Dynamique du système climatique : décrypter pour mieux agir

Difficile de rendre compte, en quelques phrases, de toute la complexité du système climatique de la planète Terre. Celui-ci englobe l’ensemble des interactions et échanges entre les différents réservoirs terrestres, dont les principaux sont l’atmosphère, l’hydrosphère (les océans et cours d’eau) ainsi que la biosphère, c’est-à-dire l’ensemble des organismes vivants. Des échanges d’énergie mais également de matières, telles que du carbone ou de l’azote, s’opèrent en permanence dans le système, accélérant ou diminuant certains processus du changement climatique.

Nathaelle Bouttes, chercheuse au Laboratoire des sciences du climat et de l’environnement (LSCE – Univ. Paris-Saclay/CNRS/CEA/UVSQ), dédie justement ses études au cycle du carbone et notamment aux échanges entre l’atmosphère et les océans, qui concentrent à eux seuls une part importante de l’évolution du climat. Le carbone est en effet principalement échangé entre les réservoirs sous forme de dioxyde de carbone (CO₂), l’un des gaz à effet de serre les plus répandus à l’échelle de la planète.

« À l’état naturel, il y a un équilibre entre les puits, qui enlèvent le CO₂ de l’atmosphère, et les sources, qui rejettent ce CO₂ dans l’atmosphère », explique Nathaelle Bouttes. « Depuis quelques décennies, cet équilibre est modifié par les activités humaines qui produisent du CO₂ en surplus et perturbent l’ensemble du système. » Aujourd’hui, selon la chercheuse, les océans et la biosphère terrestre absorbent chacun environ un quart des émissions de CO₂, la moitié restante se maintenant dans l’atmosphère.
 

L’impact des coraux sur le climat… et inversement

Dès lors, comment mieux comprendre le cycle du carbone et prédire son évolution dans les prochaines décennies ? C’est la question à laquelle tente de répondre Nathaelle Bouttes, spécialiste de la modélisation du climat. Dès 2016, la chercheuse s’intéresse plus particulièrement à l’hydrosphère et aux liens entre les coraux, le carbone et le climat. « Le développement des récifs coralliens est directement affecté par la hausse du niveau marin et l’augmentation du CO₂ dans l’atmosphère. En captant une partie du CO₂, les océans s’acidifient, ce qui fragilise la structure en carbonate de calcium des coraux », développe-t-elle. « Mais les coraux agissent aussi sur le climat de manière indirecte : en utilisant des ions carbonate pour construire leur squelette, ceux-ci augmentent également la quantité de CO₂ dissous dans l’océan, ce qui a tendance à libérer du CO2 dans l’atmosphère. »

Afin de mieux représenter ces interactions, Nathaelle Bouttes et son équipe développent un module dédié à la simulation des récifs coralliens, destiné à être implémenté dans des modèles du système terrestre. Baptisé iCORAL, celui-ci est capable d’estimer à fine échelle la production de coraux en fonction de différents paramètres, tels que la température, la salinité ou encore la quantité de lumière et la surface disponibles. En 2024, l’équipe décrit le modèle et le compare aux données de terrain récoltées afin de valider sa fiabilité. En 2025, elle l’utilise pour simuler l’impact du climat sur les récifs coralliens jusqu’en 2300. À terme, la chercheuse et son équipe ont pour objectif de retracer et d’expliquer les variations de la teneur en CO₂ dans l’atmosphère sur les derniers 800 000 ans. « Il est important de mettre en regard le passé et le futur pour comprendre comment le CO₂ a évolué sur le temps long et pour estimer le temps pendant lequel le CO₂ ajouté par les humains restera dans l’atmosphère et aura des répercussions sur l’ensemble du système. Ces simulations donnent à voir l’héritage que nous laisserons aux générations futures », commente la chercheuse.

En attendant, afin de rendre leur modèle plus exhaustif, Nathaelle Bouttes et son équipe tentent de mieux représenter la rétroaction des coraux sur le climat. « Au regard du cycle du carbone uniquement, la diminution de la production de carbonate de calcium par les récifs coralliens a plutôt tendance à aider au stockage de carbone dans l’océan. Mais les coraux fournissent également des services cruciaux pour l’environnement et la biodiversité », développe-t-elle. Pour la chercheuse, c’est précisément cette complexité d’interactions qui rend l’étude du système climatique si passionnante. « Un grand nombre de composantes interagissent les unes avec les autres et à tous les niveaux ! Cela rend les collaborations entre disciplines nécessaires et très riches », se réjouit-elle.
 

Prédire les émissions d’ammoniac des pratiques agricoles

Nicolas Vuichard, également chercheur au LSCE, travaille lui aussi à la modélisation de systèmes complexes. Si le scientifique s’est d’abord intéressé au cycle du carbone dans les écosystèmes terrestres, il se spécialise aujourd’hui sur le cycle de l’azote, autre élément majeur dans la compréhension du système climatique. « Les cycles du carbone et de l’azote sont très liés. Toute perturbation de l’un de ces cycles a un impact sur l’ensemble du système », explique Nicolas Vuichard. Comme l’explique le chercheur, bien que l’azote soit un élément essentiel au vivant, les effluents d’élevage et les engrais azotés émettent de l’ammoniac (NH₃), un composé qui contribue à la formation d’aérosols dans l’atmosphère et a des répercussions sur le climat et la qualité de l’air. Les émissions d’ammoniac d’origine agricole et leurs impacts sont cependant difficiles à quantifier, les processus biologiques en jeu étant complexes et les pratiques agricoles et l’utilisation d’engrais azotés variant d’une région à l’autre.

En 2023, Maureen Beaudor, doctorante au LSCE, et son équipe d’encadrantes et d’encadrants travaillent à la création d’un module pour mieux représenter ces flux d’ammoniac agricoles. Baptisé CAMEO, (pour Calculation of ammonia emission in ORCHIDEE), ce modèle est destiné à être implémenté au modèle global de surface terrestre ORCHIDEE, mais également plus largement au modèle du système Terre utilisé par les scientifiques de l’Institut Pierre-Simon Laplace (IPSL). « Historiquement, cette modélisation comportait principalement des échanges d’énergie, d’eau et de carbone entre atmosphère, océans et surfaces continentales », précise Nicolas Vuichard. « Au fur et à mesure, notre équipe y intègre d’autres cycles, tels que celui de l’azote, afin d’avoir un modèle plus exhaustif qui prend en compte l’ensemble des interactions et des rétroactions du système. »

Pour obtenir la représentation la plus réaliste possible, les scientifiques alimentent le modèle avec des données d’entrées liées à l’état des sols, mais également à des données telles que la taille des cheptels des différentes catégories d’animaux ou l’apport d’engrais azotés dans les cultures et les prairies gérées. Pour la première fois, Nicolas Vuichard et son équipe prennent également en compte la biomasse produite par les cultures dans le calcul des apports d’engrais organiques, pour rendre leur modèle plus fidèle et autonome. « Auparavant, les apports d’engrais étaient uniquement vus comme une donnée d’entrée exogène, alors que les systèmes agricoles produisent également des engrais organiques via la biomasse produite et ingérée par les animaux », précise le chercheur. Aujourd’hui, le modèle prend en compte à la fois les apports d’engrais synthétiques et les apports organiques, qui varient en fonction du type d’élevage.

En 2025, une fois le module CAMEO testé et validé, le chercheur et son équipe parviennent à simuler les émissions d’ammoniac jusqu’en 2100, en fonction de différents scénarios socio-économiques ; une prouesse rendue possible grâce à une méthode originale proposée par l’équipe de recherche pour estimer les densités de bétail entre 2015 et 2100. Leurs résultats suggèrent une augmentation de 30 à 50 % des émissions totales d’ammoniac par l’agriculture en 2100, dont 20 % directement imputables au changement climatique. D’autre part, les scientifiques identifient le continent africain comme la région la plus émettrice au monde en 2100, dans un contexte d’augmentation de la production animale. Pour compléter ces résultats, Nicolas Vuichard prévoit d’explorer d’autres scénarios socio-économiques, notamment liés à l’évolution des régimes alimentaires, afin de prévoir l’impact de ces différents modes de consommation sur le changement climatique.
 

Le chrome : un risque émergent de pollution de l’eau douce

Pour les modélisateurs et modélisatrices du climat, même les scénarios les plus optimistes mènent aujourd’hui à un réchauffement à l’échelle globale. Ce réchauffement, aux multiples conséquences, contribue notamment à intensifier les sécheresses et incendies, dont les conséquences environnementales sont encore mal connues. Cécile Quantin, enseignante-chercheuse au laboratoire Géosciences Paris-Saclay (GEOPS - Univ. Paris-Saclay/CNRS), s’intéresse avec ses collaborateurs et collaboratrices aux conséquences de ces feux sur les sols de Nouvelle-Calédonie, une île française située dans l’océan Pacifique où 50 000 hectares brûlent en moyenne chaque année. Les sols y sont très divers et pour certains naturellement riches en métaux tels que le nickel, le cobalt et le chrome. Ce dernier, sous sa forme trivalente, est peu soluble et inoffensif pour les organismes vivants, dont l’être humain.

Afin de mieux comprendre l’influence des incendies sur les sols et les métaux qu’ils contiennent, Gaël Théry, doctorant au laboratoire GEOPS encadré par Cécile Quantin et ses collègues, prélève puis chauffe en laboratoire différents échantillons de sols et analyse les effets induits sur le chrome. Les premiers résultats, publiés en 2024, montrent que le chrome trivalent du sol s’oxyde partiellement en chrome hexavalent dans tous les sols étudiés, et ce dès 400 °C. Pour Cécile Quantin, ces premiers résultats traduisent un risque émergent pour la qualité de l’eau : « Le chrome hexavalent est d’une part hautement toxique pour la santé humaine, reconnu comme cancérigène, mais est également très mobile et a tendance à contaminer les sources en eau douce, donc à polluer les eaux en métaux », explique-t-elle. Si le chrome est présent naturellement dans les sols du monde entier à des teneurs variées, ces conclusions sont particulièrement alarmantes en contexte insulaire, où les réserves en eau douce sont limitées. La scientifique et son équipe appellent à une évaluation plus approfondie des risques causés par les feux sur la pollution de l’eau douce par les métaux à l’échelle mondiale. En attendant, une autre étude dédiée au nickel en Nouvelle-Calédonie est en cours de publication par l’équipe de recherche.

Cécile Quantin et ses collègues travaillent également dans d’autres régions du monde, dans les zones minières du Brésil et de l’Inde notamment, ou encore en Chine pour observer le transport des matières en suspension dans le fleuve Huanghe. En métropole, la scientifique et sa collègue Alexandra Courtin s’intéressent à l’impact des déchets miniers et aux risques potentiels pour la santé humaine. « Dans l’Allier (03), des déchets miniers sont stockés à même le sol et sans aucune protection depuis des années. Quand il pleut, les métaux qu’ils contiennent - du plomb, de l’arsenic ou encore de l’antimoine - se solubilisent, s’infiltrent et se retrouvent dans les rivières, voire dans l’eau de consommation. Ce n’est pas anodin pour les habitantes et habitants du centre de la France. » Cécile Quantin espère que ses recherches dans cette région contribueront à une meilleure gestion des déchets miniers, compte tenu de leurs impacts sur la santé humaine et l’environnement.
 

Les zones humides pour limiter le transfert de pesticides vers l’environnement

Au regard de ces éléments, une question vient tout naturellement à l’esprit : comment limiter le transfert de matière des sols pollués vers les cours d’eau ? Cette interrogation est depuis 1998 au cœur des recherches de Julien Tournebize, chercheur au laboratoire Hydrosystèmes continentaux anthropisés - ressources, risques, restauration (HYCAR – Univ. Paris-Saclay/INRAE). D’abord spécialisé dans les transferts de nitrates issus d’engrais azotés dans les vignobles alsaciens, l’hydrologue s’intéresse ensuite aux pesticides et aux solutions fondées sur la nature - ou zones tampon - capables de limiter leurs transferts. « Je travaille sur tout ce qui peut intercepter l’eau, sur son chemin entre la zone de production agricole et le milieu aquatique. Aujourd’hui, l’espace rural est fortement homogénéisé pour favoriser la production agricole. Mon travail consiste à étudier et à réintroduire des éléments de paysage divers, qui sont à la fois favorables à la biodiversité, mais qui font également obstacle aux transferts de contaminants. »

Depuis 2005, Julien Tournebize et son collègue Cédric Chaumont du laboratoire HYCAR portent un projet dédié au site de Rampillon, en Seine-et-Marne, où une zone humide a été aménagée en 2010 pour limiter les transferts des nitrates et de pesticides vers les nappes phréatiques. Dans ce « laboratoire grandeur nature », ils effectuent des relevés scientifiques sur le long terme de la qualité de l’eau, des inventaires de biodiversité ou encore des tests écotoxicologiques. L’objectif : mieux estimer l’efficacité de ces zones dans le piégeage des composés, mais également évaluer l’impact de l’exposition aux pesticides sur la biodiversité présente. Entre 2019 et 2023, Julien Tournebize et son équipe intègrent l’étude du site de Rampillon au projet PESTIPOND, développé en collaboration avec une équipe de recherche de l’Université de Strasbourg. Le projet s’intéresse aux retenues d’eau naturelles et artificielles et à leurs mécanismes de rétention et de dégradation des pesticides, encore peu explorés. Les données obtenues grâce à cette collaboration alimentent des modèles mathématiques capables de prédire et de quantifier les transports de pesticides des parcelles agricoles vers les retenues d’eau à plus large échelle. Le modèle est notamment utile aux gestionnaires de terrain ou aux agriculteurs et agricultrices qui souhaitent réduire la pollution aux pesticides de leur parcelle, en estimant par exemple la surface de zone tampon nécessaire selon l’efficacité souhaitée. Le modèle a également abouti à une classification des pesticides en fonction de leur absorption et de leur persistance dans les zones humides.

Julien Tournebize, qui participe par ailleurs à des conseils scientifiques au sein de ministères, travaille aujourd’hui sur le bilan carbone des zones humides qui, après plusieurs années, deviennent des puits de carbone importants. Il déplore cependant que les solutions fondées sur la nature soient encore trop peu reconnues et intégrées dans les politiques d’aménagement du territoire. Le chercheur rappelle également l’importance d’un travail à l’échelle locale, au plus près des acteurs et actrices du territoire. « L’espace dans lequel nous vivons est une zone critique où tout interagit. Chaque action locale influence les grandes trajectoires de matière, et les travaux à grande échelle permettent d’anticiper les conséquences au niveau local. Nous sommes dans une complémentarité de connaissances et de diffusion », estime-t-il.
 

Repenser le stockage du carbone au niveau européen

Claire Chenu, chercheuse au laboratoire Écologie fonctionnelle et écotoxicologie des agroécosystèmes (Ecosys – Univ. Paris-Saclay/INRAE/AgroParisTech), fait partie des scientifiques qui pensent le système climatique à l’échelle européenne. Elle s’intéresse tout particulièrement aux sols, qui contiennent deux à trois fois plus de carbone que l’atmosphère, selon les estimations de la communauté scientifique. « Les matières organiques des sols, constituées principalement de carbone, jouent un rôle essentiel dans la santé des sols et donc dans leur aptitude à rendre des services écosystémiques, tels que l’approvisionnement en biomasse via la croissance des plantes ou encore la régulation du cycle de l’eau. Cependant, partout dans le monde, les stocks de carbone organique des sols diminuent en raison de changements d’usage et de pratiques non durables, telles que la déforestation et l’artificialisation des sols », développe Claire Chenu.

La scientifique dirige aujourd’hui un programme de recherche européen sur la gestion climato-intelligente et durable des sols agricoles. Cette notion inclut à la fois l’atténuation du changement climatique et l’adaptation des agroécosystèmes, et se traduit essentiellement au niveau européen par le maintien et l’augmentation du stockage du carbone dans les sols. Baptisé EJP SOIL, le programme rassemble plus de 800 personnels de recherche issus de 24 pays européens et 46 organismes de recherche ou universités. Avec le soutien de la commission européenne, l’équipe scientifique initie de nombreux projets de recherche pour répondre à « un besoin de développement, de transfert, de partage et d’harmonisation des connaissances au niveau européen ». En 2024, l’équipe publie une analyse des stratégies de surveillance du carbone organique du sol (COS) de cinq pays européens afin d’en proposer une potentielle harmonisation, ainsi qu’une comparaison des systèmes nationaux de surveillance des sols existant en Europe. La même année, l’équipe de recherche publie deux autres études sur le sujet. L’une s’intéresse aux indicateurs de la qualité des sols et aux leviers actionnables pour inverser leur dégradation ; la seconde évalue l’efficacité des pratiques favorisant un stockage additionnel de carbone par les sols, telles que l’agroécologie et l’agroforesterie.

Si le projet EJP SOIL s’est achevé en 2025, Claire Chenu continue de s’impliquer au niveau européen à travers la Mission Sol et intervient notamment auprès de la représentation française à Bruxelles et de l’Union européenne pour délivrer les conclusions de l’EJP SOIL. Elle note cependant que « l’effet du changement climatique est une variable encore trop peu prise en compte dans les études scientifiques. » En effet, comme l’explique Nicolas Vuichard, « beaucoup de solutions d’atténuations basées sur la nature postulent que la capacité de stockage des différents réservoirs restera inchangée. Les connaissances actuelles portent cependant à croire que la capacité de puits de carbone des sols sera réduite plutôt qu’amplifiée. » Pour Nathaelle Bouttes également, « rien n’assure que la capacité de puits des réservoirs, dont les océans, continuera d’être efficace sur le temps long ». À l’échelle locale, Julien Tournebize s’interroge quant à lui sur le devenir et les conséquences à long terme des pesticides, qui s’accumulent dans les sols agricoles sans se dégrader.

Malgré ces incertitudes grandissantes et des événements climatiques extrêmes de plus en plus difficiles à anticiper, les scientifiques appellent à une plus grande considération de l’impact des activités humaines sur la dynamique du système climatique. Pour Claire Chenu, « au rythme actuel, l’Europe se dirige vers une trajectoire à +4 °C d’ici 2050. La situation climatique est telle qu’il faudrait actionner tous les leviers possibles pour en limiter les conséquences. » Nicolas Vuichard confirme : « Il existe aujourd’hui largement assez d’études et de propositions de solutions. Il n’est plus possible de justifier l’inaction par un manque de connaissances ou par un trop grand nombre d’incertitudes. »

Références :

• Beaudor M., Vuichard N., et al. Future Trends of Global Agricultural Emissions of Ammonia in a Changing Climate. Journal of Advances in Modeling Earth Systems, 2025.
• Bouttes N., et al. Implementing the iCORAL (version 1.0) coral reef CaCO3 production module in the iLOVECLIM climate model. Geoscientific Model Development, 2024.
• Meurer K., Chenu C., et al. How does national SOC monitoring on agricultural soils align with the EU strategies? An example using five case studies. European Journal of Soil Science, 2024.
• Théry G., Quantin C., et al. Heating effect on chromium speciation and mobility in Cr-rich soils: A snapshot from New Caledonia. Science of The Total Environment, 2024.
• Tournebize J., et al. PESTIPOND: A descriptive model of pesticide fate in artificial ponds: II. Model application and evaluation. Ecological Modelling, 2023.