Représenter le rejet présent et futur de carbone dans les rivières dans les régions de pergélisol à l'aide d'un modèle de surface

Representing the present and future release of carbon to rivers in permafrost regions using an earth system model

• Auteur / Autrice : Simon Bowring
• Direction : Philippe Ciais, Bertrand Guenet, Ronny Lauerwald
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océan, atmosphère, climat et observations spatiales
• Date : Soutenance le 23/05/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....) - Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement [Gif-sur-Yvette] / LSCE
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (1991-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Bousquet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Ciais, Bertrand Guenet, Ronny Lauerwald, Philippe Bousquet, Jorien Vonk, Peter Raymond, Lars J. Tranvik, Samuel Abiven
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jorien Vonk, Peter Raymond

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pédoclimat

Eau -- Teneur en carbone

Cours d'eau

Pergélisol

Mots clés libres

Pergélisol

Rivières

Carbone organique dissout (COD)

Alcalinité

Changement climatique

Couche active

Permafrost

Rivers

Doc

Alkalinity

Climate change

Active layer

Résumé

Pendant la majeure partie du Pléistocène, les régions de la Terre recouvertes de pergélisol ont été des accumulateurs nets de carbone (C) d’origine végétal et transféré au sol. L’accumulation de ce C organique dans les sols de la région de pergélisol circumpolaire nord a conduit à des stocks qui contiennent actuellement une masse C supérieure à celle qui existe dans l'atmosphère par un facteur de plus de deux. Dans le même temps, les rivières du pergélisol arctique rejettent environ 11% du flux d’eau fluvial global dans les océans, et ce dans un océan (l’Arctique) correspondant à 1% du volume d’eau total des océans et une très grande surface ce qui le rend relativement sensible aux afflux de matières dérivées des surfaces terrestres. Ce flux fluvial provient de précipitations sous forme de pluie ou de neige qui, lors du contact initial avec la surface, ont le potentiel immédiat d'interagir avec le C de l'une des deux manières suivantes: d’une part, l'eau qui coule sur des roches carbonatées ou silicatées provoquera une réaction dont le réactif nécessite l'absorption de CO2 atmosphérique, qui est ensuite transporté dans l'eau des rivières. Ce C inorganique issu de l’interaction de l’eau, de l’atmosphère et de la lithosphère représente donc un vecteur de stockage ou de «puits» du C. D’autre part, l’eau qui interagit avec la matière organique présente dans les arbres, la litière ou le sol peut dissoudre le C qu’elle contient et le transférer par les eaux de surface et souterraines dans les rivières. Ce carbone peut ensuite être métabolisée vers l’atmosphère ou exportée dans la mer. Des améliorations récentes dans la compréhension de la dynamique du C terrestre indiquent que ce transfert hydrologique de matière organique représente le devenir dominant du carbone organique, après prise en compte de la respiration des plantes et du sol. Dans le contexte du réchauffement climatique d’origine anthropique amplifié de l'Arctique, l'exposition thermique imposée au stock de pergélisol de C, associé à d'une augmentation des précipitations futures, laisse présager des changements importants dans le cycle du carbone organique et inorganique induit par les flux latéraux. Cependant, la totalité des processus impliqués rend difficile la prévision de ce changement. Partant de ce constat, cette thèse s’appuie sur les avancées antérieures en matière de modélisation du système terrestre pour inclure la production et le transport latéral de carbone organique dissous (COD), de CO2 dérivé de la respiration et d’alcalinité dérivée au sein d’un modèle global de surface terrestre développé précédemment pour résoudre spécifiquement les processus des régions boréales. Al’aide de données de pointe sur le sol, l'eau, la végétation et la climatologie pour forcer les conditions aux limites nous sommes en mesure de reproduire les processus et les flux de transport latéraux existants ainsi que faire des projections futures. Dans cette thèse, nous montrons que les exportations d'alcalinité panarctique et l'absorption du CO2 qui l'accompagne augmentent avec le réchauffement, que les flux de COD diminuent en grande partie à cause des circuits d'écoulement d'eau plus profonds dans le sol et des changements qui en résultent dans les interactions carbone-eau. Enfin, nous observons que la libération de COD dans l’Articque n’est pas linéairement liée à la temperaturre. Par conséquent, la future libération de COD dans l'Arctique peut augmenter ou diminuer avec la température en fonction des modifications de l'état thermique et des trajectoires hydrologiques dans les sols profonds. L'effet net de ces flux sur les océans est de réduire l'acidification future de l'eau de mer d'origine terrestre. Les améliorations futures apportées au modèle pour inclure des représentations du carbone particulaire, de génération de méthane, de COD pyrogénique, de subsidence de glace / surface du sol sont nécessaires pour accroître la rigueur des résultats générés par ce modèle.

For much of the Pleistocene, regions of the Earth underlain by permafrost have been net accumulators of terrestrially-fixed plant carbon (C), known as organic C, to the extent that in the present day the soils of the northern circumpolar permafrost region alone contain a C mass outweighing that which exists in the modern atmosphere by a factor of over two. At the same time, the rivers of the Arctic permafrost region discharge about 11% of the global volumetric river water flux into oceans, doing so into an ocean (the Arctic) with 1% of global ocean water volume and a very high surface area: volume ratio, making it comparatively sensitive to influxes of terrestrially derived matter. This river flux is sourced from precipitation as either rain or snow, which, upon initial contact with the landscape has the immediate potential to interact with C in one of two ways: Water running over carbonate or silicate –bearing rocks will cause a reaction whose reactant requires the uptake of atmospheric CO2, which is subsequently transported in river water. This ‘inorganic’ C derived from interaction of water, atmosphere and lithosphere thus represents a C storage or ‘sink’ vector. In addition, water interacting with organic matter in tree canopies, litter or soil can dissolve C contained therein, and transfer it via surface and subsurface water flows into rivers, whereupon it may either be metabolised to the atmosphere or exported to the sea. Recent improvements in understanding of terrestrial C dynamics indicate that this hydrologic transfer of organic matter represents the dominant fate of organic carbon, after plant and soil respiration are accounted for. In the context of amplified Arctic anthropogenic warming, the thermal exposure imposed on the permafrost C stock with expectations of enhanced future precipitation point toward substantial shifts in the lateral flux-mediated organic and inorganic C cycle. However, the complex totality of the processes involved make prediction of this shift difficult. Addressing this gap in instrumental power and theoretical understanding, this collection of studies builds upon previous advances in earth system modelling to include the production and lateral transport of dissolved organic C (DOC), respiration-derived CO2, and rock-weathering derived alkalinity in a global land surface model previously developed to specifically resolve permafrost-region processes. By subjecting the resulting model to state of the art soil, water, vegetation and climatology datasets, we are able to reproduce existing lateral transport processes and fluxes, and project them into the future. In what follows, we show that while Pan-Arctic alkalinity exports and attendant CO2 uptake increase over the 20th and 21st Centuries under warming, DOC fluxes decline largely as a result of deeper soil water flow-paths and the resulting changes in carbon-water interactions. Rather than displaying a clear continuous (linear or non-linear) temperature sensitivity, future Arctic DOC release can increase or decrease with temperature depending on changes in the thermal state and hydrologic flow paths in the deep soil. The net marine effect of these fluxes is to decrease future terrestrially derived seawater acidification. Future model improvements to include representations of particulate C, methane generation, pyrogenic DOC, peat generation, soil ice/land surface subsidence are required to increase the rigor of the results generated by these models.