération continentale $s_{alt}$. Lorsque la Terre est englacée complètement (boule de neige), ces taux de consommation sont annulés quelque soit le choix de l'utilisateur: en effet, l'englacement ne permet pas la consommation de $CO_{2}$ par ces processus, ce qui permet la sortie de la boule de neige.

Par défaut, $s_{alt}$ est tel que l'altération continentale équilibre le volcanisme à grande échelle de temps: $s_{alt}^{ref}=\frac{F_{volc}}{CO_{2}^{ref}}$. Quant à $s_{bio}$, il est nul par défaut, car le stockage biologique actuel est négligeable. Au carbonifère, on fixe $s_{bio}$=-0.0014 Gt/ppm/an, d'après les flux de $CO_{2}$ reconstitués à cette époque ([Berner, 2003]).

6.3.2 Solubilité du $CO_{2}$ dans l'océan

Dans la nature, la solubilité du $CO_{2}$ dans l'océan dépend de la température. En conséquence, une augmentation de la température induit un dégazage de $CO_{2}$ vers l'atmosphère tandis qu'une diminution de la température induit un pompage de $CO_{2}$ de l'atmosphère vers l'océan. Ce phénomène agit aux échelles de quelques milliers d'années, et à probablement participé aux variations de $CO_{2}$ observées lors des oscillations glaciaires-interglaciaires (section 3.2.3).

Dans le modèle, ceci est représenté par un flux $F_{oce}$, en Gt/an, de la forme:


\begin{displaymath}
F_{oce}=\frac{1}{\tau_{oce}}\cdot\frac{CO_{2}^{act}}{M_{CO_{2}}^{act}}\cdot\left(CO_{2}^{eq}(T)-CO_{2}(t)\right)
\end{displaymath}

avec $CO_{2}^{eq}(T)$ la concentration en $CO_{2}$ en équilibre avec l'océan à la température $T$ et $\tau_{oce}$ la constante de temps de rappel de la concentration de $CO_{2}$ vers cet équilibre.

$CO_{2}^{eq}(T)$ est paramétrisée en fonction de la température de façon à ce que (1) un refroidissement de 10°C (du type d'un refroidissement interglaciaire-glaciaire) induise unebrown diminution de la concentration en $CO_{2}$ jusqu'à 180 ppm, (2) le modèle simule une augmentation de 1°C pour une augmentation de 90ppm entre la période préindustrielle et l'actuel. Cette fonction est empirique plus que physique.

6.3.3 Absorption d'une partie des émissions de $CO_{2}$ par l'océan et la végétation

Le but est de représenter de manière simple le fait que l'océan superficiel et la végétation absorbent une partie des émissions de $CO_{2}$: on estime par exemple qu'actuellement, 35% des émissions anthropiques actuelles sont absorbées par la végétation et 20% par les océans (). Ceci joue surtout aux petites échelles de temps. Dans le modèle, on multiplie les flux de $CO_{2}$ par $1-puit_{bio}-puit_{oce}$, avec $puit_{bio}$=35% et $puit_{oce}$=20% ([Friedlingstein et al., 2007,IPCC, 2013]).


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Camille RISI 2019-12-25