Caldeira K.
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Qui est Ken Caldeira ?
Il a étudié la physique et les sciences environnementales. Il travaille actuellement au département de “Global Ecology” au Carnegie Institution of Washington. Son laboratoire conduit des recherches pour améliorer “the science base needed to allow human civilization to develop while protecting our environmental endowment”. Il étudie notamment les sujets suivants: les changements actuels du climat de la Terre et du cycle du carbone, les changements du climat et du cycle du carbone dans un passé ancien, le cycle du carbone dans les océans et la biogéochimie, l’acidification des océans, “land cover” et le changement climatique, la géo-ingénierie.
Collaboration avec James Kasting
Il travaille dans le département de géosciences à l’université de Pennstate en Pennsylvanie. Ses sujets de recherches portent sur l’évolution de l’atmosphère, l’atmosphère planétaire, le paléoclimat. Il a apparemment étudié à la physique dans le Michigan. Ses premières publications remontent à 1977.
Publications
Caldeira et Kasting ont publié 3 articles ensemble dans Nature en 1992 et 1993
Insensitivity Of Global Warming Potentials To Carbon-Dioxide Emission Scenarios
Source: NATURE Published: NOV 18 1993
Abstract: GLOBAL warming potentials for radiatively active trace gases (such as methane and chlorofluorocarbons) have generally been expressed relative to the time-integrated climate forcing per unit emission of carbon dioxide. Previous attempts to estimate the integrated climate forcing per unit CO2 emitted have focused on perturbations to steady-state conditions in carbon-cycle models. But for non-steady-state conditions, the integrated climate forcing from a CO2 perturbation depends both on the initial conditions and on future atmospheric CO2 concentrations. As atmospheric CO2 concentrations increase, the radiative forcing per unit CO2 emitted will become smaller because the strongest absorption bands will already be saturated. At the same time, higher concentrations of dissolved carbon in the surface ocean will reduce the ocean’s ability to absorb excess CO2 from the atmosphere. Each of these effects taken alone would affect the climate forcing from a pulse of emitted CO2 by a factor of three or more; but here we show that, taken together, they compensate for each other. The net result is that the global warming potential of CO2 relative to other radiatively active trace gases is nearly independent of the CO2 emission scenario. Thus, the concept of the global warming potential remains useful, despite the nonlinearities in the climate system and uncertainties in future emissions.
=> Dans des conditions non stables, le ‘integreted climate forcing’ résultant d’une perturbation au CO2 dépend à la fois des conditions initiales et des concentrations futures en CO2 atmosphérique. Alors que les tentatives précédentes pour estimer le ‘integrate climate forcing’ par unité de CO2 émis se centraient sur les perturbations à des conditions d’état stable d’un modèle du cycle du carbone.
Une augmentation de la concentration en CO2 -> le forçage radiatif par unité de CO2 émis diminue, car la zone de plus forte absorbtion est déjà saturé. En même temps, les plus fortes concentrations du carbone dissous à la surface de l’océan vont réduire la capacité de l’océan à absorber les exces de CO2 issu de l’atmosphère.
chacun de ces deux effets, pris seul, provoque une implusion du CO2 émis par un facteur de 3 ou plus; mais pris ensemble, ils se compensent l’un l’autre. le résultat net est que la probabilité d’un réchauffement global au CO2 par rapport aux autres traces de gaz est presque indépendant du scénario d’émission de CO2. Mais le concept de réchauffement global reste utile.
Le forçage radiatif:
En climatologie, le forçage radiatif est approximativement défini comme la différence entre l’énergie radiative reçue et l’énergie radiative émise par un système climatique donné. Un forçage radiatif positif tend à réchauffer le système (plus d’énergie reçue qu’émise), alors qu’un forçage radiatif négatif va dans le sens d’un refroidissement (plus d’énergie perdue que reçue). Si l’on considère la Terre comme système climatique, les causes possibles de forçage radiatif sont une modification du rayonnement solaire incident ou les effets de variations des quantités de gaz à effet de serre dans l’atmosphère
L’énergie radiative affectant le climat de la Terre provient du soleil. La planète et son atmosphère absorbent et réfléchissent une partie de cette énergie, alors qu’une autre partie est réémise vers l’espace. L’équilibre entre l’énergie absorbée et l’énergie radiative émise détermine la température moyenne. La planète est plus chaude qu’elle ne le serait en l’absence d’atmosphère : voir effet de serre. La concentration en dioxyde de carbone affecte l’apport énergétique de l’atmosphère ; une approximation au premier ordre donne :
où C est la concentration en CO2 en parties par million par volume et C0 la concentration de référence. ΔF est la variation du forçage radiatif en Watt par mètre carré.
L’équilibre radiatif peut être modifié par des facteurs tels que l’intensité de l’énergie solaire, la réflexion des rayons par les gaz ou les nuages, l’absorption par divers gaz ou surfaces, et l’émission de chaleur par différents matériaux. Une telle modification est un forçage radiatif, qui va induire un nouvel équilibre. En pratique, cela se produit en permanence, alors que les rayons solaires frappent la surface, les nuages et aérosols se forment, la concentration des différents gaz atmosphériques varie, et les saisons altèrent la couverture du sol.
http://fr.wikipedia.org/wiki/For%C3%A7age_radiatif
The Life-Span Of The Biosphere Revisited
Source: NATURE Published: DEC 24 1992
Abstract: A DECADE ago, Lovelock and Whitfield raised the question of how much longer the biosphere can survive on Earth. They pointed out that, despite the current fossil-fuel induced increase in the atmospheric CO2 concentration, the long-term trend should be in the opposite direction: as increased solar luminosity warms the Earth, silicate rocks should weather more readily, causing atmospheric CO2 to decrease. In their model, atmospheric CO2 falls below the critical level for C3 photosynthesis, 150 parts per million (p.p.m.), in only 100 Myr, and this is assumed to mark the demise of the biosphere as a whole. Here, we re-examine this problem using a more elaborate model that includes a more accurate treatment of the greenhouse effect of CO2 (refs 2-4), a biologically mediated weathering parameterization, and the realization that C4 photosynthesis can persist to much lower concentrations of atmospheric CO2(<10 p.p.m.). We find that a C4-plant-based biosphere could survive for at least another 0.9 Gyr to 1.5 Gyr after the present time, depending respectively on whether CO2 or temperature is the limiting factor. Within an additional 1 Gyr, Earth may lose its water to space, thereby following the path of its sister planet, Venus.
=> Il y a 10 ans: question de Lovelock et Whitfield de savoir combien de temps la biosphère pourra survivre sur Terre. Selon eux, en dépit de l’augmentation du CO2 atm, les tendences à long terme vont dans la direction inverse: l’augmentation de la luminosité solaire réchauffant la Terre, le weathering des roches silicatés augmentent, entraînant une baisse de CO2. Celui chute en dessous du point nécessaire à la photosynhtèse -> mort de la biosphère.
Les auteurs ont construit un modèle plus élaboré qui inclut une meilleure place à l’effet de serre du au CO2, une paramétrisation biologique du weathering, et la découverte que la photosynthèse C4 peut persister à des concentrations faible de CO2 atm. Une biosphère de type plantes C4 peut survivre pour au moins de 0.9 GYR à 1.5GYR après aujourd’hui, dépendant du facteur limitant: le CO2 ou la température. Un GYR après, la Terre devrait perdre tout son eau dans l’espace, et suivre la voie de sa soeur, Vénus.
La photosynthèse C4
La photosynthèse comporte deux suites de réactions, une phase photochimique où l’énergie lumineuse est convertie en énergie chimique dans une molécule relais = ATP et une phase non photochimique où l’énergie convertie sert à transformer le dioxyde de carbone en sucres (trioses puis hexoses, notamment glucose et fructose).
Les réactions qui permettent la transformation du dioxyde de carbone en sucre forment une suite de réactions appelée cycle de Calvin. Ce cycle existe chez toutes les plantes photosynthétisantes, et la première molécule formée est un acide organique à 3 carbones, l’acide phosphoglycérique, d’où le nom de plante en C3 pour les plantes qui ne font que le cycle de Calvin.
Les plantes C4, avant les réactions du cycle de Calvin, effectuent une “préfixation” du dioxyde de carbone sur un acide organique à 3 carbones et le transforment en un acide organique à 4 carbones, d’où le nom de plante en C4. Cet acide est transféré depuis les parties externes de feuilles vers des parties plus internes et est alors retransformé en l’acide organique de départ, relibérant un dioxyde de carbone qui est utilisé par le cycle de Calvin.
L’intérêt est que les enzymes des plantes en C4 travaillent avec des pressions partielles en dioxyde de carbone plus faibles que celles nécessaires aux enzymes du cycle de Calvin. La plante ouvre moins ses stomates, mais fixe quand même du dioxyde de carbone qui est concentré vers les zones plus internes.
http://www.tela-botanica.org/page:plantes_cam
Susceptibility Of The Early Earth To Irreversible Glaciation Caused By Carbon-Dioxide Clouds
Source: NATURE Published: SEP 17 1992
Abstract: SIMPLE energy-balance climate models of the Budyko/Sellers type predict that a small (2-5%) decrease in solar output could result in runaway glaciation on the Earth. But solar fluxes 25-30% lower early in the Earth’s history apparently did not lead to this result. One currently favoured explanation is that high partial pressures of carbon dioxide, caused by higher volcanic outgassing rates and/or slower rates of silicate weathering, created a large enough greenhouse effect to keep the planet warm. This does not resolve the problem of climate stability, however, because as we argue here, the oceans can freeze much more quickly than CO2 can accumulate in the atmosphere. Had such a transient global glaciation occurred in the distant past when solar luminosity was low, it might have been irreversible because of the formation of highly reflective CO2 clouds, similar to those encountered in climate simulations of early Mars. Our simulations of the early Earth, incorporating the possible formation of such clouds, suggest that the Earth might not be habitable today had it not been warm during the first part of its history.
=> Les modèles climatiques en équilibre énergétique simple de type Budyko/Sellers prévoient que une petite diminution des apports solaires peut aboutir à une glaciation de la Terre. Mais les flux solaires de l’histoire de la Terre ne suivent pas ces prévisions. Une des explications consiste à dire que les hautes pressions partielles de CO2, causé par un volcanisme fort et/ou un faible niveau de weathering silicaté, créé un effet de serre assez grand pour garder la planète chaude. Ceci ne résout pas le problème de la stabilité du climat, car comme on le voir dans l’article, les océans se refroidissent plus rapidement que le CO2 ne s’accumule dans l’atmosphère. Donc une forte présence de CO2 n’a pas toujours compensé le refroidissement, au contraire.
S’il y avait eu une glaciation passagère dans un passé lointain quand la luminosité était faible, elle aurait été donc irréversible, à cause de la formation de nuage de CO2 hautement réfléxif (similaire à Mars) et du fait du refroidissement des océans. Les simulation des auteurs, incorporant la possible formation de ces nuages, sugère que la Terre ne serait pas habitable aujourd’hui si elle n’avait pas été chaude pdt la première partie de son histoire.
Collaboration avec Richard Zeebe
Richard E Zeebe est assistant professeur au département d’Océanographie de l’université de Hawaï à Manoa. Il a fait des études de physique à Brême en Allemagne. Ses recherches portent actuellement sur les éléments présentants des cycles dans l’océan, dans l’atmosphère et la biosphère. Ceci inclut les gaz à effet de serre, comme le CO2 et son impact sur la climat de la Terre, dans le passé et le futur. Ses études portent portent également sur les effets de l’invasion du CO2 produit par les hommes dans les océans du monde, l’acidification des océans. Il s’intéresse aussi au climat dans la passé, pour améliorer la compréhension et la prévision de notre climat futur (”The past as the key to the future”). Ceci inclut la construction et la modélisation des épisodes climatiques passés comme le Paleocene-Eocene Thermal Maximum (PETM) ainsi que la validation de “paleo-proxies”. Ceux-ci sont des indicateurs climatiques relevant des sédiments de mer profonde or d’extraits de glace polaire, qui doivent être interprétés correctement comme un ancien langage.
Ses publications
Il a écrit notamment un article avec Ken Caldeira, relatif à l’auto régulation de la planète par les taux de CO2 atmosphérique. Ils ont clamé qu’ils étaient les premiers à pouvoir démontrer empiriquement que notre planète était un système vivant auto-régulé qui pouvaient garder constants les taux de CO2 atmosphérique.
Close mass balance of long-term carbon fluxes from ice-core CO2 and ocean chemistry record
In Nature Geoscience catégorie biogeochemistery en mai 2008.
L’analyse des niveaux de CO2 pendant les 610 000 ans du Pléistocène a montré que le CO2 n’a subi que de faibles variations, bien qu’il y ait eu du volcanisme de manière intense. Or la révolution industrielle a envoyé dans l’espace plus de CO2 que les éruptions volcaniques n’ont pu le faire dans le passé. Par des calculs, à cause des volcans le rejet de CO2 dans l’atmosphère aurait du faire doubler la quantité de gaz carbonique de l’atmosphère, cependant ceci n’a pas eu lieu. D’où la conclusion qu’il doit exister un système de régulation du CO2 sur la planète. Le seul mécanisme envisageable doit être le « weathering of rocks by rain », c’est-à-dire la réaction du CO2 de l’atmosphère avec les minéraux des roches.
1 kyr = 1 kiloyear = 1000 ans
L’hypothèse de travail est la suivante: la concentration en CO2 atmosphérique doit être contrôlée par une rétroaction conduite par le CO2. Il doit y avoir un équilibre entre les input et output de CO2. L’article présent des preuves d’un équilibre des flux du Carbone au Pléistocène, équilibre qui est maintenu en dépit des ères glacières et interglaciaires. Le maximum du déséquilibre étant de 1 à 2%.
On sait que le volcanisme et métamorphisme entraîne la libération de CO2 dans l’atmosphère. Au niveau des roches de Ca et Mg, il y a des puits de CO2 atmosphérique. On suppose que l’équilibre est maintenu par une rétroaction négative (pression du CO2 atmosphérique sur la température de surface de la terre et “weathering” des roches silicatés). On néglige les autres rétroactions, notamment au niveau de la photosynthèse des plantes.
Si l’entrée de Carbone dépasse la sortie, il y a augmentation du CO2 atmosphérique et de la température, jusqu’à un nouvel équilibre. Une rétroaction conduite par le CO2 au niveau du weathering doit donc maintenir l’équilibre.
Ce point de vue est controversé, avec plusieurs hypothèses conflictuelles; et le mécanisme est difficile à prouver. Par analyse de carotte de glace contenant des bulles de CO2, sur 650 millénaires, on voit des variation de 22 ppm de CO2. 2 explications sont possibles (ou les 2 à la fois)
- distribution du Carbone entre ou au sein des réservoirs de l’océan, de l’atmosphère et de la biosphère terrestre. Total Carbone constant.
- déséquilibre au sein des réservoirs endogènes (croûte, métamorphisme et volcanisme). Total Carbone non constant.
On a ainsi calculé ce déséquilibre sur les 650 kyr.
Globalement : les entrées de CO2 dans l’atmosphère dû au volcanisme, au métamorphisme et à l’oxydation du Carbone organique sont équilibrés par une assimilation du silice continental. Cet équilibre requiert une rétroaction stabilisante. Une des explication possible: « weathering rates are regulated by a feedback controlled by the concentration of atmospheric CO2 “
La preuve de l’action et l’effectivité de cette rétroaction est montré, elle joue un rôle essentiel dans la stabilisation à long terme du climat.
- Réaction de Lovelock
“fascinting and probably important analysis“.
Cependant il pense que Zeebe et Caldeira ont négligé le rôle important des organismes sur ou proche des roches (microbes, mousses); ceux-ci joue un rôle dans l’accélération des niveaux auxquels le CO2 est absorbé. Ce point démontré par ailleurs dans un article de Schwartzman et Volk.
Mais surtout, il pense que cette dernière étude est une tentative de canoniser la théorie de l’auto régulation de la Terre en tant qu’invention américaine. L’article ne fait aucune mention de la théorie Gaia, ni des recherches menées dans ce domaine il y a des années par Lovelock et Margulis.
Peut-être peut-on expliquer cette non utilisation du nom “théorie Gaïa” car elle décrédibiliserait les scientifiques?
=> Cette position de Lovelock est repris dans des termes pratiquement similaires sur toutes les autres pages Internet; mais est assez peu développé, ce que l’on peut expliquer par la nouveauté et le caractère récent de ce papier scientifique.