Littérature scientifique sur le sujet « Puits de dioxyde de carbone (chimie de l'atmosphère) – Télédétection »

La composante terrestre du cycle du carbone est caractérisée par une grande disparité géographique et une forte variabilité interannuelle. Il est important de suivre et également d’essayer de prédire l’évolution de ce puits en réponse au changement climatique et aux activités humaines. La connaissance de la physique de la mesure satellitaire nous permet de modéliser les effets directionnels de la surface terrestre et de corriger la mesure de ces effets. Nous créons ainsi des séries temporelles d’indice de végétation peu bruitées sur environ trois décades et nous en extrayons des informations sur la phénologie, qui est l’étude des phases clés du cycle annuel végétal en relation avec le climat. Ces données satellitaires peuvent également être exploitées par les modèles globaux de végétation, pour : la validation de l’indice de surface foliaire pronostiqué ; l’assimilation qui permet l’amélioration des bilans des flux de carbone ; la calibration des modèles phénologiques
The land surface component of the carbon cycle exhibits a large geographical disparity as well as a large interannual variability. It is important to survey and also to try predicting the evolution of this sink in response to climate change and human activities. A good knowledge of the physics of the satellite measurement allows us to model the land surface directional effects and thus to remove them from the measurement. We then construct less noisy time series of vegetation indices over almost three decades, from which we extract phenological parameters, phenology being the study of key-stages of the vegetal annual cycle in relation to climate. These satellite data may also be used for global vegetation models: to validate the modeled Leaf Area Index; to be assimilated and thus help improve the carbon fluxes budget; to calibrate phenological models

Dans un contexte généralisé de changements climatiques et d'érosion de la biodiversité, la gestion durable des territoires et des ressources naturelles est devenue une question centrale dans l'élaboration des politiques de développement des pays. A l'échelle du Gabon, d'une part, Libreville a évolué en centre urbain principal, en concentrant très rapidement, depuis l'accession du pays à son indépendance au début des années 1960, une forte densité démographique comparée à l'échelle nationale. D'autre part, à l'instar de l'ensemble du territoire, la capitale gabonaise abrite des écosystèmes riches en biodiversité et d'importance écologique majeure (forêts terrestres et mangrove) qui jouent un rôle important aussi bien au niveau local que régional, voire international (séquestration du carbone atmosphérique). Cette thèse a donc pour objet principal l'étude de l'impact de l'artificialisation des sols sur les puits naturels de carbone de Libreville, sur une période de deux décennies allant de 2001 à 2022. Les méthodes d'évaluation physique des ressources naturelles s'appuient sur le principe la soutenabilité forte, c'est-à-dire le maintien du capital naturel et permettent de répondre aux exigences de développement durable, en ce sens qu'elles donnent au capital naturel une valeur intrinsèque qui n'a pas d'équivalence dans les autres types de capitaux et empêchent donc toute dégradation de la nature visant à être compensée par des moyens financiers. La comptabilité écosystémique du capital naturel, utilisée ici, permet d'évaluer physiquement les ressources naturelles à travers des tableaux comptables analysant leurs stocks, leurs flux ainsi que leur état de santé, sur une période donnée. La problématique soulevée ici fait état de difficultés liées à la mise en œuvre d'une telle démarche à une échelle infranationale et en contexte socioéconomique peu favorisé. Pour y faire face, il a été décidé de s'appuyer principalement sur des données de télédétection satellitaires issues de la série Landsat. Dans un premier temps, les cartographies de l'occupation du sol produites à partir de la classification supervisée des images satellites ont montré une prédominance des forêts denses à l'échelle de Libreville, 274 738 ha en 2001, soit 63 % des écosystèmes terrestres et 245 478 ha en 2022, 57 %. Une diminution du couvert forestier a pu être observée au fil des années et la nature des changements observés a été déterminée grâce à l'analyse diachronique des cartes d'occupation du sol (2001-2014 et 2014-2022). Dans second temps, l'occupation du sol et sa dynamique ont été utilisées comme proxy afin d'analyser le capital naturel de manière physique, notamment les stocks de biomasse végétale et leur évolution. Suivant la même tendance régressive que les forêts, le stock total de carbone contenu dans la biomasse est passé de 160 411 151 tonnes à 154 921 690 tonnes de 2001 à 2022, soit une perte totale de 5 489 461 tonnes. Pour finir, ce travail s'est également intéressé à l'efficacité des actions de conservation de la nature des pouvoirs publics, matérialisée à travers les aires protégées de l'Arc d'Emeraude face à l'artificialisation des sols en constante progression dans la région de Libreville
In a widespread situation of climate change and biodiversity erosion, the sustainable management of territories and natural resources has become a central question in the development policies of countries. In Gabon, on the one hand, Libreville has developed into the main urban centre, rapidly concentrating a high demographic density compared with the rest of the country since the country first gained independence in the early 1960s. In addition, like the rest of the country, Gabon's capital is home to ecosystems that are rich in biodiversity and of major ecological importance (terrestrial forests and mangroves), which play an important role at local, regional and even international scale (sequestration of atmospheric carbon). The main aim of this thesis is therefore to study the impact of land artificialisation on Libreville's natural carbon sinks over a two-decade period from 2001 to 2022. Methods for the physical valuation of natural resources are built on the principle of strong sustainability, i.e. the maintenance of natural capital, and help to meet the requirements of sustainable development, in that they give natural capital an intrinsic value that has no equivalent in other types of capital, and therefore prevent any degradation of nature aiming to be compensated for by financial means. Ecosystem-based natural capital accounting, as used in the present study, allows natural resources to be physically assessed by means of accounting tables analysing their stocks, flows and state of health over a given period. The issue raised here is the difficulty of implementing such an approach on a sub-national scale and in an economically and socially disadvantaged region. To address these issues, it was decided to use mainly satellite remote sensing data from the Landsat series. Initially, the land cover maps produced using supervised classification of satellite images showed a predominance of dense forest in Libreville, with 274,738 ha in 2001, corresponding to 63% of terrestrial ecosystems, and 245,478 ha in 2022, corresponding to 57%. A shrinking forest cover has been observed over the years, and the nature of the changes observed has been determined through a diachronic analysis of land cover maps (2001-2014 and 2014-2022). Secondly, land cover and its dynamics were used as a proxy to analyse natural capital in physical terms, specifically vegetation biomass stocks and their changes. The total stock of carbon contained in biomass followed the same regressive trend as forests, falling from 160,411,151 tonnes to 154,921,690 tonnes between 2001 and 2022, a total loss of 5,489,461 tonnes. Finally, this work also looked at the efficiency of the public authorities' nature conservation actions, as reflected through the Arc d'Emeraude protected areas, despite the increasing land artificialisation in the Libreville region

Cette thèse touche à la problématique des échanges de gaz aux interfaces entre la géosphère, la biosphère, l'hydrosphère et l'atmosphère par l'intermédiaire du monitoring géochimique des gaz appliqué aux sites de stockage géologiques du CO2. Au niveau de l'axe « Métrologie », nous avons développé une plate-forme de monitoring géochimique continu, in situ et déportée par spectrométrie FTIR/Raman pour la mesure des gaz du sol (CO2, CH4, N2, O2, H2O). Des protocoles de quantification ont été développés pour la mesure par télédétection infrarouge terrestre en mode passif du CO2, CH4, SO2, H2S dans l'atmosphère. Au niveau des axes « Monitoring » et « Modélisation », les mesures de gaz du sol à proximité du puits d'injection de Rousse (Pilote CO2 Total, Lacq/Rousse, France) sur plus de sept cycles saisonniers ont montré une anti-corrélation entre la teneur en CO2 et les variations du niveau piézométrique de la nappe. Cette relation a permis de modéliser l'enveloppe de variabilité « naturelle » de la teneur en CO2 dans le sol, qui constitue un élément clé pour la surveillance des sites de stockage. Les variations majeures de teneur en CO2 sont attribuées à des processus de dissolution/libération de CO2 par la nappe, jouant un rôle de pompe à CO2. La concentration en CO2 en surface (+1m) serait gouvernée par les variations de teneur en CO2 du sol. Les mesures par télédétection FTIR des gaz dans l'atmosphère ont permis d'établir pour la première fois une simulation expérimentale 3D des enveloppes de CO2 à l'aplomb du site d'injection. Ces résultats constituent un premier pas vers la mise en place d'un outil de surveillance des panaches gazeux dans l'atmosphère
This study is based on the problematic of gas exchanges at the interface between the geosphere, biosphere, hydrosphere and atmosphere through the geochemical monitoring of gas applied to CO2 geological storage sites. Concerning the "Metrological" aspect, we developed and implemented an in situ continuous geochemical monitoring station, based on coupling FTIR/ Raman spectrometry for measuring soil gas (O2, N2, CO2, CH4 and H2O) close to the injection wells of Rousse 1 (CCS Total pilot, Lacq-Rousse, France). We also developed protocols to identify and quantify CO2, CH4, SO2, H2S in the atmosphere (plume) by passive remote sensing FTIR. On the "Monitoring" and "Modelling" aspects, the continuous recording of soil CO2 concentration during more than 7 seasonal cycles indicate that CO2 concentration in the soil was anti-correlated with changes in piezometric level of the groundwater. This correlation was used to model the limits of natural variability of CO2 content in the soil, which is a key to CCS sites monitoring. The main fluctuations in soil CO2 content was assigned to a dissolution/release process of CO2 by the perched water table, acting as a CO2 pump. The CO2 concentration at the near surface (+ 1 m) would be governed by changes of the soil CO2 content. FITR remote sensing measurement of atmospheric gases allowed for the first time to perform an experimental 3D simulation of CO2 layers on the injection site. This type of experimental simulation is a first step for the monitoring of gases in the atmosphere

Inverse methods at large scales are used to infer the spatial variability of carbon sources and sinks over the continents but their uncertainties remain large. Atmospheric concentrations integrate the surface _ux variability but atmospheric transport models at low resolution are not able to simulate properly the local atmospheric dynamics at the measurement sites. However, the inverse estimates are more representative of the large spatial heterogeneity of the ecosystems compared to direct _ux measurements. Top-down and bottom-up methods that aim at quantifying the carbon exchanges between the surface and the atmosphere correspond to di_erent scales and are not easily comparable. During this phD, a mesoscale inverse system was developped to correct carbon _uxes at 8km resolution. The high resolution transport model MesoNH was used to simulate accurately the variability of the atmospheric concentrations, which allowed us to reduce the uncertainty of the retrieved _uxes. All the measurements used here were observed during the intensive regional campaign CERES of May and June 2005, during which several instrumented towers measured CO2 concentrations and _uxes in the South West of France. Airborne measurements allowed us to observe concentrations at high altitude but also CO2 surface _uxes over large parts of the domain. First, the capacity of the inverse system to correct the CO2 _uxes was estimated using pseudo-data experiments. The largest fraction of the concentration variability was attributed to regional surface _uxes over an area of about 300km around the site locations depending on the meteorological conditions. Second, an ensemble of simulations allowed us to de_ne the spatial and temporal structures of the transport errors. Finally, the inverse _uxes at 8km resolution were compared to direct _ux measurements. The inverse system has been validated in space and time and showed an improvement of the _rst guess _uxes from a vegetation model decreasing signi_cantly the initial mis_t to independent _ux observations
Les méthodes d'inversion à grande échelle ont permis d'estimer la variabilité spatiale des sources et puits de carbone continentaux mais les incertitudes associées restent importantes. En e_et, les concentrations atmosphériques intègrent la variabilité des _ux de surface, mais les modèles de transport à basse résolution utilisés dans les inversions ne peuvent reproduire correctement la complexité da la dynamique atmosphérique locale des sites de mesure. Cependant, ces estimations sont plus représentatives de la grande hétérogénéité spatiale des écosystèmes que les mesures directes des _ux. Les méthodes inverses et directes qui visent toutes les deux à estimer le bilan des échanges de carbone entre la surface et l'atmosphère s'appliquent donc à des échelles di_érentes et sont ainsi di_cilement comparables. Au cours de cette thèse, un système d'inversion à méso échelle a été développé pour corrigerles _ux de carbone à une résolution de 8km. Le modèle de transport à haute résolution (MésoNH) a permis de simuler la variabilité des concentrations atmosphériques avec une meilleure précision, ce qui a permis de limiter les incertitudes sur les _ux inversés. L'intégralité des données est issue de la campagne régionale intensive CERES de mai et juin 2005, lors de laquelle plusieurs tours instrumentées ont mesurées les concentrations et les _ux de CO2 dans le Sud Ouest de la France. Des mesures aéroportées ont permis également d'observer les concentrations en altitude ainsi que les _ux de CO2 aggrégées sur de larges bandes à la surface. Dans un premier temps, la capacité du système à corriger les _ux de CO2 a été estimé par l'intermédiaire de pseudo-données. La majeure partie de la variabilité des concentrations a été attribuée aux _ux régionaux dans une zone qui s'étend, selon les conditions météorologiques, jusqu'à 300km autour des sites de mesure. Dans un second temps, un ensemble de simulations a permis de dé_nir les structures spatiale et temporelle des erreurs de transport. Dans un dernier temps, les _ux corrigés par l'inversion à 8km de résolution ont été comparés à des mesures directes de _ux. Le système d'inversion a été ainsi validé dans le temps et l'espace et a montré une amélioration de l'estimation des _ux de CO2 issues d'un modèle de végétation en diminuant signi_cativement les erreurs initiales par rapport aux observations indépendantes de _ux de CO2

L'augmentation des émissions du CO2 dans l'atmosphère est un problème environnemental majeur de part son influence dans l'augmentation de l'effet de serre. La capture et le stockage du CO2 forment l'une des solutions proposées afin de limiter ces émissions. La capture du CO2 est effectuée par un système de séparation dans le gaz effluents industriels. Dans les procédés de pre-combustion, des gaz synthétiques sont purifiés de manière a réduire la concentration des gaz non combustibles comme le CO et le CO2. Des technologies comme l'absorption par un solvant, le cycle de calcium, la voie cryogénique ou le contact des gaz avec un adsorbant solide ou à travers d'une membrane sont envisagées pour accomplir cette séparation des gaz. Dans cette thèse, l'étude est effectuée pour la technique de l'adsorption des gaz sur des adsorbants solides. L'avantage de l'adsorption consiste dans la facilité de régénération des matériaux adsorbants sous modulation thermique ou de pression. Son utilisation est aussi moins polluante que d'autres techniques telles que les solvants. Dans ce travail il a été analysé les capacités d'adsorption des différents adsorbants considérés : des zéolites et des charbons activés. Des comparaisons entre ces matériaux ont été réalisées en considérant la capacité d'adsorption et le vieillissement. La deuxième évaluation des matériaux entreprise est l'analyse de leurs performances de séparation en terme de pureté et de taux de récupération des gaz séparés. La séparation a été effectuée sur deux mélanges : le premier contenant 50% de CO2 et 50% de CH4 et le deuxième mélange constitué de 20%C02 et 80% N2. Enfin, une possible application des adsorbants pour le transport en phase adsorbée de CO2 est analysée. Une évaluation technico – économique pour le transport du CO2 en phase adsorbée est réalisée. Une comparaison avec les moyens existants de transport de CO2 par la suite effectuée
In order to reduce greenhouse gases emissions, CO2 release due to human activities should be better controlled. CO2 capture by adsorption is considered as one ot the potential options. In this work, different commercialized activated carbons (AC) were evaluated as a potential adsorbent for CO2 capture by pressure modulation and were compared to commercialised zeolites. Adsorption isotherms, materials aging and gas separation were determined and evaluated. Relations between physical properties and adsorption capacities are founded. These relations were used in order to determine the adsorbent demonstrating the best adsorption regeneration capacities depending on the operating conditions applied. CO2 transportation from production places to storage locations is presently accomplished by liquid or supercritical phase, which generate large costs and emissions. This final part of this work considers the possibility to transport CO2 in adsorbed phase (with considered materials) and analyzes its cost as a function of transported quantities, transport conditions and transportation means. CO2 transport by ship in adsorbed phase on small distances was seen as being competive to ship transportation in liquid phase. The CO2 emissions generated by CO2 transport in adsorbed phase were evaluated in all cases (transportation means, distances, conditions) to be much smaller than the ones generated by liquid phase transport

Des études récentes ont montré que les arbres dans les zones arides forment d’importants puits de carbone. On ne connait cependant pas le prix du carbone à partir duquel un agriculteur serait indifférent entre son activité agricole coutumière et une activité de plantation d’arbres. La production de carbone séquestré par les arbres a été simulée sur le modèle CO2FIX v3. 1 pour le pin d’Alep. Les récoltes de blé et la production des pâturages pour les activités agricoles renoncées ont été simulées par des modèles quadratiques semblables, se basant sur les engrais azotés et utilisant 30 ans de données climatiques pour simuler le déficit hydrique. Les deux modèles ont été développés pour les conditions des zones arides. Leur calibrage a été fait sur des données observées en Israël, sur 8 stations, distribuées le long d’un gradient d’aridité (de 200mm à 900mm de précipitation). Les valeurs obtenues pour les récoltes ont été adaptées à une fonction de distribution de probabilité gamma. Les prix de production et de vente, ont eux été adaptés à une distribution normale. Une méthode itérative a permis de simuler l’effet stochastique du prix et du climat sur un flux de trésorerie pendant 30 ans avec 10'000 itérations. Les résultats montrent qu'en dépit de la capacité élevée de l’afforestation dans les zones arides à séquestrer le carbone, son commerce est peu lucratif, quel que soit le niveau d’aridité et l’activité renoncée. En effet, le prix du carbone doit augmenter sensiblement, et les coûts de certifications doivent fortement diminuer, sans quoi, l’afforestation des zones arides dans les pays ne faisant pas partie de l’annexe I ne sera pas un mécanisme adopté
Recent findings demonstrate that dryland trees are efficient carbon sinks. The price of carbon at which a farmer would be indifferent between his customary activity and the plantation of trees for the trade of carbon credits remains however unknown. Carbon yields were simulated by means of the CO2FIX v3. 1 model for Pinus halepensis. Wheat yields and pasture yields were predicted on somewhat similar nitrogen-based quadratic models, using 30 years of weather data for the simulation of moisture stress. Both models were developed for dryland conditions, while calibration and validation were done with data collected in Israel on 8 stations (from 200mm to 900mm of annual precipitation). No-till wheat and pasture yield values were then fitted to a gamma probability distribution function, to enable iterative stochastic production simulation. Input and output prices were, however, fitted to a normal distribution. Stochastic production, input and output prices were afterwards simulated on a Monte Carlo matrix with 10,000 iterations on a 30 years cash flow. Results show that, despite the high levels of carbon uptake by dryland trees, carbon trading by afforesting is unprofitable anywhere along the aridity gradient. Indeed, the price of carbon will have to raise unrealistically high, and the certification costs will have to drop significantly, to make afforestation under the clean development mechanism a worthwhile activity for non annex I dryland countries

Ce travail de recherche s'inscrit dans le prolongement de différentes études conduites notamment dans le cadre du pilote de Capture Transport et Stockage du CO₂ (pilote Total CCS, Lacq- Rousse, France) relatives au suivi des mécanismes de transfert des gaz (CO₂ et CH₄) dans les compartiments Géosphère/Biosphère/Atmosphère. De ces études, il était ressorti que l'évolution de la fraction molaire de CO₂ (χc) dans le sous-sol karstique du plateau du Jurançon était négativement corrélée aux battements de la nappe phréatique située à -45m via des mécanismes de dissolution/dégazage. Cependant, il n'est pas encore clair si cette relation existe dans l'écosystème forestier, qui représente importante de l'échange de CO₂ atmosphérique. Dans ce contexte, cette thèse se concentre sur la surveillance des échanges gazeux et de leurs processus de transport au sein de la zone critique, entre le sous-sol (-6 m), le sol (-1 m) et le couvert végétal (+50m). Nous avons développé et mis en place un système de surveillance géochimique in situ en puits dédiés pour le suivi continu de la fraction molaire de CO₂ dans le sous-sol et le sol couplé à un système de surveillance micrométéorologique utilisant une tour de flux préétablie dans l'écosystème forestier (Montiers, Région Lorraine, France). Au cours des périodes d'étude allant de Juin 2018 à Décembre 2020, l'écosystème a agi comme un puits de carbone net avec une moyenne annuelle des paramètres d’échange d'écosystème net (NEE), de productivité primaire brute (GPP) et de respiration de l'écosystème (Reco) de -453±122 gC m-2y-1, -1468 ±109 gC m-2y-1, et 1052 ±88 gC m-2y-1 respectivement. L’échange de carbone, les données météorologiques et les facteurs environnementaux durant les épisodes de sécheresse ont été comparés aux données de référence à long terme enregistrées durant les années allant de 2014 à 2017. Contrairement à certaines recherches précédentes où les paramètres NEE et Reco ont diminué parallèlement pendant les épisodes de sécheresse, les données enregistrées sur site ont montré que le paramètre Reco est plus sensible à la sécheresse que le paramètre NEE, ce qui a entraîné une augmentation significative de l'échange net au sein de l'écosystème. Ainsi, durant les périodes de sécheresses d’été et d’automne (2018-2019), le paramètre de respiration de l’écosystème (Reco) a diminué de 20 %, et 26 % par rapport aux années de référence (2014-2017). Les traitement statistique des données comparées sous-sol/sol/couvert végétal, montre des preuves empiriques solides que la turbulence du vent, mesurée au travers du paramètre de vitesse de frottement (u*) joue un rôle important dans la variabilité des concentrations de CO₂ dans les sols même jusqu’à des profondeurs de -6m, ce qui n’avait jamais été établi. Nous supposons que cela pourrait être dû aux effets de pompage de la pression qui diminue la fraction molaire de CO₂ dans le sol lors de fortes turbulences et augmente le stock age du CO₂ dans les sols profonds lors de faibles turbulences. Cette étude a aussi démontre le rôle de l’hydrométrie du sol sur ces processus d’échanges. En effet, en périodes humides, la perméabilité est considérablement réduite ce qui diminue la diffusion et l'advection moléculaires. Cette étude a également révélé une forte influence biotique sur la production de CO₂. Les valeurs de δ¹³CCO₂ dans le sous-sol de notre site peuvent être attribuées à la respiration et à la décomposition des plantes en C3. Ces origines biologiques du CO₂ du sol entraine très probablement des augmentations de la densité de l'air ce qui conduit à faire migrer le CO₂ stocké vers les couches plus profondes du sol par le biais d’un mécanisme de percolation gravitationnelle. La relation des gaz du sous-sol souligne également que les composants biogéniques dominent les origines et le processus de contrôle du CO₂ du sous-sol alors que le processus géochimique joue un rôle insignifiant
This study is a continuation of our previous geochemical monitoring finding at the injection wells of Rousse 1 ( Total CCS pilot, Lacq- Rousse, France) where it was identified that the soil CO₂ mole fraction (χc) evolution in subsoil was negatively correlated with the level of the water table and the CO₂ sources were attributed to the CO₂-rich aquifers. However, it is still unclear whether this relationship exists in the forest ecosystem, representing a significant proportion of the CO₂ atmospheric budget. For this reason, this thesis focuses on monitoring the gas exchange and its main driver of the transport process between soil (-1 m), subsoil (-6 m), and biosphere. We developed and implemented an in-situ geochemical monitoring system for continuous monitoring of CO₂ mole fraction in the subsoil coupled with a micrometeorological monitoring system using a pre-established flux tower in the forest Ecosystem (Montiers, Lorraine Region, France). This soil gas measurement infrastructure combining borehole measurement with micrometeorological measurement offers great possibilities for long-term in-situ and continuous gas monitoring to derive the vertical distribution of CO₂. Thus, this infrastructure allowed the observation of the temporal dynamics in soil-gas CO₂ research. During the study periods, the ecosystem acted as a net carbon sink with a mean annual NEE, GPP, and Reco of -453±122 gC m-2y-1, -1468 ±109 gC m-2y-1, and 1052 ±88 gC m-2y-1 consecutively. The Carbon exchange, climate, and environmental drivers during the drought episodes were compared with long-term reference data recorded from 2014 to 2017. In contrast with some previous research where GPP and Reco parallelly decreased during the drought episodes, our site showed Reco is more sensitive to drought than GPP, resulting in a significant increase in Net Ecosystem exchange. Reco decreased by 20%, and 26% were found in Summer and Autumn (2018-2019) relative to the ref erence years (2014-2017). This study shows strong empirical shreds of evidence that wind turbulence plays a significant role in driving the deep soil CO₂ concentration. We hypothesize that this could be due to pressure pumping effects where it decreases the CO₂ molar fraction in the soil during high turbulence and increasing the CO₂ storage in deep soil during low turbulence. This study also demonstrates that permeability significantly reduced during wet periods diminishing molecular diffusion and advection. This study also revealed a strong biotic influence on CO₂ production. The δ¹³CCO₂ values in our site subsoil can be attributed to respiration and decomposition of the C3 plants. These biological origins of soil CO₂ are highly likely increases air density resulting in gravitational percolation that leads the CO₂ stored in a deeper layer of soil. The relationship of subsoil gases also emphasizes that biogenic components dominate the origins and controlling process of subsoil CO₂ while the geochemical process plays an insignificant role

Dans le contexte actuel de changement climatique, la forêt est vue comme un puits de carbone, c’est-à-dire qu’elle contribue à stocker du C. Ce stockage peut s’effectuer à moyen terme dans la biomasse ligneuse et à plus long terme dans les sols. Afin de préserver les forêts et leur capacité de stockage, les gestionnaires forestiers se voient contraints d’effectuer de la régénération artificielle, c’est-à-dire de la plantation pour adapter les peuplements aux conditions futures. Pour assurer le succès de cette étape de plantation, il est parfois nécessaire de lever certaines contraintes comme la présence de végétation bloquante, de tassement ou d’engorgement en eau des sols. Pour ce faire, une Préparation Mécanique des Sols (PMS) peut être effectuée avant la plantation. Ces travaux de PMS sont susceptibles de provoquer une perte de Carbone Organique du Sol (COS). Afin de limiter les effets négatifs de la PMS, des outils ont été développés afin de ne préparer le sol que de manière localisée, sur la future ligne de plants. Ces outils ont été développés pour répondre à certaines situations. Les outils Scarificateur Réfersible® et le sous-soleur multifonction® (MFSS) sont faits pour préparer des sols tassés et/ou envahis par la fougère aigle (Pteridium aquilinum). Les outils Razherb® (RAZ) et Culti 3B® (C3B) sont, quant à eux, utilisés pour préparer des sols tassés et/ou engorgés en eau envahis par la molinie (Molinia caerulea). Dans un premier temps, appuyé sur 6 sites du réseau ALTER, l’impact de l’outil RS, seul ou en combinaison avec MFSS, sur le COS a été évalué 5 ans après la PMS. Leur impact a été évalué sur le COS de manière quantitative et qualitative mais également sur le fonctionnement microbien du sol. Cette étude a montré, sur la zone travaillée, une baisse du stock de C sur le profil de sol complet (L-60 cm) et du C minéralisé par la communauté microbienne en conditions contrôlées. Cependant, il a également été démontré que les caractéristiques du sol modulent l’impact de ces outils à l’échelle de la parcelle forestière. Dans un deuxième temps, appuyé sur 3 sites du réseau PILOTE, l’impact de la combinaison d’outils RAZ+C3B a été évalué sur les stocks de COS et sur la minéralisation potentielle. Sur ces sols à engorgement temporaire, une baisse de stock de COS a été observée dans la zone travaillée uniquement dans le topsoil (L-30 cm). En revanche, le stock de COS sur le profil complet comme la minéralisation potentielle ne présentaient pas d’effet significatif sur la zone travaillée. A l’échelle de la parcelle forestière, la combinaison RAZ+C3B n’a pas présenté d’effet sur les stocks de COS ni sur la minéralisation potentielle. Dans son ensemble, ce travail de thèse suggère que bien qu’ayant un impact sur la zone préparée, les outils utilisés dans cette étude n’influençaient que peu le sol à l’échelle de la parcelle forestière. Toutefois, ces observations peuvent varier selon le type de sol en présence et avoir un impact important
In the current context of climate change, forests are seen as a carbon sinj, i. e. they can contribute to C storage. This storage can take place in the medium term in woody biomass and in the longer term in soils. In order to preserve forests and their C storage capacity, foresters have to carry out artificial regeneration (i. e. planting) to adapt stands to future conditions. To ensure the success of this planting stage, it is sometimes necessary to remove some constraints such as the presence of blocking vegetation, compaction or waterlogging of soil. To do this, a Mechanical Soil Preparation (MSP) can be carried out prior to plantin. This PMS work may cause a Soil Organic Carbon (SOC) loss by mineralization. In order to limit the negative effects of PMS, tools have been developed to prepare the soil only in a localized area, on the future line of plants. These tools have been developed to respond to some situations. The Reversible Scarifier® (RS) tool and the Multifunction Subsoiler (MFSS) are designed to prepare soils compacted and/or invaded by eagle fern (Pteridium aquilinum). The Razherb® (RAZ) and the Culti 3B® (C3B) tools are designed to prepare compacted and/or waterlogged soils invaded by Molinia caerulea (Molinia caerulea). First, based on 6 sites belonging to the ALTER network, the impact of the RS tool alone and in combination with MFSS on COS was evaluated 5 years after the PMS. This evaluation therefore focused on the quantity and quality of SOC. The impact of the tools on the microbial functioning of the soil was also tested. This part showed a decrease in the stock of C and mineralized C by the microbial community under controlled conditions localized to the prepared area but impacts at the forest stand scale depend on soil characteristics. Second, based on 3 sites belonging to the PILOTE network, the impact of the combination of RAZ+C3B tools on SOC stocks and potential mineralization was evaluated. On these soils with temporary waterlogging, adecrease in SOC stock was observed in the prepared area only in the topsoil (0-30 cm). On the other hand, both SOC stock on the full profile and the potential mineralization did not have a significant effect on the prepared area. At the forest stand scale, the RAZ+C3B combination had no effect on SOC stock or potential mineralization. This thesis work suggests that although they had an impact on the prepared area, the tools used in this study had low influence on the soil at the forest plot scale. However, these observations may vary according to the soil type and have a significant impact on the forest plot

Les tourbières boréales jouent un rôle important dans le cycle global du carbone en tant que puits de CO2 à long terme et en tant que l’une des plus grandes sources de méthane naturel (CH4). Ces importants réservoirs de carbone seront exposés à l’avenir au réchauffement et aux conditions plus humides caractérisant le changement climatique dans les hautes latitudes et, en raison de la grande quantité de carbone stockée dans les tourbières boréales, comprendre leurs dynamiques est important. Dans cette thèse, j'ai intégré une représentation du cycle de l'eau et du carbone dans les tourbières dans le modèle de surface terrestre ORCHIDEE-MICT (LSM), dans le but d'améliorer la compréhension du C des tourbes et de sa dynamique depuis l'Holocène, afin d'explorer les effets du changement climatique.Tout d'abord (chapitre 2), J'ai implémenté les tourbières en tant qu'unité hydrologique de sol (HSU) sous-réseau indépendante qui reçoit les eaux de ruissellement provenant des HSU non tourbeuses environnantes dans chaque cellule du réseau et ne possède pas de drainage, conformément la representation propose par Largeron et al. (2018). Pour modéliser les flux d’eau verticaux des sols tourbeux et non tourbeux, j’ai représenté les paramètres hydrologiques spécifiques à la tourbe pour l’HSU des tourbières, tandis que dans d’autres HSU, les paramètres hydrologiques sont déterminés par la texture dominante du sol de la cellule de la grille. j'ai choisi un modèle diplotelmique pour simuler la décomposition et l'accumulation de tourbe de C. Ce modèle à deux couches comprend une couche supérieure (acrotelm) inondée de manière variable et une couche inférieure (catotelm) inondée en permanence. Ce modèle a montré de bonnes performances dans la simulation de l'hydrologie des tourbières, du C et des flux d'énergie dans 30 tourbières boréales sur des échelles de temps quotidiennes à annuelles. Mais la simplification excessive de la dynamique du carbone pourrait limiter sa capacité à prévoir la réponse des tourbières boréales aux futurs changements climatiques.Deuxièmement (chapitre 3), j'ai remplacé le modèle carbone de tourbe diplotelmique par un modèle multicouche afin de prendre en compte les hétérogénéités verticales de la température et de l'humidité le long du profil de la tourbe. J'ai ensuite adapté TOPMODEL et les critères d'établissement des tourbières de Stocker et al. (2014) pour simuler la dynamique de la zone des tourbières dans une unité de la grille. Ici, la zone inondée donnée par TOPMODEL est traversée avec des conditions de croissance de tourbe appropriées pour définir la zone occupée par une HSU de tourbe. Ce modèle a été testé sur plusieurs sites de tourbières du nord et pour des simulations en 2D sur l'hémisphère nord (> 30 ° N). La superficie totale simulée de tourbières et le stock de carbone en 2010 est de 3,9 million de km2 et 463 PgC, conformément aux observations (3,4 à 4,0 million de km2 et 270 à 540 PgC).Enfin (chapitre 4), avec le modèle multicouche, j’ai réalisé des simulations factorielles à l’aide de données climatiques passées et futures issus des scenarios de trajectoire de concentration représentative (RCP) à partir de deux modèles de circulation générale (GCM) afin d’explorer les réactions des tourbières boréales au changement climatique. Les impacts des tourbières sur le futur bilan en carbone de l'hémisphère nord ont été examinés, notamment la réaction directe du bilan en carbone de la tourbière existante (simulée) et les effets indirects des tourbières sur le bilan de carbone terrestre lorsque les tourbières se modifient à l'avenir.Les travaux futurs se concentreront sur l’inclusion des influences du changement d’affectation des sols et des incendies sur les tourbières dans le modèle, étant donné que des pertes importantes de C pourraient survenir en raison de ces perturbations. Pour avoir une image complète du bilan C des tourbières, il faut prendre en compte les pertes de CH4 et de C organique dissous (DOC)
Northern peatlands play an important role in the global carbon (C) cycle as a long-term CO2 sink and the one of the largest natural methane (CH4) sources. Meanwhile, these substantial carbon stores will be exposed in the future to large warming and wetter conditions that characterize climate change in the high latitudes and, because of the large amount of C stored in northern peatlands, their fate is of concern. In this thesis, I integrated a representation of peatlands water and carbon cycling into the ORCHIDEE-MICT land surface model (LSM), with the aim to improve the understanding of peatland C and area dynamics since the Holocene, to explore effects of projected climate change to northern peatlands, and to quantify the role of northern peatlands in the global C cycle.Firstly (Chapter 2), I implemented peatland as an independent sub-grid hydrological soil unit (HSU) which receives runoff from surrounding non-peatland HSUs in each grid cell and has no bottom drainage, following the concept of Largeron et al. (2018). To model vertical water fluxes of peatland and non-peatland soils, I represented peat-specific hydrological parameters for the peatland HSU while in other HSUs the hydrological parameters are determined by the dominant soil texture of the grid cell. I chose a diplotelmic model to simulate peat C decomposition and accumulation. This two-layered model includes an upper layer (acrotelm) that is variably inundated and a lower layer (catotelm) that is permanently inundated. This model showed good performance in simulating peatland hydrology, C and energy fluxes at 30 northern peatland sites on daily to annual time scales. But the over simplification of the C dynamics may limit its capacity to predict northern peatland response to future climate change.Secondly (Chapter 3), I replaced the diplotelmic peat carbon model with a multi-layered model to account for vertical heterogeneities in temperature and moisture along the peat profile. I then adapted the cost-efficient version of TOPMODEL and peatland establishment criteria from Stocker et al. (2014) to simulate the dynamics of peatland area within a grid cell. Here the flooded area given by TOPMODEL is crossed with suitable peat growing conditions to set the area that is occupied by a peat HSU. This model was tested across a range of northern peatland sites and for gridded simulations over the Northern Hemisphere (>30 °N). Simulated total northern peatlands area and C stock by 2010 is 3.9 million km2 and 463 PgC, fall well within observation-based reported range of northern peatlands area (3.4 – 4.0 million km2) and C stock (270 – 540 PgC).Lastly (Chapter 4), with the multi-layered model, I conducted factorial simulations using representative concentration pathway (RCP)-driven bias-corrected past and future climate data from two general circulation models (GCMs) to explore responses of northern peatlands to climate change. The impacts of peatlands on future C balance of the Northern Hemisphere were discussed, including the direct response of the C balance of the (simulated) extant peatland area, and indirect effects of peatlands on the terrestrial C balance when peatlands area change in the future.Future work will focus on including influences of land use change and fires on peatland into the model, given that substantial losses of C could occur due to these disturbances. To have a complete picture of peatland C balance, CH4 and dissolved organic C (DOC) losses must be considered

Afin de minimiser la concentration en CO2 dans l'atmosphère une solution consiste à le séquestrer dans les réservoirs géologiques. Pour évaluer les risques à long terme, il est nécessaire de quantifier les couplages entre les processus réactionnels et les modifications structurales et hydrodynamiques. Dans cette optique, nous avons construit deux dispositifs expérimentaux permettant d'injecter des saumures chargées en CO2 dans les conditions de stockage (T < 200 °C et P < 200 bar) et mis en oeuvre un protocole expérimental utilisant la microtomographie RX et l'analyse des roches et des fluides pour quantifier les variations des paramètres physiques et chimiques. Dans le cas des réservoirs carbonatés, on observe, près du puits d'injection, une forte variabilité des relations k-phi en fonction du régime de dissolution contrôlé par la chimie locale du fluide, ainsi que par les conditions initiales. A plus grande distance, on observe des processus de précipitation diminuant fortement la perméabilité. L'étude des roches de couverture fracturées (argilite) a montré qu'une percolation alternée d'une saumure chargée en CO2 et de CO2 gaz augmentait la perméabilité de fracture. Dans le cas des roches silicatées, la précipitation de carbonates est mise en évidence aussi bien dans les grès à zéolites que dans les frittés de dunite de San Carlos. Cependant, dans les grès à zéolites, la précipitation d'une phase argileuse est observée dans les chemins d'écoulement et engendre une forte diminution de la perméabilité
In order to minimize CO2 atmospheric concentration, a solution consists in sequestrating CO2 in geological reservoirs. To estimate long term risks, it is necessary to quantify the couplings between reaction processes as well as structural and hydrodynamical modifications. We realised two experimental benches enabling injecting CO2-enriched-brine in conditions corresponding to in situ storage (T < 200 °C and P < 200 bar) and developed an experimental protocol using X-Ray microtomography and fluid and rock analyses in order to measure the variations of physical and chemical parameters. The study of carbonated reservoirs near the injection well, allows quantifying different k-phi relationships depending on the dissolution processes and triggered by the local fluid chemical composition and initials conditions. Away from the injection well, we observe carbonate precipitation decreasing the permeability. The study of fracturated caprock samples shows that alternative percolation of CO2-enriched-brine and CO2 gas increases the fracture permeability. The study of silicated rocks indicates carbonate precipitation in zeolite sandstone and sintered dunite grains. Nevertheless, in zeolite sandstone we also observe the precipitation of clay particles located in the fluid pathways which decrease strongly the permeability