Présentations données à l'occasion du séminaire "Permafrost feedbacks in the Earth System"

Sergey Zimov
Mammoth ecosystem and the future climate
Mammoth Ecosystem sustained in the vast range of climatic parameters. Animals extinction in this ecosystem in most of the regions happened without direct connection with climate change, while plant diversity change happened only after the animals extinction. Mammoth ecosystem productivity was close to African savannahs. Direct calculations of skeletons in permafrost showed that in late Pleistocene on the north of Siberia on 1 square kilometers on average at once lived: 1 mammoth, 4 bison, 4 horses, 6-7 reindeers. Animals maintained there pastures themselves, so this ecosystem wasn’t in big dependence on climate. Mammoth Ecosystem was the biggest organic carbon reservoir on our planet. In situ measurements of carbon content in frozen soils of this ecosystem and mathematical modelling showed that carbon storage in soils of this ecosystem and in frozen loess exceeded 2000 Gt. Substantial part of this carbon was released into the atmosphere in form of CO2 and CH4 on the Pleistocene-Holocene boundary. Residual in permafrost of Siberia and Alaska 500 Gt of carbon will be released into the atmosphere because of the current global warming. This process can be soften if pasture ecosystem will be reborn on the north again.

L’écosystème des mammouths et le climat futur
L’écosystème des mammouths est compatible avec une grande diversité de paramètres climatiques. L’extinction des espèces animales dans cet écosystème semble avoir eu lieu sans relation directe avec le changement climatique, la modification de la diversité végétale ayant été observée bien après. La productivité de l’écosystème des mammouths était proche de celle des savanes africaines actuelles. Ainsi, le recensement des squelettes conservés dans le permafrost a montré qu’au Pléistocène tardif coexistaient en moyenne sur 1 kilomètre carré : 1 mammouth, 4 bisons, 4 chevaux et 6 à 7 rennes. Cette densité d’animaux permettait de maintenir les caractéristiques de l’écosystème (prairies arides et denses), qui était ainsi peu dépendant du climat. Avec plus de 2000 gigatonnes de carbone, l’écosystème des mammouths constituait le réservoir de carbone le plus important de la planète. Une grande partie a été rejeté dans l’atmosphère entre le Pléistocène et l’Holocène, mais 500 gigatonnes sont encore présentes dans les sols gelés de Sibérie et risquent d’être rejetées dans l’atmosphère lorsque ces sols dégèleront en raison du réchauffement climatique. Ce procédé pourrait être limité en rétablissant un écosystème de prairies dans ces régions.

Dmitry Khvorostyanov (Laboratoire de Glaciologie et Géophysique de l’Environnement)
Modelling the fate of frozen carbon
East Siberia's permafrost contains about 500 GtC of frozen highly labile carbon deposits, a so-called Yedoma. Using a permafrost carbon cycle model we analyzed mobilization of this huge carbon stock in a future warming. The one-dimensional model solves an equation for diffusion of heat penetrating from the overlying atmosphere and takes into account additional in situ heat production by active soil microorganisms. Other processes taken into account are litter input and decomposition, plant-mediated transport of methane, and leaching of exudates from plant roots.
Decomposition of frozen soil organic matter and produced CO2 and methane fluxes result from an interplay of soil heat conduction and phase transitions, respiration, methanogenesis and methanotrophy processes. Respiration and methanotrophy consume soil oxygen and thus can only develop in an aerated top-soil column. In contrast, methanogenesis is not limited by oxygen and can be sustained within the deep soil, releasing sufficient heat to further thaw in depth the frozen carbon-rich soil organic matter. Heat production that accompanies decomposition and methanotrophy can be, under certain conditions, an essential process providing positive feedback to atmospheric warming through self-sustaining transformation of initially frozen soil carbon into CO2 and CH4.
Conditions necessary to trigger the irreversible Yedoma thawing maintained by deep respiration and methanogenesis are studied. Once started, this process could release 2.0--2.8 GtC yr-1 during years 2300--2400 transforming 75% of initial carbon stock into CO2 and methane. The time when the fast deep-soil decomposition starts is inversely proportional to the warming rate, while the corresponding (critical) temperature anomaly slightly increases at larger warming rates. This second-order effect is due to the deep-soil heat storage caused by external warming, which leads to more homogeneous soil heating when the warming is slower, and so a smaller external warming is needed to thaw the permafrost. The effect of specific microbial heat that accompanies oxic decomposition is of comparable importance to that of the warming rate on the critical temperature anomaly, while it is of minor importance on the time when deep decomposition starts.

Stephano Bonelli (Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement)
Evolution of major NH ice sheets during the last glacial-interglacial cycle
A 2.5-dimensional climate model of intermediate complexity coupled with a 3-dimensional thermo-mechanical ice sheet model is used to simulate the evolution of Northern Hemisphere (NH) ice sheets during the last glacial-interglacial cycle. This coupled model accounts for the interactions between atmosphere, ocean, cryosphere and biosphere, as well as their evolution. Our results show a quite satisfactory evolution of NH ice sheets from 126 ka BP (1ka = 1000 years, BP : Before Present) until present time, although some differences with geological data reconstructions still exist. Moreover, we investigate the respective climate and ice sheets responses to both insolation and atmospheric CO2 concentration through a series of sensitivity experiments.
We show that the North American and the Fennoscandian ice sheets do not respond with the same sensitivity to atmospheric CO2 concentration and insolation. The Laurentide ice sheet starts to build up and then develops as soon as the insolation signal decreases around 120 ka BP, which is in agreement with benthic foraminifer d18O signal. The summer insolation is the main factor responsible for the early build up of the North American ice sheet around 120 ka BP, whereas both low insolation and low atmospheric CO2 concentration are necessary to trigger a glaciation over Eurasia at around 72 ka BP. At the last glacial maximum, the simulated sea-level decrease corresponding to the contribution of northern hemisphere ice sheets is about 95 m. Accounting for the contribution of the Antarctic ice sheet, estimated at around 17 m by previous modelling studies using the same model, the sea-level drop is around 112 m. This estimate is close, within the error bars, to some sea-level reconstructions.

Evolution des principales calottes glaciaires de l’Hémisphère Nord au cours du dernier cycle glaciaire-interglaciaire
Un modèle de climat de complexité intermédiaire, CLIMBER 2.3, couplé avec un modèle thermomécanique d’évolution des calottes de glace, a été utilisé afin de simuler l’évolution des calottes dans l’hémisphère nord au cours du dernier cycle climatique (126 ka BP ; ka : millier d’années ; BP : Before Present ; avant le présent).
Le modèle couplé représente un outil à la fois très puissant et très rapide en terme de temps de calcul, capable de décrire les interactions entre atmosphère, océan, biosphère et cryosphère. Le modèle de climat a été forcé par l’insolation et la concentration en CO2 atmosphérique. Toutes les principales rétroactions du système climatique ont été prises en compte dans nos simulations.
Les résultats obtenus nous indiquent que les deux principales calottes qui se développent dans l’hémisphère nord (Laurentide et Fennoscandie, situées respectivement sur le continent nord-américain et en Eurasie) se comportent de façon différente en terme de glaciation et de déglaciation. Ce comportement s'explique par une différence de sensibilité des deux calottes à la concentration en CO2 atmosphérique. En effet, dans nos simulations, la Laurentide commence à apparaître dès que l’insolation diminue (120 ka BP), tandis que la Fennoscandie ne se développe de façon importante qu’en présence à la fois d’une faible insolation et d’une faible concentration en CO2 atmosphérique. Par conséquent, on observe une première formation significative de la Fennoscandie seulement à partir de 70 ka BP, en accord avec les données dont on dispose.

Sylvie Charbit (Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement)
The future of the Greenland ice sheet
Le futur de la calotte glaciaire groenlandaise

Pierre Friedlingstein (Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement)
Future simulation of the the carbon-climate system in the IPSL-CM4 coupled model
Simulations futures du système climat-carbone à l’aide du modèle couplé IPSL-CM4
Le changement climatique à venir aura un impact non négligeable sur l'évolution des cycles biogéochimiques, et en particulier, le cycle du carbone. Actuellement environ la moitié des émissions anthropiques de CO2 sont réabsorbées par les continents et les océans. Des modèles du cycle du carbone, couplés à des modèles du climat ont récemment montré que cette fraction risque de diminuer dans le futur.
Au niveau océanique la réduction de l'intensité de la circulation océanique (circulation thermohaline) et son impact sur l'export de carbone, ainsi que le réchauffement des couches de surfaces et son impact sur la solubilité du CO2 dans l'eau, induisent une réduction du puits océanique futur.
An niveau continental, le réchauffement global, associé en de nombreuses régions par une augmentation de l'aridité des sols induit une réduction du puits de carbone. Cet effet est principalement marqué dans les régions tropicales et sub-tropicales.
Cette réduction des puits induit une augmentation plus rapide de la concentration atmosphérique de CO2, et donc une amplification du réchauffement. Des incertitudes subsistent néanmoins sur l'amplitude de cette rétroaction positive.

Catherine Prigent (Observatoire de Paris)
Remote sensing of global wetland dynamics: the boreal case
Utilisation de la télédétection dans l’étude de la dynamique des zones humides : le cas des régions boréales

Philippe Bousquet (Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement)
Atmospheric CH4, an inverse point of view for boreal regions
Méthane atmosphérique : une approche inverse pour les régions boréales

Bruno Ringeval (Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement)
The contribution of changing wetland area to the variability of wetland CH4 emissions during the 1993-2000 period
As Bousquet et al. showed in 2006, “wetland methane emissions dominated the inter-annual variability of methane sources on 1984-2003”. The variability of wetlands emissions, which combines changes in flux density and in wetland areas, depends on meteorological conditions [Christensen et al., 2003]. In previous studies, the variability of wetland area was calculated in a very simple way. For example, Walter et al. (2001) assumed a fixed distribution of wetlands [Matthews et al., 1987] and introduce seasonality in the water table depth with a hydrological model. But now we have new range of data which permit us to account of variability in wetlands extent [Prigent et al., 2006]. Hence, the goal of this study is to quantify the separate contribution of variable area vs. variable fluxes to the interannual variability of CH4 emissions by wetlands. (slide 1). To do so, we optimize the parameters of a process-oriented emission model [Walter et al., 2001] using a dual constraint approach (slide 2). First, the parameters controlling the flux are optimized against site-level observations (slide 4 & 5). Second, the parameters controlling the wetland area are optimized using new remote sensing measurements [Prigent et al., 2001] and large-scale atmospheric inversion results [Bousquet et al., 2006] (slide 6). Once optimized, the CH4 emission model is integrated globally over the period 1993-2000 to assess the role of flux / area to the seasonnal (slide 7) and interannual variability (slide 8) of northern regions. We found that seasonnal variability of wetland extent seems to play 35% and 60% respectively on seasonnal and year-to-year emission variability.

Emmanuel Mouche (Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement)
Modelling the long-term dynamics of permafrost in Eastern France