Kleidon A.
Essentiel : qui est Axel Kleidon ?
Axel Kleidon est assistant professeur au department de “Geography and Earth System Science Interdisciplinary Center” à l’université de Maryland aux Etats-Unis.
(Ph.D : géosciences, à l’université de Hambourg, Allemagne, 1998)
Ses recherches portent sur les interactions entre l’atmosphère et la biosphère, sur la science du système Terre, sur la biodiversité, l’hypothèse Gaia, la théorie de la « Maximum Entropy Production » (MEP), et les modèles de simulation numérique.
Ses recherches ont pour but de comprendre les interactions au sein du système Terre, avec un intérêt particulier pour le rôle de la vie. Selon Axel Kleidon, comprendre simplement les processus biologiques et physiques qui se réalisent sur Terre n’est pas suffisant pour comprendre ce que l’on observe, car les processus interagissent, conduisant à un comportement émergent auquel on ne s’attend pas simplement en regardant les processus pris seuls.
En particulier, il s’intéresse à la compréhension des interactions entre la végétation terrestre et le système climatique physique. C’est notamment par le développement de modèles que l’on peut comprendre ces interactions. L’ensemble de ces études se place à une échelle globale.
Ses arguments
A.Kleidon essaie de répondre à la question posée par l’hypothèse Gaia : existe-t-il des mécanismes de régulation par lesquels la vie affecte le système de fonctionnement de la Terre ? Si l’hypothèse Gaia stipule que les conditions proches de l’homéostasie sur la Terre ont été maintenues par et pour la biosphère, A.Kleidon donne un point de vue différent sur ces mécanismes. Il a une approche en termes de non-équilibres thermodynamiques. Il se concentre sur l’hypothèse de maximum de production d’entropie.
Axiome de la thermodynamique :
Un système atteindrait l’équilibre lorsque son entropie est maximale.
A. Kleidon argument l’idée que: “The biota introduce additional degrees of freedom to Earth system processes”.
On s’attend donc à ce que l’activité biologique et les processus de régulation qui sont affectés par cette activité biologique évoluent vers un état de MEP : c’est-à-dire de production maximale d’entropie.
Pour cela, A. Kleidon utilise des modèles de simulation climatique et par un modèle simple (selon ses mots) de relations entre le climat et le cycle du carbone. Grâce à cela, il montre qu’un comportement homéostatique peut émerger d’un état de MEP en association avec l’albédo de la planète.
Kleidon a également travaillé sur les relations entre climat et végétation : les résultats d’une de ses modélisation lui font conclure que le climat ne détermine pas la forme de la végétation et sa fonction, mais simplement le climat les contraint ; les conditions climatiques émergentes à la surface des terres semble proche de l’optimum pour le fonctionnement de la biosphère terrestre.
(Quantifying the biologically possible range of steady-state soil and surface climates with climate model simulations; 2007)
En faveur de l’hypothèse Gaia : Ses conclusions sont que les comportements biologiques des organismes vivants suivant la loi MEP peuvent très bien conduire à un état global de la Terre proche de l’homéostasie sur de grandes échelles de temps, comme le suggère l’hypothèse Gaia.
Cependant, ce qui fait différer le propos d’A.Kleidon par rapport à l’hypothèse Gaia traditionnelle, c’est que l’homéostasie est vue ici comme le résultat de l’application de l’hypothèse MEP aux processus biologiques influencés par la vie, plutôt qu’un postulat.
L’hypothèse MEP permet de comprendre aussi pourquoi la photosynthèse est un processus qui aurait fait émerger les systèmes de régulation de la Terre et met en lumière l’importance de la diversité biologique.
Le problème de l’hypothèse Gaia est que ce qui est bon pour une espèce peut être bon pour une autre, alors comment peut-on dire que la vie maintient les conditions qui lui sont favorables ? C’est pour faire face à ces critiques qu’A.Kleidon propose de définir Gaia comme un système optimisant, « a optimising Gaia ». La vie aurait une forte tendance à affecter la Terre de telle façon qu’elle augmente le bénéfice global. Par le piégeage du carbone.
Mais cela n’implique pas que la vie influence son environnement pour son propre bénéfice.
(Testing the Effect of Life on Earth’s Functioning: How Gaian Is the Earth System ?; 2004)
T.Volk a répondu aux critiques de Axel Kleidon.
Ses Publications
Beyond Gaia: thermodynamics of life and Earth System Functioning
Revue Climatic Change
Éditeur Springer Netherlands
Subject Collection Earth and Environmental Science
Date jeudi 4 novembre 2004
Abstract: Are there any general principles that govern the way in which life affects Earth system functioning? Most prominently, the Gaia hypothesis addresses this question by proposing that near-homeostatic conditions on Earth have been maintained “by and for the biosphere”. Here the role of the biota in the Earth system is described from a viewpoint of nonequilibrium thermodynamics, particularly with respect to the hypothesis of maximum entropy production (MEP). It is argued that the biota introduce additional degrees of freedom to Earth system processes. Therefore, we should expect biotic activity, and Earth system processes affected by the biota, to evolve to states of MEP. The consistent effects of the biota on entropy production are demonstrated with a conceptual model of biogeochemical cycling, by using extreme climate model simulations of a 
Desert World
and a Green Planet, and by a simple coupled climate-carbon cycle model. It is shown that homeostatic behavior can emerge from a state of MEP associated with the planetary albedo. This thermodynamic perspective is then discussed in the context of the original Gaia hypothesis and in light of a recent discussion in Climatic Change. Potential implications of the MEP hypothesis for global change research are also discussed. It is concluded that the resulting behavior of a biotic Earth at a state of MEP may well lead to near-homeostatic behavior of the Earth system on long time scales, as stated by the Gaia hypothesis. However, here homeostasis is a result of the application of the MEP hypothesis to biotically influenced processes rather than a postulate. Besides providing a fundamental perspective on homeostasis, the MEP hypothesis also provides a framework to understand why photosynthetic life would be a highly probable emergent characteristic of the Earth system and why the diversity of life is an important characteristic of Earth system functioning.
Testing the Effect of life on Earth’s functionnning: how Gaian is the Earth system?
Revue Climatic Change
Subject Collection Earth and Environmental Science
Date mardi 2 novembre 2004
Abstract: The Gaia hypothesis of Lovelock states that life regulates Earth’s functioning for its own benefit, maintaining habitable, or even optimum conditions for life. But what is beneficial? What is good for one species may be bad for another. Problems associated with this important, but ill-defined hypothesis make it difficult to test. In order to address these problems and make the concept of Gaia testable, I give a precise definition of terms. Based on these definitions, I put forward four null hypotheses, describing increasing beneficial effects of life on the conditions of Earth, ranging from an 
Antigaian
to an optimising Gaian null hypothesis. I list some indications for rejection of all but one hypothesis, and conclude that life has indeed a strong tendency to affect Earth in a way which enhances the overall benefit (that is, carbon uptake). However, this does not imply that the biota regulates Earth’s environment for its own benefit.
Quantifying the biologically possible range of steady-state soil and surface climates with climate model simulation
Revue Biologia
Subject Collection Biomedical and Life Sciences
Date mercredi 10 janvier 2007
Abstract: The terrestrial biosphere shapes the exchange fluxes of energy and mass at the land surface. The diversity of plant form and functioning can potentially result in a wide variety of possible climatic conditions at the land surface and in the soil, which in turn feed back to more or less suitable conditions for terrestrial productivity. Here, I use sensitivity simulations to vegetation form and functioning with a global climate model to quantify this possible range of steady-states (“PROSS”) of the surface energy-and mass balances. The surface energy-and water balances over land are associated with substantial sensitivity to vegetation parameters, with precipitation varying by more than a factor of 2, and evapotranspiration by a factor of 5. This range in biologically possible climatic conditions is associated with drastically different levels of vegetation productivity. Optimum conditions for maximum productivity are close to the simulated climate of present-day conditions. These results suggest the conclusions that (a) climate does not determine vegetation form and function, but merely constrains it, and (b) the emergent climatic conditions at the land surface seem to be close to optimal for the functioning of the terrestrial biosphere.