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Les cahiers de l'ANR - n°7

avril 2013

Environnement

et Changements

Globaux :

Les cahiers de l'ANR - n°7 - avril 2013

Environnement et Changements Globaux

Ce cahier n°7 a été conçu par

Michel

Vauclin et Patrick Monfray

avec le concours d'Aline Tournier. Les cahiers de l'ANR sont également téléchargeables en ligne : www.agence-nationale-recherche.fr Les Cahiers de l'ANR traitent de questions thématiques transverses aux différents appels à projets nancés par l'ANR. Cette collection met en perspective les recherches, les innovations métrologiques et les avancées technolo giques en cours dans un domaine spécique. Quels sont les enjeux scientiques, sociétaux, économiques, pros pectifs ? Quelles sont les actions de l'ANR ?

Avr. 2013

cahier de l'ANR

Environnement et Changements Globaux :

L es problèmes environnementaux sont souvent appréhendés comme une addi tion de phénomènes indépendants et aux causes multiples: la croissance démogra phique, le changement climatique, l'érosion de la biodiversité marine ou continentale, la dégradation des sols, l'usage intensif des ressources hydriques, la raréfaction des res sources énergétiques fossiles ou minérales, la pollution chimique de l'air et de l'eau, etc. Or ces problèmes sont profondément reliés les uns aux autres en partie par le biais des enveloppes superficielles de la planète (air, eau, biosphère, sols...) où ils se déroulent, mais surtout par l'évolution simultanée des activités humaines (niveaux de développe ment, pression démographique, mondialisa tion des échanges, évolutions technologiques, modification des comportements sociaux). Ils induisent sur la société de nombreux impacts d'ordre alimentaire, sanitaire et migratoire, ain si que des changements des modes de vie, paupérisation rurale, urbanisation, bidonvilles, instabilité politique, conits. Ces changements environnementaux sont désormais clairement perceptibles à grande échelle, voire celle de la planète, d'où le terme souvent réduit au vocable de "

Changements Globaux

» ou "

Changement Global

La prise de conscience de ces changements à

grande échelle a abouti à une multiplication de programmes de recherche et/ou de suivi de l'évolution des milieux qui n'ont pas suffisam ment favorisé les échanges entre disciplines et entre les différents enjeux environnemen taux à l'œuvre. Par exemple, le GIEC1 (Groupe

Intergouvernemental d'Experts sur le Climat

évalue essentiellement le système climatique2 ses changements, ses impacts et les straté gies d'adaptation 3 et de mitigation 4 , tandis que le

Millenium Ecosystem Assessment

5 traite des aspects liés à la vulnérabilité 6

de la biodiversité, des écosystèmes et des services associés, aspects qui sont repris maintenant

par l'IPBES 7 (Intergovernmental Science-Po- licy Platform on Biodiversity and Ecosystem

Services

), créé en 2012.

L'un des enjeux majeurs consiste à faire

émerger une approche de recherche plus

systémique inter8 - et trans-disciplinaire 9 impliquant tant les Sciences de la Vie et de la

Terre que les Sciences Humaines et Sociales,

ainsi qu'une interaction renforcée entre Science et Société, sur un champ de recherche qualifié de " Science du Système Terre 10

» dont les cinq

grands défis ont été déclinés récemment 11 par le Conseil International pour la Science (ICSU) et simultanément par le Conseil International des Sciences Sociales (ISSC) :......................................................................

Prévoir /Projeter :

améliorer l'utilité des prévisions environnementales et de leurs conséquences sur les personnes ;

Observer/Discriminer :

élaborer, améliorer et intégrer les systèmes d'obser- vation pour gérer les changements environnementaux globaux ou régionaux ;

Confiner/Limiter :

déterminer comment anticiper, éviter et gérer les changements environnementaux pouvant conduire à des points de rupture ;

Répondre/Gouverner :

déterminer les changements institutionnels, écono miques et sociaux nécessaires à la mise en place de mesures efficaces en matière de développement sou tenable ;

Innover/Transformer :

encourager l'innovation et les mécanismes d'éva luation dans les domaines métrologiques, technolo giques, politiques et sociaux contribuant au dévelop pement soutenable.

Avr. 2013cahier de l'ANR

Environnement et Changements Globaux :

C'est dans ce contexte scienti que et sociétal que l'ANR a pris sa place à partir de 2005, en cohérence avec les grandes priorités ministérielles, le Plan Climat 2004-2012, la Stratégie Nationale d'Adaptation au Changement Cli matique et la Stratégie Nationale de Développement Durable, et plus récemment avec l'Alliance nationale de recherche pour l'environnement, AllEnvi. Après avoir lancé plusieurs programmes de recherche thématiques dans ce domaine, dont certains sont décrits dans ce cahier, l'ANR a créé successivement deux Comités Scienti ques Sectoriels (CSS) touchant aux changements globaux : i) le premier francophone en 2010 sur " Ecosystèmes et Développement Durable», focalisé sur l'adaptation des ressources biologiques, des écosystèmes gérés, de l'ali mentation et de la santé, et ii) le second international en

2011 sur "Sciences du Système Terre », dédié aux in

teractions d'échelles régionales et globales à l'interface entre environnement et développement des sociétés. Ce Cahier contribuera à éclairer les lecteurs sur la diver- sité et la qualité des travaux menés par les équipes fran çaises et leurs partenaires métropolitains, ultramarins, européens et étrangers pour développer une meilleure compréhension des grands changements environnemen taux passés, présents et à venir. Il esquisse aussi le ren forcement de la collaboration européenne, notamment via des programmations conjointes, et internationales vers la mise en place d'une grande plateforme commune 2014-

2024 " Future Earth12 , Research for Global Sustainabi

lity ». Lancée à Rio+20, cette action est destinée à fair e converger les grands programmes internationaux actuels (WCRP, IGBP, DIvERSITAS et IHDP)13 et à impulser des actions orientées vers des recherches de solutions pour faire face à ces nouveaux dé s complexes, à l'interface entre environnement et développement.Ghislain de Marsily, Président du CSS ANR " Sciences du Système Terre », Membre des Académies des Sciences, des Technologies, et d'Agriculture de France.

Jean-François Soussana

Président du CSS ANR

" Ecosystèmes et Développement Durable »,

Directeur scientifique environnement, INRA.

1 www.ipcc.ch 2 Système constitué de ses cinq composantes principales : l'atmos phère, l'hydrosphère, la cryosphère, la surface continentale, la biosphère (incluant la pédosphère) et évoluant dans le temps sous l'effet de sa propre dynamique interne, de causes naturelles externes (infiuence astronomique, volcanisme,..) et de forçages anthropiques (modi cations de la composition de l'atmosphère et des eaux, de l'utilisation des terres, de l'urbanisation, etc.. 3 Capacité d'ajustement d'un système face aux changements auxq uels il est soumis a n d'en atténuer les effets potentiels, d'exploiter les opportunités, ou de faire face aux conséquences. 4 Mise en œuvre d'approches technologiques et/ou politiques permettant la réduction des impacts des changements environnementaux dans un contexte de développement soutenable (voir par exemple www.un.or/esa/dsd/agenda21). 5 6 Degré auquel un système est susceptible d'être affecté négativement par les effets des changements globaux (d'origine climatique ou anthropique). La vulnérabilité dépend du caractère, de l'importance et du rythme des changements auxquels le système est exposé, mais aussi de sa sensibilité et de sa capac ité d'adaptation face à ces changements. Le concept de " Danger » est considéré dans ce contexte comme un synonyme de vulnérabilité. 7 www.ipbes.net 8 L'interdisciplinarité permet l'échange de concepts, règles, méthodes et outils entre différentes disciplines a n de parvenir à une compréhension globale d'un thème commun. 9 La transdisciplinarité vise à étudier les processus d'interaction science-société impliquant les parties prenantes (acteurs des secteurs publics et privés, de la société civile) utilisateurs de la science pour une compréhension plus complète d'un monde complexe. 10 Le système Terre représente l'ensemble des composantes physiques, biologiques et sociales des processus et des interactions (atmosphère /eau/sol/biosphère/ technologiques/socio-économiques), qui déterminent ensemble l'

état et la

dynamique de la planète, incluant les biotopes et l'Homme. La scie nce du système Terre a plus particulièrement trait à l'observation, la compréhension et la prédiction des changements environnementaux. 11 Reid et al. , Science, vol. 330, pp 916-917, 12 November 2010. 12 Lancé en juin 2012 à la Conférence de l'ONU Rio+20, www.icsu.org/future-earth 13 voir www.wcrp-climate.org, www.igbp.net, www.diversitas-international.org, www.ihdp.unu.edu

Avr. 2013

cahier de l'ANR

Environnement et Changements Globaux :

Avr. 2013

cahier de l'ANR

Environnement et Changements Globaux :

Ce cahier est basé sur 110 projets nan

cés par l'ANR, ainsi que sur 8 projets du programme GICC (Gestion et Impacts du

Changement Climatique) abondés par le

Ministère de l'Ecologie, du Développement

Durable et de l'Energie. Les principaux pro

grammes ANR 2005-2009 ayant contribué au cahier sont : vMCS (vulnérabilité, Milieux,

Climat et Sociétés), CEPS (Changements

Environnementaux Planétaires et Socié

tés), JCJC (Jeunes Chercheurs, Jeunes

Chercheuses) et Blanc dans le domaine

" Sciences de l'univers et géo-environne ment ». Les disciplines majeures concer- nées sont les sciences physiques, mathé matiques, chimiques, biogéochimiques, biologiques et écologiques ainsi que pour partie, les sciences humaines et sociales en

émergence. Ce cahier couvre à la fois des

aspects fondamentaux des recherches et des travaux à visée plus nalisée. Il présente

également l'évolution de la programmation

de 2005 à 2012 de l'ANR et esquisse son

évolution future.

La première partie du Cahier fournit aux lec

teurs les clés des enjeux et des dé s aux quels sont confrontés les changements glo baux et ce, selon les huit thèmes suivants :

όLes approches paléoenvironnementales,

historiques et prospectives du climat

όLes approches physiques, chimiques et

biologiques des milieux polaires

όLes approches physiques, chimiques et

sociétales des milieux océaniques et côtiers

όLes approches physico-chimiques de

l'atmosphère όLes phénomènes hydro-climatiques ex- trêmes όLa vulnérabilité des agro-écosystèmes aux changements globaux et leur adaptation όLa vulnérabilité des hydrosystèmes conti- nentaux aux changements globaux : le cas des ressources en eau et leur adaptation όLa vulnérabilité des hydrosystèmes conti- nentaux : le cas des ressources en sol et de leur évolution face aux changements glo baux

Dans une deuxième partie, les principaux

programmes nationaux 2005-2009 ayant contribué au Cahier sont présentés de manière synthétique et statistique : pro grammes thématiques " vulnérabilité, Mi lieux, Climat et Sociétés, vMCS » et " Chan gements Environnementaux Planétaires et Sociétés, CEPS », et non thématiques " Blanc » et " Jeunes Chercheurs, Jeunes

Chercheuses, JCJC ».

Les nouvelles impulsions depuis 2009 et les

perspectives sont ensuite abordées dans un contexte international en forte évolution sur les enjeux " Science-Société ». La troisième partie présente les principales avancées relatives aux 110 projets nancés par l'ANR, ainsi que les 8 projets du pro gramme " Gestion et Impacts du Change ment Climatique, GICC » abondés par le

Ministère de l'Ecologie, du Développement

Durable et de l'Energie.

Avr. 2013cahier de l'ANR

Environnement et Changements Globaux :

Partie 1

Les changements globaux :

Partie 2

Evolution de la programmation sur la problématique des changements globaux

Partie 3

Les 118 projets financés par l'ANR et le GICC

Quelques éléments statistiques des programmes sur la période 2005-2009

Les nouvelles impulsions depuis 2009

Avr. 2013

cahier de l'ANR

Environnement et Changements Globaux :

Avr. 2013

cahier de l'ANR

PARTIE 1 :

Les changements globaux : les enjeux et les dé s Les approches paléoenvironnementales, historiques et prospectives du climat 6 Les approches physiques, chimiques et biologiques des milieux polaires 7 Les approches physiques, chimiques et sociétales des milieux océaniques et côtiers 9 Les approches physico-chimiques de l'atmosphère 12 Les phénomènes hydro-climatiques extrêmes 14 La vulnérabilité des agro-écosystèmes aux changements globaux et leur adaptation 15 La vulnérabilité des hydrosystèmes continentaux aux changements globaux : le cas des ressources en eau et leur adaptation 16

La vulnérabilité des hydrosystèmes continentaux : le cas des ressources en sol et de leur évolution face aux changements globaux 17

PARTIE 2 :

Evolution de la programmation sur la problématique des changements globaux

1. Quelques éléments statistiques des programmes sur la période 2005-2009 :

Les programmes thématiques

19

Les programmes non thématiques de l'ANR

21

Un bref bilan

21
2.

Les nouvelles impulsions depuis 2009

Les Ateliers de Réexion Prospective

22

Les Investissements d'Avenir

25
Le renforcement des liens de l'ANR avec les agences et les structures étrangères de financement dans le domaine couvert par le Cahier 27

PARTIE 3 :

Les 118 projets nancés par l'ANR et le GICC

Les approches paléoenvironnementales, historiques et prospectives du climat 30
Les approches physiques, chimiques et biologiques des milieux polaires 47
Les approches physiques, chimiques et sociétales des milieux océaniques et côtiers 63
Les approches physico-chimiques de l'atmosphère 99
Les phénomènes hydro-climatiques extrêmes 113
La vulnérabilité des agro-écosystèmes aux changements globaux et leur adaptation 128
La vulnérabilité des hydrosystèmes continentaux aux changements globaux : le cas des ressources en eau et leur adaptation 149

La vulnérabilité des hydrosystèmes continentaux : le cas des ressources en sol et de leur évolution face aux changements globaux 171

Glossaire

186

Avr. 2013cahier de l'ANR

Environnement et Changements Globaux :

Les changements globaux :

le contexte et les enjeux

LES APPROCHES PA

L

ÉOENvIRONNEMEN

TA L

ES, HISTORIQUES

ET PROSPECTIvES DU

C L IMAT La co nnaissance des conditions paléo climatiques a permis de faire d'énormes progrès dans la compréhension du chan gement climatique qui affecte de nos jours la planète Terre. Les succès de l'étude des carottes de glace prélevées dans les calottes groenlandaise et antarctique ont permis de dresser un cadre aussi bien chronologique que contextuel permettant le développement d'outils de modélisation débouchant sur une meilleure compréhen sion des mécanismes et des forçages en cause. La qualité des enregistrements gla ciaires a ainsi permis de remonter aussi loin que les derniers 800 000 ans et de fournir un enregistrement avec une précision re marquable de la variation des gaz à effet de serre et du deutérium de la glace, ce der- nier permettant d'estimer la température. A l'inverse, la précision des prélèvements et la qualité des diverses archives analysées ont également permis d'étudier plus en détail les périodes récentes dites pré-industrielles. Ces succès tant méthodologiques que scientifiques ont eu tendance à laisser croire aux décideurs que tout était désor- mais clair en ce qui concerne les paléo climats et leur dynamique et que financer de telles études devenait dépourvu de sens, la priorité devant être portée sur l'ac tuel et les variations futures. Or, il s'avère que si le cadre général semble maintenant bien connu, puisqu'il s'agit du contexte des variations astronomiques du climat, le raffinement des études, les chan gements d'échelles, tant chronologiques que spatiales, démontrent qu'une com préhension parfaite des paléoclimats est loin d'être connue. Une première difficulté réside donc dans le contexte temporel puisque si des efforts importants ont été portés sur le dernier million d'années ou la période récente, d'autres périodes clés s'avèrent d'un grand intérêt, qu'elles soient glaciaires ou interglaciaires durant les der- niers 2.6 Ma du Quaternaire. L'accroisse ment de la résolution temporelle permet ainsi d'aller plus au cœur des processus et mécanismes en jeu dans lesquelles inte ractions et rétroactions jouent un rôle pri mordial, impliquant une plus grande adé quation des modèles climatiques.

Avr. 2013

cahier de l'ANR

Environnement et Changements Globaux :

Estimation de la température sur les 800 000 dernières années au forage glaciaire EPICA

Dome C, d'après Jouzel J.

et al. , Science, 2007. Les différences de température sont relatives à la moyenne du dernier millénaire.

Par contre, aborder les climats plus an

ciens du pré-Quaternaire nécessite aussi bien de nouvelles observations avec une qualité égale à ce qui est obtenu pour le plus récent, que des développements de modèles mécanistes intégrant d'autres for-

çages, principalement internes à la Terre.

LES APPROCHES

PHYSIQUES,

CHIMIQUES ET

BIO L

OGIQUES DES

MI L

IEUX PO

L AIRES

Les milieux polaires se caractérisent par

des conditions climatiques particulières et extrêmes avec des modalités de change ments temporel et spatial spéci ques qui en font des zones de rupture ou de front.

L'une des causes majeures de ces particu

larismes est la limite physique du point de congélation de l'eau et les conséquences qu'elle induit sur les caractéristiques géo morphologiques des territoires concer-quotesdbs_dbs33.pdfusesText_39