la source principale de cet article provient du site STELLA déjà mentionné dans l'article précédent.

 

 

3- le cycle continental court et moyen terme

 

 

ce cycle est induit par la végétation

 

31- photosynthèse

 

c'est la réaction classique d'utilisation par les plantes de l'énergie lumineuse pour fabriquer leurs composants (carbohydrates)

 

CO2 + H2O + énergie lumineuse (rouge+bleu) ---> CH2O + O2

 

c'est cette réaction qui est à l'origine de l'atmosphère oxygénée actuelle.

 

La quantité de carbohydrates formés, exprimée en carbone, est le GPP (Gross Primary Production)

 

La réaction de photosynthèse proprement dite provoque la décomposition de l'eau en hydrogène et oxygène et ce sont d'autres réactions qui utilisent l'énergie chimique potentielle formée, pour transformer le CO2 en carbohydrates.

 

fertilisation CO2

 

le CO2 pénètre dans la feuille par les stomates.

Si l'eau est rare ces stomates se ferment ce qui limite le flux de CO2 consommé.

D'une manière générale, si l'eau est en quantité suffisante, l'augmentation de la teneur en CO2 atmosphérique entraîne une augmentation du flux de CO2 à l'intérieur de la plante qui fabrique alors plus de carbohydrates.

Ce phénomène est connu sous l'expression de fertilisation CO2.

Une autre propriété intéressante est que les stomates se ferment en limitant ainsi les pertes d'eau de la feuille.

La plante résiste mieux à la sécheresse et consomme plus de CO2 lorsque la teneur de ce dernier s'élève.

Il y a toutefois une limite à cet effet favorable.

 

effet de la température

 

en règle générale les réactions métaboliques augmentent avec la température mais là aussi dans une certaine limite (desstructions d'enzymes à trop haute température par exemple)

les plantes ne font donc pas exception à la règle.

 

 

modélisation de la photosynthèse dans le modèle STELLA

 

Le flux global initial de photosynthèse est de 100Gt/an (à l'équilibre)

 

ce flux augmente avec le CO2 mais il y a un point de saturation

 

il augmente avec la température

 

 

l'expression numérique utilisée par STELLA est simplement:

 

 

 

 

F_p  est le flux de photosynthèse

 

P_max est un coefficient d'initialisation

 

P eff = PCO2-PCO2 min (PCO2 min = pression en dessous de laquelle aucune photosynthèse ne se produit 30ppm)

 

K_hs est le coefficient de mi-saturation ou la pression efficace à laquelle le flux de photosynthèse est la moitié de sa valeur maximum (62.5ppm)

 

Tsens_p = coefficient de sensibilité à la température de la photosynthèse = 0.04/°C

 

delta T = différence de température depuis l'époque préindustrielle.

 

La courbe  F_p fonction de Peff est une hyperbole de limite:

 

 

pour deltaT = 0, cette limite est de 125 Gt/an

 

(le lecteur se reportera aux calculs dans le texte STELLA)

 

la courbe du flux de photosynthèse a donc cette allure:

 

 

à delta T constant, l'augmentation maximale de flux photosynthétique, avec l'augmentation du CO2 et pour un flux initial de 100 Gt/an est de 25 Gt/an.

 

si on considère les conditions actuelles (385 ppm avec un delta T =0) cela correspond à une augmentation de flux de 6 Gt/an, ce qui est considérable et doit être mis en corrélation avec le "greening" constaté.

 

 

 

32- respiration

 

la respiration est le phénomène par lequel la plante utilise l'énergie chimique (sous forme de carbone) stockée dans ses tissus pour assurer ses fonctions métaboliques.

 

la réaction de base est:

 

CH2O + O2 ---> CO2 + H2O + énergie

 

typiquement, le flux respiration, Fpr, est la moitié du flux photosynthétique et ce rapport semble, en première approche, invariant avec la température.

 

On a donc:

 

F_pr = 0.5 F_p 

 

Il est à noter que

 

F_p  - F_pr = NPP (Net Primary Production)

 

Le NPP représente, en première approche, la quantité de carbone consommée correspondant à la fabrication des tissus et autres matières organiques par la plante.

Par exemple, le bois, les feuilles, etc.

Cette fabrication consomme de l'énergie extraite lors de la respiration.

On peut prendre l'analogie d'une usine de matière plastique où le NPP représente le stock de produits finis fabriqués et le GPP ce même stock + énergie qu'il a fallu dépenser pour la fabrication.

 

 

 

33-matière morte (litter fall)

 

La matière morte, issue des plantes, est déposée dans le milieu soit en tombant sur le sol sous forme de litière (feuilles, bois), soit sous forme de matières organiques exsudant des racines dans le sol.

Les deux formes correspondent à des flux de CO2 égaux, lors de leur décomposition, ce qui peut paraître surprenant pour la partie racines.

 

 

on a

 

GPP = respiration  + litter fall

 

et

 

F_lf = land biota * 50/ (land biota)_INIT

 

où Flf est le flux de matière morte (litter fall) et land biota représente le stock carbone de végétation sur pied.

 

 

 

34-respiration du sol

 

Les très nombreuses espèces différentes de microorganismes présentes sur et dans le sol, décomposent des quantités terrifiantes de matières organiques (MO).

Les MO près de la surface sont consommées en 1 à 3 ans, et le résidu plus enfouis, l'humus, en plusieurs centaines d'années suivant la présence d'oxygène.

Le sol est donc un réservoir de carbone d'assez longue durée de vie, la moyenne étant de 25 ans pour la plupart des sols, mais en sachant que du carbone est stocké beaucoup plus longtemps.

 

la température, pourvu qu'il y ait suffisamment d'eau, est un facteur d'accélération de la respiration des sols, plus importante que l'accélération de la photosynthèse et respiration des plantes.

 

comme pour la photosynthèse on peut quantifier le flux de respiration des sols comme suit:

 

 

 

suivant une formulation dont le lecteur devrait commencer à être familier.

 

où

 

F_sr = flux de "soil respiration"

 

49.4 = flux initial (50-0.6 de ruissellement)

 

soil = masse carbone du réservoir sol

 

Tsens_sr = coefficient de sensibilité à la température de la respiration des sols = 0.10/°C (pour 0.04/°C pour la photosynthèse.

 

On peut remarquer que si l'augmentation de la teneur en CO2 accroît bien la NPP, l'augmentation de température qui en résulte a globalement un effet inverse puisque la sensibilité nette à la température est telle qu'elle augmente la respiration globale d'avantage qu'elle n'augmente la photosynthèse.

 

Le lecteur trouvera sur le site STELLA les formulations des flux de ruissellement (runoff) des biota et sols vers l'océan.

 

 

 

35-modélisation

 

le modèle présenté dans STELLA est fort simple et en voici ci dessous une représentation épurée.

 

 

 

 

Ce modèle, à l'instar du modèle océanique, est un modèle à vocation pédagogique.

 

Toutefois il permet de simuler de nombreux processus comme l'utilisation des sols, dont la déforestation, la sensibilité à la température, le "potentiel" photosynthétique ou de "greening", ect, etc.

 

le lecteur trouvera de nombreux exemples dans le document STELLA.

 

 

 

35-modèle global océan continents

 

à l'exception du cycle géologique, que nous verrons dans le prochain article de ce blog, on peut d'ores et déjà construire un modèle global océan et continents, afin de mieux percevoir les interactions entre les deux systèmes.

Ce modèle est représenté pages 21 et 22/27 dans des versions simple et plus complexe.