Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Le rapport spécial du GIEC (SR1.5) publié en octobre 2018 est sans équivoque. Avec un réchauffement global d'environ 1°C en 2017 par rapport au début de l'ère industrielle et une teneur de CO2 dans l'atmosphère de 400 parties par million, l'Homme a d'ores et déjà modifié substantiellement le climat. L'évaluation de scénarios climatiques à bas niveau d'émissions limitant le réchauffement global à venir en deçà de 2°C montre que nous sommes désormais face à un défi scientifique, technique et civilisationnel sans précédent. Le GIEC stipule que chaque année perdue en matière d'atténuation rend un peu plus plausible la perspective d'une véritable "catastrophe" climatique. Dans ce contexte alarmant, les techniques de modification du rayonnement solaire sont de plus en plus étudiées comme une alternative à court terme pouvant limiter les impacts liés à la hausse de la température globale, en attendant la mise en œuvre et/ou la faisabilité de techniques d'atténuation suffisamment efficaces. La modélisation du système Terre reste à ce jour le seul moyen d'étudier dans quelles mesures ces techniques pourraient effectivement s'insérer dans la lutte contre le changement climatique. Le but principal de cette thèse est de quantifier et de réduire les incertitudes quant à la réponse des modèles aux simulations de géo-ingénierie de type modification du rayonnement solaire, en accordant une attention toute particulière aux effets collatéraux sur les cycles de l'eau et du carbone. Dans un premier temps, nous avons exploité les simulations existantes du projet GeoMIP, et avons identifié une relation statistique émergente entre le refroidissement obtenu dans les simulations de modification du rayonnement solaire, et le refroidissement induit par les éruptions volcaniques majeures dans les simulations historiques. Sur la base de plusieurs jeux d'observations, nous avons évalué la réponse des modèles aux éruptions et ainsi contraint la réponse à la modification du rayonnement solaire, réduisant son efficacité potentielle de 20% et l'incertitude associée de 40%. Par la suite, nous nous sommes intéressés à la réponse du cycle du carbone et avons montré que les changements climatiques induits par cette forme de géo-ingénierie tendent à stimuler les puits de carbone continentaux et océaniques. Nous avons cependant pointé l'incertitude qui entoure les processus responsables de cette augmentation, et également la réversibilité du cycle du carbone en cas d'arrêt de la géo-ingénierie. Malgré le renforcement des puits naturels de carbone, ce dernier résultat confirme que cette forme de géo-ingénierie ne peut être considérée comme une technique d'atténuation du fait de la non pérennité du stockage additionnel des émissions anthropiques de carbone dans les réservoirs océanique et terrestre. Enfin, nous nous sommes intéressés à d'autres sources d'incertitudes, liées au choix du protocole expérimental ou du modèle mis en oeuvre. Nous avons en particulier mis en lumière l’influence potentielle de la stratosphère et de son couplage avec la circulation troposphérique sur la réponse régionale des modèles à nos latitudes.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Il existe un phénomène dans la pensée contemporaine qui s'appelle le changement climatique. Cependant, lorsque nous observons les sondages d'opinion, nous remarquons qu'il existe un grand écart entre les croyances sur le changement climatique de la communauté scientifique et le reste de la population. Ceci a mené une réflexion sur la manière dont le groupe responsable de la découverte et la transmission d'informations sur le climat peut être cru ou douté par le reste de la population et, de façon plus générale, le rôle de la science dans la résolution de controverses. Dans cette même intention, nous nous sommes servis de la sociologie pragmatique de la justification pour réconcilier les explications précédentes pour cet écart de même que la théorie du risque. Une exploration statistique a alors été employée pour tenter de comprendre la définition du risque qui soutenait la création d'organismes climatosceptiques américains. Nous avons fait ceci en construisant des modèles en nous servant de la régression logistique pour étudier la relation entre la croyance au consensus scientifique sur le changement climatique et quatre différentes facettes du phénomène en soi, contrôlés par des variables démographiques, religieux, de classe sociale, politiques et scientifiques. Nous avons pu ainsi déterminer quelles variables impactent la relation entre l'autorité scientifique et un phénomène en soi. Une étude de nos modèles nous a amenés à conclure que les catégories démographiques les plus privilégiées ainsi qu'une certaine classe sociale semi-spécialisée se servant davantage des techniques de production associés à la première modernité sont les plus propices à douter le changement climatique, indépendamment du consensus scientifique. Une recherche sociologie subséquente sur les organismes climatosceptiques doit donc être structurée autour de ces deux facteurs.

Les cycles biogéochimiques des éléments chimiques jouent un rôle essentiel dans le fonctionnement et l'évolution de tous les écosystèmes. Les éléments essentiels pour la vie sont les macro et micronutriments. Au niveau planétaire, la production primaire est principalement limitée par la biodisponibilité de l'azote et du phosphore. Dans la forêt boréale, l'azote est l'élément le plus souvent reporté comme limitant la production primaire. Paradoxalement, la quantité d'azote dans les sols boréaux est élevée. Cependant, l'azote se rencontre sous des formes très récalcitrantes (l'azote organique présent dans la couche de litière), difficilement accessibles par la biosphère. Les formes d'azote facilement mobilisables ainsi que l'entrée de nouvel azote par fixation biologique sont donc essentielles à la production primaire. La fixation d'azote est effectuée par des bactéries fixatrices symbiotiques et/ou non-symbiotiques, grâce à une métallo-enzyme, la nitrogénase. Étant donné que cette réaction est très coûteuse énergétiquement et que la disponibilité des métaux, tel que le cofacteur métallique (par exemple molybdène) joue un rôle important dans cette réaction, ce processus peut être limité par la biodisponibilité du phosphore et du molybdène. L'effet de l'azote et du phosphore sur la production primaire est bien connu dans la littérature. Cependant, peu d'informations sont encore disponibles sur le rôle de la biodisponibilité des métaux sur le processus de fixation d'azote et en conséquence sur le contrôle de la croissance de la forêt. Mieux comprendre les facteurs contrôlant la fixation d'azote en milieu boréal revêt également une importance capitale afin de mieux évaluer la réponse des écosystèmes au changement climatique. En effet, les effets du changement climatique restent très débattus. Cependant, la majorité de la communauté s'accorde sur le fait que la disponibilité de l'azote pour les plantes jouera un rôle de premier plan dans cette réponse. L'impact du changement climatique sur le couplage carbone/azote peut être très varié et difficile à prédire avec certitude. Dans le cadre des recherches présentées ici, l'objectif de notre travail a été de comprendre le rôle des métaux dans la fixation d'azote en milieu boréal dans un contexte du changement climatique. Il est possible de distinguer deux formes majeures de fixation d'azote; premièrement, la fixation symbiotique d'azote chez les plantes supérieures. La deuxième forme est la fixation non-symbiotique d'azote dans les sols notamment la couche de litière de feuilles où l'activité des bactéries fixatrices non-symbiotiques d'azote est plus active. La fixation non-symbiotique d'azote est particulièrement importante pour apporter l'azote nécessaire en forêt boréale. Cependant, notre connaissance sur l'impact du réchauffement climatique sur la fixation non-symbiotique d'azote reste également limitée. Dans un premier temps, nous avons évalué l'effet de la limitation en azote sur l'homéostasie métallique de l'aulne, principale plante fixatrice d'azote en milieu boréal, dans un contexte de changement climatique simulé par une augmentation de la concentration de CO2. Dans un deuxième temps, nous avons étudié le relargage des nutriments au cours d'une saison de décomposition de la litière de feuilles dans la forêt tempérée froide. En effet, il a été démontré que la fixation d'azote dans les litières en milieu tempéré est limitée par la disponibilité en phosphore mais également en molybdène. Cette limitation est fortement influencée par le type de couvert végétal et présente une dynamique saisonnière. La qualité des litières ainsi que la dynamique des nutriments durant la décomposition de la litière ont donc été proposées comme mécanismes importants contrôlant l'émergence de la limitation en phosphore et/ou molybdène. Cependant, bien que la libération de l'azote et du phosphore durant la décomposition soit bien documentée, la relation entre la libération des éléments (P et métaux) et la fixation non-symbiotique d'azote a été peu explorée. Les résultats de ce projet nous ont permis de comprendre comment la dynamique des métaux lors de la décomposition des litières peut influencer la fixation non-symbiotique d'azote. La démonstration de l'importance des métaux traces sur le contrôle des processus de fixation d'azote amène inévitablement à s'interroger sur les mécanismes permettant l'acquisition de ces éléments par les organismes fixateurs. Les métaux dans le sol peuvent être des ions solubles, peu solubles et/ou insolubles. La complexation d'ions métalliques solubles avec la matière organique insoluble réduit leur biodisponibilité, tandis que la formation de complexes organiques solubles peut augmenter leur biodisponibilité. Dans cette matrice complexe qu'est le sol, l'acquisition de métaux essentiels tels que le molybdène peut donc être un réel défi. Il a été démontré au cours des dernières années que les organismes fixateurs d'azote non-symbiotiques utilisent des mécanismes très spécifiques pour contrôler l'acquisition du molybdène et soutenir la fixation d'azote. Ainsi Azotobacter vinelandii, produit des métallophores capables d'influencer la spéciation extracellulaire de molybdène afin de mieux contrôler son acquisition. Dans le cas de la fixation symbiotique d'azote de tels mécanismes n'ont pas encore été caractérisés pour l'acquisition du molybdène. Cependant, l'aulne, comme d'autres plantes, est capable de former des symbioses avec des champignons mycorhiziens dont l'importance pour la nutrition en azote et en phosphates des plantes n'est plus à démontrer. Ces champignons sont fortement impliqués dans le recyclage de la matière organique et sont connus pour produire une grande diversité de sidérophores (potentiellement métallophores). Le rôle des champignons mycorhiziens dans la nutrition minérale soutenant la fixation d'azote demeure peu exploré. Le dernier objectif de ce projet de doctorat consistait ainsi à tenter d'identifier et caractériser les sidérophores chez diverses souches de champignons, notamment les champignons mycorhiziens. Les résultats de cette partie nous ont aidés à comprendre l'effet des microorganismes sur la dynamique des métaux via la production de métallophores. L'ensemble des résultats obtenus dans cette thèse nous a permis de mieux comprendre l'importance de la symbiose actinorhizienne dans la réponse de l'aulne au changement climatique. Ils ont également permis de mieux comprendre l'importance de la dynamique des micronutriments durant la décomposition de la litière sur l'émergence de la limitation en phosphore et en molybdène de la fixation non-symbiotique d'azote. Enfin, nous avons exploré la présence de métallophores chez les champignons mycorhiziens.

Dans le passé, des inondations dans des municipalités du bassin de la rivière du Lièvre et de la rivière des Mille-Îles, située en aval du bassin, se sont produites. Dans ce contexte, une étude sur l’impact et l’adaptation aux changements climatiques pour le bassin versant de la rivière du Lièvre, située au Québec (Canada) et en aval de celui-ci, a été réalisée. Une méthodologie pour limiter les inondations de la rivière des Mille-Îles a été testée. Cette méthodologie vise aussi à respecter les contraintes de niveau et de débits à soutirer dans les trois réservoirs à forte contenance du bassin de la rivière du Lièvre (Kiamika, Mitchinamecus et Poisson Blanc). La méthodologie globale repose sur le couplage « MRCC-Modèle hydrologique-Modèle de gestion ». Premièrement, les projections climatiques (températures et précipitations) utilisées sont celles du modèle régional du climat canadien (MRCC), couplé au modèle de climat global canadien (MCGC). La simulation hydrologique a été réalisée avec le modèle hydrologique Hydrotel pour fournir les débits dans différents points du bassin versant à l’étude. Finalement, le modèle de gestion fait appel à un modèle d’optimisation non linéaire avec recours, qui optimise les débits à soutirer des réservoirs. L’étude a été réalisée en utilisant un outil de gestion de réservoirs créé spécifiquement pour ce projet. L’outil est composé de projections hydrologiques d’ensemble, d’un modèle d’optimisation, d’un réseau de neurones, et d’un modèle de bilan d’eau. Les simulations des opérations ont été réalisées au pas de temps journalier en considérant trois scénarios climatiques (historique, de référence et futur). Les critères de performance de vulnérabilité et de fiabilité ont été utilisés pour évaluer la performance des réservoirs. La réserve de crue est le volume d’eau à emmagasiner dans les réservoirs pendant les périodes de crue. L’analyse de la réserve de crue a été réalisée en évaluant la quantité d’eau qui pourrait être retenue dans les réservoirs du système hydrique de la rivière du Lièvre, pour atténuer les risques d’inondation de la rivière des Mille-Îles.

Au Québec, la viticulture commerciale ou artisanale n’a que 35 ans. Cependant, le Québec est soumis à de nombreuses pressions climatiques comme la présence de gel hâtif à l’automne et tardif au printemps. La période de croissance (la différence entre le dernier gel au printemps et le premier gel à l’automne) est donc très limitée par la présence du froid. Dans un contexte de réchauffement climatique, cette période de croissance sera portée à s’allonger. Une plus longue période de croissance pourrait inciter les vignerons à modifier leurs cépages ou à augmenter la superficie cultivée. Trois vignobles ont fait l’objet d’étude et des prises de mesures spectrales des ceps y ont été effectuées. Des indices climatiques appliqués à la viticulture y ont été calculés sur une période de 30 ans avec les données du NARR et validés avec les données des stations météorologiques d’Environnement Canada. La moyenne de certains indices permet de les comparer à ceux des régions viticoles renommées comme Bordeaux et Dijon en France. L’étude des indices climatiques des 30 dernières années puis des 10 dernières années permet de découvrir qu’il existe un réel potentiel pour l’implantation de cépages nobles dans le sud du Québec. Ainsi, on remarque que l’énergie thermique est suffisante pour faire la culture de ces cépages. Cependant, la période sans gel est très variable et vient tempérer ces résultats. L’analyse des signatures spectrales de données de réalité de terrain permet de faire une différenciation entre les cépages en fonction des étapes de développement et de la vitesse d’adaptation des ceps aux pratiques culturales et au climat. Les longueurs d’onde entre 720-740 nm (proche infrarouge) et 550 nm (vert) sont les plus touchées par le changement. L’analyse dérivative permet d’éliminer les facteurs d’éclairement. De plus, il est possible de rehausser les différences dans les longueurs d’onde du pic de réflectance de la chlorophylle (≈720 nm). Avec toutes ses informations, il devient possible d’identifier les principaux cépages dans les vignobles grâce à des mesures spectrales temporelles. L’utilisation d’une image hyperspectrale et de données de réalité de terrain ont permis de différencier les cépages et d’en faire l’évolution phénologique entre deux saisons de croissance. Ainsi, avec l’extraction des signatures des pixels d’un secteur n’ayant pas subi de changement physiologique majeur (secteur de vieux ceps), la signature spectrale mesurée par le capteur est comparable à celles des données de réalité de terrain. L’analyse a permis de confirmer que l’énergie thermique acquise pour le 9 juillet 2009 (422 ∘C) est comparable à celle du 27 juin 2011 (419 ∘C). L’énergie thermique cumulée à ces deux dates suppose un développement comparable des cépages. Les similarités dans les signatures spectrales reflètent ce développement comparable.

A l'occasion de ce travail de thèse, nous avons souhaité contribuer aux études d'impacts du changement climatique sur le bilan d'eau en Europe. Nous avons utilisé les outils de la modélisation du climat, modèle de circulation générale et schéma de surface, et nous nous sommes placés à l'interface entre l'atmosphère et la surface. Ce travail s'est décomposé en deux parties. Dans un premier temps, nous avons étudié la sensibilité du bilan d'eau simulé par le schéma de surface du laboratoire, ORCHIDEE, à la résolution des forçages atmosphériques sur deux régions d'Europe, la péninsule ibérique et le bassin versant du Rhône (dans le cadre du projet international Rhône-AGG). Dans un deuxième temps, nous avons abordé la thématique des impacts du changement climatique sur le bilan d'eau sous un angle plus atmosphérique, par l'étude des dépressions qui traversent l'Atlantique en direction de l'Europe, et de leurs liens avec les précipitations.

Cette recherche évalue la prise en considération du point de vue des pays en développement dans quatre propositions de traités internationaux formulées pour donner suite au protocole de Kyoto. Comme celui-ci arrive à échéance en 2012, la communauté internationale étudie plusieurs propositions de traités qui pourraient lui donner suite. Ces dernières tentent, chacune à sa manière, de répondre à des limites de Kyoto. Une inégalité flagrante sévit dans le cadre du régime international actuel sur le climat: les pays en développement sont confrontés à plusieurs désavantages. En conséquence, ils revendiquent des améliorations. Ils demandent, par exemple, une meilleure prise en considération de leur adaptation aux impacts des changements climatiques. Dans ce contexte, il nous est apparu pertinent d'effectuer une évaluation critique de la prise en considération de leurs revendications dans quatre propositions de traités. Basée sur une collecte secondaire de documents écrits, notre analyse met en lumière le niveau d'intégration parfois très variable des revendications à l'intérieur de chaque traité proposé. Par exemple, l'un d'entre eux (nommé « Approche par secteurs de Schmidt et al. ») ne tient aucunement compte de la demande d'adaptation. Par contre, il intègre relativement bien d'autres revendications, notamment le droit au développement. Plus largement, notre évaluation révèle sous quelles modalités deux propositions répondent particulièrement bien à ces revendications, alors que les deux autres comportent davantage de lacunes. Par ailleurs, on constate que les discours des auteurs des propositions quant à l'intégration des revendications ne se traduisent pas toujours en des mesures concrètes et précises permettant de répondre réellement à ces revendications. Enfin, notre démarche soulève l'importance de soumettre l'évolution des négociations internationales sur le climat à l'analyse critique dans un esprit de solidarité internationale avec les pays en développement. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Changements climatiques, Pays en développement (PED), Inégalités Nord-Sud, Accords multilatéraux en environnement, Après-Kyoto, Post-2012, Propositions de traités, Scénarios politiques.