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Événements climatiques extrêmes et évolution des espèces (2/5)

Les leçons d’un passé lointain
Quels sont les changements climatiques abrupts dans le monde marin, ayant un impact sur notre environnement ? Quelles sont les interactions entre la faune et la flore face à la variabilité climatique ? Eléments de réponse dans cette deuxième partie du colloque de l’Académie des sciences consacré aux écosystèmes et événements climatiques extrêmes. Communications en anglais/français.


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Ce colloque de l’Académie des sciences qui s’est déroulé les 4, 5 et 6 juillet 2007 « Ecosystèmes et Evénements Climatiques Extrêmes » s’intéresse à la manière dont les écosystèmes (et les socio-écosystèmes) réagissent à des perturbations rares mais extrêmes de l’environnement.

Le thème central consiste à identifier quelles connaissances acquises ou à acquérir sont nécessaires pour préparer les sociétés humaines aux événements climatiques extrêmes.
Les orateurs tirent partie du passé pour évaluer l’influence possible du changement climatique sur l’accroissement de la population mondiale prévu à l’horizon 2050.

Retrouvez sur Canal Académie les cinq angles abordés au cours de ce colloque :
- Événements climatiques extrêmes et société,
- Leçons du passé lointain,
- Réponse des systèmes écologiques aux événements extrêmes,
- Besoin de connaissance,
- Se préparer aux événements extrêmes

Laurent LABEYRIE
Université Versailles St-Quentin, Institut universitaire de France, Laboratoire des sciences du climat et de l’environnement

Changes and millenial climate variability. Lessons from the marine world

A rapid succession of abrupt climatic events has punctuated the glacial interglacial cycles of the last million of years. These events have impacted the continents at high latitudes (with the ice sheet waxing, and the climatic consequences of the massive ice surges), but also at intermediate and low latitudes (with the rapid shifts between desertification and monsoons). For the marine realm, and independently of the local upwelling variability, major changes are observed at high latitudes (with the extension of sea-ice and polar waters) and in the intermediate and deep waters that hydrological properties have changed. Surface water flora and fauna (at least its fossilized component) have principally responded to these shifts by changes in habitat and productivity, most often without modifications of the ecotypes. This observation is the foundation of all paleoceanographic reconstructions based on modern analogs. The problem gets more complex for intermediate and deep waters, which have not only changed in their physical properties (temperature, salinity) but also in their chemistry, in particular their dissolved O2, CO2 and other associated elements. This domain is still imperfectly studied, as the only benthic fossils found in sediments accumulated within periods of low bottom water oxygen content are skeletons of endobionte benthic foraminifera, which, at least for certain species, are breathing nitrates. However, marine sediments record periods with rapidly changing [CO3]2- concentration, with associated preservation peaks of the fragile pteropods aragonite, or at the opposite dissolution peaks for coccoliths and foraminifera shells, which are interpreted as periods with large changes in dissolved CO2 concentration, or reorganization of deep water masses distribution. One may look at these periods for at least partial analogs of the future evolution of the oceans, with the rapidly increasing CO2 flux to the oceans.

Les eaux intermédiaires et profondes ont changé dans leurs propriétés physiques (température, salinité), mais aussi dans leur chimie, en particulier leur teneur en O2
Les eaux intermédiaires et profondes ont changé dans leurs propriétés physiques (température, salinité), mais aussi dans leur chimie, en particulier leur teneur en O2

Changements abrupts et variabilité millénaire du climat : leçons du monde marin

La Terre a connu une succession rapide d’évènements climatiques abrupts de grande amplitude au cours des cycles glaciaires-interglaciaires du dernier million d’années. Ces évènements ont affecté les continents aussi bien aux hautes latitudes (avec l’extension des glaciers continentaux, et les conséquences climatiques des épisodes de débâcle massive), qu’aux latitudes intermédiaires ou tropicales (avec des alternances rapides sécheresse/mousson). Dans le domaine marin, ce sont surtout aux hautes latitudes (avec l’extension de la glace de mer et des eaux polaires) et dans les océans intermédiaires et profonds que les propriétés hydrologiques ont été affectées. La flore et la faune de surface (du moins celles qui possèdent des squelettes fossilisables) ont essentiellement marqué ces modifications par des changements d’habitats et de productivité, mais le plus souvent sans altérations significatives des écotypes, au moins pour les dernières centaines de milliers d’années. C’est sur ces observations que reposent de nombreuses reconstructions paléocéanographiques, établies en référence aux analogues actuels. Le problème est plus complexe pour les eaux intermédiaires et profondes, qui ont non seulement changé dans leurs propriétés physiques (température, salinité), mais aussi dans leur chimie, et en particulier leur teneur en O2 dissous, CO2, et autres éléments associés. Ce domaine est encore très imparfaitement étudié, car les seuls fossiles benthiques retrouvés dans les sédiments accumulés dans des zones et périodes de faible oxygénation des eaux de fond sont les squelettes de foraminifères endobiontes, qui (au moins pour certaines espèces) respirent les nitrates dissous en absence d’oxygène. Par contre, on retrouve dans les sédiments des évidences de périodes où la saturation en [CO3]2- a fortement et très rapidement changé, conduisant à des pics de préservation de ptéropodes (à squelette d’aragonite), ou au contraire des pics de dissolution de coccolithes, foraminifères et autres microfossiles à squelette carbonaté, traduisant des changements de teneurs en CO2 ou de large réorganisations des masses d’eau profondes. On peut rechercher dans ces périodes des analogues au moins partiel de l’évolution future des océans, avec l’augmentation rapide du flux de CO2 vers l’océan.

Joël Guiot
Centre Européen de Recherche et Enseignement en Géosciences de l’Environnement (CEREGE)

Interactions entre végétation et variabilité climatique : quelles sont les leçons de la modélisation en relation avec les données du passé ?

Interactions between vegetation and climate variability : what are the lessons from modelling in relationship to the data of the past ?

La diversité des écosystèmes (continentaux) actuels est fortement imprégnée des oscillations climatiques du Quaternaire (alternances glaciaire-interglaciaire). Ainsi, au Pliocène (5.32 à 1.77 Ma BP.), nos latitudes tempérées connaissaient une végétation riche en espèces tempérées et subtropicales.
Ce mélange n’a aucun analogue actuellement. L’arrivée périodique des glaciations depuis le début du Quaternaire a relégué la composante sub-tropicale au sud de l’axe Méditerranée- Caspienne. Depuis la fin de la dernière glaciation ( 11.5 ka BP), en surimposition au climat, l’homme a marqué cette diversité de manière de plus en plus forte durant les derniers millénaires. A l’échelle du Quaternaire, les oscillations climatiques, qui ont été déterminantes pour les écosystèmes en les plongeant dans des états extrêmes, ont des temps caractéristiques de plusieurs milliers d’années (cycles de Milankovitch). Les variations plus rapides qu’a connu l’Holocène (dix mille dernières années), même si elles étaient plus faibles en amplitude, n’en ont pas moins marqué les écosystèmes. Le Petit Age Glaciaire (entre 1500 et 1900 AD) en est un exemple frappant. Actuellement, la question se pose de savoir si, pour un état moyen constant du climat, un changement dans la fréquence des extrêmes (canicules ou inondations par exemple) peut avoir un effet à moyen ou long terme sur les écosystèmes. Autrement dit, dans les états climatiques extrêmes du passé, la végétation répond-elle plus à un changement de moyenne ou à un changement de variabilité ? Les implications pour le réchauffement futur sont importantes. La connaissance du passé s’impose pour comprendre les interactions végétation-climat à différentes échelles de temps. Les principales sources d’information sur les communautés végétales et animales sont le pollen accumulé dans les sédiments, les macro-restes végétaux, et les restes d’animaux accumulés dans les sites paléontologiques et archéologiques. Pour le dernier millénaire, qui permet de retracer à l’échelle fine les effets de la variabilité interannuelle du climat sur les écosystèmes terrestres, les indicateurs privilégiés sont les séries de croissance annuelle des arbres (dendrochronologie). La modélisation du fonctionnement des écosystèmes, appliquée en interaction avec les données permet de comprendre ce que nous montrent ces dernières, tout en permettant une validation de modèles tournant pour des conditions environnementales différentes de l’actuelle. Ces modèles dûment validés permettent d’appréhender la vulnérabilité des écosystèmes aux changements futurs. Les variations de la composition de la végétation des écosystèmes terrestres sont enregistrées par les données polliniques qui donnent accès, grâce à l’usage de fonctions de transfert, au type de végétation, au bioclimat et/ou à la productivité primaire qui les caractérisent. Cependant le décodage de ces informations suppose des hypothèses fortes qui ne sont pas toujours remplies. Une alternative est le recours à la modélisation mécaniste. Nous présenterons des résultats de reconstruction de la variabilité climatique en Europe pour deux périodes extrêmes : le dernier maximum glaciaire et l’optimum climatique de l’Holocène moyen. Pour cette dernière, nous montrons comment la variabilité du climat a pu changer, fournissant un test de la qualité des modèles climatiques. Nous présenterons également des illustrations de l’effet respectif du taux de CO2 atmosphérique et du climat sur la limite des forêts dans les montagnes tropicales. Enfin, nous montrons comment il est possible de tester l’effet de la variabilité du climat (changement de la fréquence et de l’amplitude des extrêmes, changement de saisonnalité) par rapport aux changements de moyenne, et cela aussi bien en climat froid que chaud.

En ce qui concerne les derniers siècles, les données dendrochronologiques ont permis la reconstitution des températures estivales et d’un indice de sécheresse en région méditerranéenne, permettant d’étudier les changements de fréquence des événements extrêmes. En parallèle, un modèle de croissance a été calibré et validé sur de grandes échelles temporelles grâce à ce type de données. Il a permis finalement d’étudier la sensibilité des forêts méditerranéennes aux changements globaux, grâce à l’utilisation de scénarios climatiques IPCC pour le 21e siècle.

Adrian Lister
Natural History Museum, Department of Palaeontology, Cromwell Road

Impact du changement climatique sur la distribution et l’extinction des grands mammifères lors de la dernière transition glacière/interglacière.

The impact of climate change on large mammal distribution and extinction at the last glacial/interglacial transition.

The last major global revolution of climate and ecosystems was the transition from the last glacial stage to the present interglacial. From the time of the Last Glacial Maximum (around 25k cal BP) to the early Holocene, vegetational belts underwent major reorganisation and with them, mammalian communities shifted their ranges and compositions. These patterns have been explored in recent years by extensive programmes of direct radiocarbon dating of megafaunal remains, principally using the AMS method. The most detailed information is available for large mammals of northern Eurasia, including extinct species such as the woolly mammoth (Mammuthus), woolly rhinoceros (Coelodonta), giant deer (Megaloceros) and cave bear (Ursus spelaeus), as well as survivors of this revolution such as horse (Equus), bison (Bison) and reindeer (Rangifer).
New data are showing that the series of environmental changes comprising the Last Glacial Maximum, Late-glacial interstadial and stadial (Younger Dryas), and transition to the Holocene, affected the ranges of these species dramatically, but in differing ways for each taxon ; and these differences can in many cases plausibly be linked to the particular ecologies of the species concerned.

The revealed patterns of distributional change also show that for species that ultimately went extinct, the reduction in their range down to zero (extinction) was a prolonged and geographically complex process, sometimes taking tens of thousands of years. Recent genetical studies using DNA from fossils such as bison and mammoth also contribute evidence on this, showing population movements and, especially, progressive loss of genetic diversity in the trajectory to extinction.
The concept of ‘refugia’ is also shifting. Recent work (for example on arctic fox) suggests that species do not ‘retreat’ to refugia but simply die out in other areas. So-called ‘refugia’ are therefore really core areas which need to be populated if the species is to survive adverse conditions. The expansion and contraction of taxa are inverse for differently-adapted species ; thus, species such as red deer (Cervus elaphus) or moose (Alces), that were refugial during glacial stages, expanded their ranges at the last glacial/interglacial transition, while formerly widespread glacial-adapted species are now, if they have survived at all, surviving in refugia. Moreover, species cannot necessarily be expected to ‘find’ remaining or shifted patches of their required habitat under future globally-altered conditions, even if those habitats escape human-mediated destruction.

Écoutez également les quatre autres parties de ce colloque :
- Événements climatiques extrêmes et société (1/5)
- Réponses de systèmes écologiques aux évènements extrêmes (3/5)
- Événements climatiques extrêmes : bilan actuel des connaissances (4/5)
- Événements climatiques extrêmes : comment s’y préparer ? (5/5)

En savoir plus sur :
- L’Académie des sciences






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