La fresque pour avoir une vision systémiques des enjeux écologiques
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Le cadre des frontières planétaires
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présentation technique
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Résumé
Brève présentation du cadre
Données clés
Irréversibilité, points de bascule et inertie
Hiérarchie des frontières
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1/ L'époque de l'Holocène, relativement stable et longue de 11 700 ans, est le seul état du Système Terre (ST) dont nous sommes certains qu'il peut supporter les sociétés humaines contemporaines.
2/ Les activités humaines affectent le fonctionnement du ST dans une mesure qui menace sa résilience.
3/ Le cadre des frontières planétaires (FP) est basé sur les processus biophysiques qui régulent le fonctionnement du ST.
4/ Les FP sont des niveaux de perturbation humaine du ST, fondées scientifiquement, au-delà desquelles le fonctionnement du ST peut être substantiellement altéré.
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Idées principales du cadre des FP
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1/ Pour chaque FP, une ou plusieurs variables sont proposées pour évaluer la position du ST par rapport aux perturbations humaines.
2/ Une variable de réponse (ex : pertes de récifs coralliens) est liée à la variable de contrôle (ex : concentration de CO2).
3/ Certains processus biophysiques présentent des seuils ou des points de bascule, d'autres non.
4/ Un point de bascule est un seuil critique au-delà duquel un système se réorganise, souvent de manière abrupte et/ou irréversible. (GIEC AR6 WGI)
5/ Les processus peuvent être liés à une échelle globale ou régionale.
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Cadre opérationnel
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Une frontière planétaire, telle qu'elle a été définie à l'origine, n'est pas équivalente à un seuil global ou à un point de bascule.
La frontière planétaire proposée n'est pas placée à la position du seuil biophysique, mais plutôt en amont de celui-ci, bien avant qu'il ne soit atteint, et ceci permet :
1/ de tenir compte de l'incertitude quant à la position précise du seuil par rapport à la variable de contrôle
2/ à la société d'avoir le temps de réagir aux signes d'alerte précoce indiquant qu'elle pourrait s'approcher d'un seuil et qu'un changement brusque ou risqué pourrait en résulter.
Tous les processus du ST n'ont pas de points de bascule locaux/mondiaux. Néanmoins, il est important d'établir des frontières pour ces processus, car ils affectent la capacité du système terrestre à persister dans un état similaire à celui de l'Holocène.
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Position des frontières planétaires
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Définir 3 zones et les limites de la connaissance scientifique
Le cadre des FP vise à guider les sociétés humaines en définissant un "espace de fonctionnement sûr" dans lequel nous pouvons continuer à nous développer et à prospérer.
La frontière définit l'extrémité de l'espace de fonctionnement sûr.
À l'extrémité "sûre" de la zone d'incertitude, les connaissances scientifiques actuelles suggèrent qu'il y a une très faible probabilité de franchir un seuil critique ou d'éroder substantiellement la résilience du système terrestre
Au-delà de l'extrémité "danger" de la zone d'incertitude, les connaissances actuelles suggèrent une probabilité beaucoup plus élevée d'un changement dans le fonctionnement du Système Terre qui pourrait être potentiellement dévastateur pour les sociétés humaines.
Les processus pour lesquels les frontières au niveau mondial ne peuvent pas encore être quantifiées font partie du cadre, mais aucune FP n'est définie.
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Une zone d'incertitude, parfois importante, est associée à chacune des frontières.
L'application du principe de précaution impose de fixer la frontière planétaire à l'extrémité "sûre" de la zone d'incertitude. Cela ne signifie pas que la transgression d'une frontière entraînera instantanément un résultat indésirable, mais que plus la frontière est transgressée, plus le risque de changement de régime, de déstabilisation des processus systémiques ou d'érosion de la résilience est élevé et plus les possibilités de se préparer à de tels changements sont réduites.
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Frontière transgressée - disclaimer
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Cadre conceptuel
Processus X
Processus Y
Hétérogène, sans seuil continental ou global
Frontière Planétaire
Variable de réponse
Variable de réponse
Frontière Planétaire
Globalement homogène, avec un seuil continental ou global
Rétroactions globales
Impacts locaux / régionaux
Seuils locaux / régionaux
Variable de contrôle
Variable de contrôle
Zone de fonctionnement sûr
Zone d’incertitude : risques grandissants d’impact
Zone dangereuse : grand risque d'impacts importants
seuil
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Le diagramme
CHANGEMENT D’USAGE DES SOLS
CHANGEMENT CLIMATIQUE
CHANGEMENTS DANS L’EAU DOUCE
APPAUVRISSEMENT DE L’OZONE STRATOSPHÉRIQUE
ACIDIFICATION DES OCÉANS
CHARGE ATMOSPHÉRIQUE EN AÉROSOLS
(pas encore quantifié)
INTÉGRITÉ DE LA BIOSPHÈRE
FLUX BIOGÉOCHIMIQUES
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1/ Les preuves se sont accumulées pour suggérer que la zone d'incertitude pour la variable de contrôle du CO2 devrait être réduite de 350 à 550 ppm à 350 à 450 ppm de CO2 environ (+0,5°C à +1,5°C).
2/ Les changements climatiques observés aux niveaux actuels des variables de contrôle confirment le choix initial des valeurs frontières et de la zone d'incertitude pour le CO2.
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Changement climatique
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1/ Il s'agit d'une approche à deux composantes, qui aborde deux rôles clés de la biosphère dans le système terrestre.
2/ nous retenons des variables de contrôle provisoires :
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Intégrité de la biodiversité
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1/ Cette frontière examine les processus biogéophysiques dans les systèmes terrestres qui régulent directement le climat - échange d'énergie, d'eau et de quantité de mouvement entre la surface terrestre et l'atmosphère.
2/ La variable de contrôle est la couverture forestière restante, car les trois principaux biomes forestiers - tropical, tempéré et boréal - jouent un rôle plus important dans le couplage entre la surface terrestre et le climat que les autres biomes.
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Changement d’usage des sols
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1/ L'azote est prélevé dans l'atmosphère et le phosphore dans les mines pour produire des engrais.
2/ Une fraction quitte les champs et s'écoule vers les eaux côtières, entraînant une eutrophisation et une diminution de l'oxygène dans les eaux.
3/ Cela nuit à la biodiversité
et les flux de phosphore
pourraient conduire à un
épisode d'anoxie des océans
dans 1 000 ans.
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Flux biogéochimiques
Breitburg et al., Declining oxygen in the global ocean and coastal waters, Science, 2018
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1/ La consommation d'eau bleue [eau des rivières, des lacs, des réservoirs et des réserves renouvelables d'eau souterraine] est la variable de contrôle au niveau mondial.
2/ À l'échelle du bassin, la frontière pour le taux maximal de prélèvement d'eau bleue le long des rivières est basée sur la quantité d'eau requise dans le système fluvial pour éviter les changements de régime dans le fonctionnement des écosystèmes dépendant du débit.
3/ L'eau verte - les précipitations terrestres, l'évaporation et l'humidité du sol - est fondamentale pour la dynamique du Système Terre et est aujourd'hui fortement perturbée par les pressions humaines à l'échelle continentale et planétaire.
4/ La frontière planétaire de l'eau verte peut être représentée par le pourcentage de la surface terrestre non englacée pour laquelle l'humidité du sol de la zone racinaire s'écarte de la variabilité de l'Holocène pour au moins un mois de l'année.
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Changements dans l’eau douce
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1/ La concentration d'ions H+ libres dans l'océan de surface a augmenté d'environ 30% au cours des 200 dernières années en raison de l'augmentation du CO2 atmosphérique.
2/ Cela diminue l'état de saturation de l'aragonite (Ωarag), une forme de carbonate de calcium formée par de nombreux organismes marins.
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Acidification des océans
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1/ L'espace de sécurité de la frontière planétaire des entités nouvelles est dépassé car la production et les rejets annuels augmentent à un rythme qui dépasse la capacité mondiale d'évaluation et de surveillance.
2/ La frontière des entités nouvelles dans le cadre des limites planétaires fait référence aux entités qui sont nouvelles au sens géologique et qui pourraient avoir des impacts à grande échelle menaçant l'intégrité des processus du système terrestre.
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Nouvelles entitées
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1/ La couche d'ozone est une région de la stratosphère terrestre qui absorbe la majeure partie du rayonnement ultraviolet du soleil.
2/ Nous conservons la variable de contrôle originale [concentration d'O3 en DU (unités Dobson)] et la limite (275 DU). Cette limite n'est transgressée au-dessus de l'Antarctique qu'au printemps austral, lorsque la concentration d'O3 chute à environ 200 DU.
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Appauvrissement de la couche d’ozone
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1/ Les aérosols ont des effets graves et bien connus sur la santé humaine, entraînant environ 7,2 millions de décès par an. Ils affectent également le fonctionnement du Système Terre de nombreuses façons (température, nuages...).
2 / nous nous concentrons sur l'effet des aérosols sur la circulation régionale entre l'océan et l'atmosphère, ce qui justifie la création d'une frontière distincte pour les aérosols. Nous adoptons la profondeur optique des aérosols (AOD) comme variable de contrôle.
3/ La mousson d'Asie du Sud est un cas d'étude : la moyenne annuelle et locale de la profondeur optique des aérosols est actuellement d'environ 0,3, dans la zone d'incertitude.
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Charge atmosphérique en aérosols
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1/ Le changement climatique et l'intégrité de la biosphère sont des phénomènes hautement intégrés et émergents au niveau du système qui sont liés à tous les autres FP.
2/ Ils opèrent au niveau de l'ensemble du Système Terre et co-évoluent depuis près de 4 milliards d'années.
3/ Ils sont régulés par les autres frontières et, d'autre part, constituent les systèmes globaux à l'échelle de la planète au sein desquels opèrent les autres processus des FP.
4/ En outre, de grands changements dans le climat ou dans l'intégrité de la biosphère pourraient, à eux seuls, faire sortir le Système Terre de l'état de l'Holocène
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Hiérarchie des frontières
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Valeurs clé 1/3
Processus du Système Terre | Variable(s) de contrôle | Frontière planétaire (limite inférieure de la zone d’incertitude) | Niveau dangereux (limite supérieure de la zone d'incertitude) | Valeur actuelle de la variable de contrôle |
Changement climatique | Concentration en CO2 atmosphérique, ppm Déséquilibre énergétique au sommet de l'atmosphère, W.m–2 | 350 ppm (~ 0,5°C) +1.0 W.m–2 | 450 ppm (~ 1,5°C) +1.5 W.m–2 | 399 en 2015 410 en 2021 ( 1,1°C) +1,29 W.m–2 de 1971 à 2018 |
Changements dans l’intégrité de la biosphère | Diversité génétique : Taux d'extinction, en million d'espèces-années (E/MSY) | 10, mais avec un objectif ambitieux d'environ 1 E/MSY) (le taux naturel d’extinction). | 100 E/MSY | 100–1000 E/MSY |
Diversité fonctionnelle : Indice d’Intégrité de la Biosphère (IIB) | 90% | 30% | 84%, évalué dans le cas de l’Afrique du Sud seulement | |
Appauvrissement de l’ozone stratosphérique | Concentration en O3 stratosphérique, DU | 5% de réduction par rapport au niveau pré-industriel de 290 DU | 10% | Transgressé uniquement au-dessus de l’Antarctique pendant le printemps Austral(~200 DU) |
E/MSY = extinctions par million d'espèces-années
Les variables de changement de l'intégrité de la biosphère sont des variables de contrôle provisoires jusqu'à ce que des variables plus appropriées soient développées.
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Valeurs clés 2/3
Processus du Système Terre | Variable(s) de contrôle | Frontière planétaire (limite inférieure de la zone d’incertitude) | Niveau dangereux (limite supérieure de la zone d'incertitude) | Valeur actuelle de la variable de contrôle |
Acidification des océans | Concentration en ions carbonate (Ωarag) | ≥80% du niveau préindustriel (≈ +2,5°C de changement climatique) | ≥70% | ~84% |
Flux biogéochimiques | P Global : flux de P des systèmes d'eau douce vers l'océan | 11 Tg.yr–1 | 100 Tg.yr–1 | ~22 Tg.yr–1 |
P Régional : Flux de P des engrais vers les sols érodables | 6.2 Tg.yr–1 | 11.2 Tg.yr–1 | ~14 Tg.yr–1 | |
N Global : fixation biologique industrielle et intentionnelle de N | 62 Tg.yr–1 | 82 Tg.yr–1 | ~150 Tg.yr–1 | |
Changement d’usage des sols | Global : Superficie des terres boisées en % du couvert forestier d'origine | 75% | 54% | 62% |
Biome : Superficie des terres forestières en % de la forêt potentielle | Tropical: 85% Tempéré: 50% Boréal: 85% | Tropical: 60% Tempéré: 30% Boréal: 60% | Cf cartes |
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Valeurs clés 3/3
Processus du Système Terre | Variable(s) de contrôle | Frontière planétaire (limite inférieure de la zone d’incertitude) | Niveau dangereux (limite supérieure de la zone d'incertitude) | Valeur actuelle de la variable de contrôle |
Utilisation d’eau douce | Global : Quantité maximale d'eau bleue consommée (m3 / an) | 4000 km3 / an | 6000 km3 / an | ~2600 km3 / an |
Bassin : Prélèvement mensuel maximal d'eau bleue en % du débit mensuel moyen de la rivière. | Mois à faible débit : 25% Mois à débit intermédiaire : 30% Mois à débit élevé : 55% | Mois à faible débit : 55% Mois à débit intermédiaire : 60% Mois à flux élevé : 85% | Cf cartes | |
Eau verte : Zones terrestres présentant des anomalies de l'humidité du sol au niveau de la zone racinaire au-delà de la variabilité de référence (%) | 10% | | 18% | |
Charge atmosphérique en aérosols | Global : profondeur optique des aérosols (AOD), mais beaucoup de variations régionales | | | |
Régionale : Moyenne saisonnière de la teneur en eau d'une région. | Sur le sous-continent indien : 0,25 | 0,5 | 0.30 AOD | |
Introduction of novel entities (NE) | L'espace de sécurité de la FP NE est dépassé car la production et les rejets annuels augmentent à un rythme qui dépasse la capacité mondiale d'évaluation et de surveillance. | | Frontière dépassée | |
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Irréversibilité, points de bascule 1/2
Processus du Système Terre | Irréversibilité | Points de bascule | variable d’état ou de flux |
Changement climatique | Irréversible à l'échelle humaine (possibilité théorique de dépassement et de retour à 1,5°C ou 2°C). | Récifs coralliens : 99% morts à +2°C Cryosphère : il est peu probable que l'ensemble de la calotte glaciaire du Groenland et de l'Antarctique occidental fondent entre +2 et +3°C. (ipcc, ar6, wg1) Les dernières études indiquent que cela pourrait avoir lieu à +1,5°C (Mc Kay et al, 2022). Scénario de la “Terre étuve” : il n'y a pas de preuve d'un tel risque (ipcc, ar6, wg1 et Wang et al, 2023) | variable d’état |
Changements dans l’intégrité de la biosph§re | Irréversibilité de la perte d'espèces (des millions d'années avant de retrouver la biodiversité antérieure). | Seuil pour certains écosystèmes mais pas pour la majorité. (Hillebrand et al., 2020 et 2021) | Flux (E/MSY) en attendant une variable d'état |
Appauvrissement de l’ozone stratosphérique | Réversible | Visiblement aucun | variable d’état |
Acidification des océans | Réversible (à ma connaissance) | Visiblement aucun | variable d’état |
Le changement climatique est une frontière planétaire avec une inertie pour la cryosphère : +- 17 m en 10 000 ans pour +3°C (ipcc, ar6, wg1). L'inertie de la température n'existe pas (ipcc, sr15, fig 1.5).
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Irréversibilité, points de bascule 2/2
Processus du Système Terre | Irréversibilité | Points de bascule | variable d’état ou de flux |
Flux biogéochimiques | Réversible avant seuil, s’il y en a | Un épisode anoxique dans l'océan est possible en raison de la combinaison du phosphore et du changement climatique (PB 2015) Changements locaux dans la mer Baltique ou les lacs (PB 2009) | Variable d’état du flux |
Changement d’usage des sols | Dépend des biomes | Points de bascule pour l'Amazonie et la forêt boréale (ipcc, ar6, wg1 and Mc Kay, 2022) | Variable d’état |
Utilisation d’eau douce | Eau verte : liée au changement climatique -> irréversibilité du CC | Eau bleue : seuils dans les écosystèmes d'eau bleue (PB 2015 ref 60-62) | Eau bleue (variable de flux), eau verte (variable d'état) |
Charge en aérosols atmosphériques | | La mousson d'Asie du Sud comme étude de cas, basée sur le potentiel d'une charge généralisée d'aérosols au-dessus du sous-continent indien pour faire passer le système de mousson à un état plus sec. | Variable d’état |
Introduction de nouvelles entitées (NE) | De nombreuses nouvelles entités ont une longue durée de vie dans l'environnement. | Science et débats en cours | Aucune |