Colloque national du Chantier Arctique Français «Arctique : les grands enjeux scientifiques»








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Le Projet MeadoWarm : Etude des effets du réchauffement climatique sur les prairies cultivées arctiques polluées

Silvennoinen Hanna1, LERCH Thomas2, MONI Christophe1, JONER Erik1, NILSSON Lars1, Höglind Mats1, Tømmervik Hans3, Rolstad Denby Cecilie4, DRAKE Bert5, BEIER Claus6, Shurpali Narasinha7, RASSE Daniel1

1 : BIOFORSK, Department of Soil Quality and Climate, Ås, Norvège ; 2 : BIOEMCO (UMR 7618), Equipe Interactions Biologiques dans les Sols, Créteil, France ; 3 : NINA, High North Research Centre for Climate and the Environment, Tromsø, Norvège; 4 : UMB, Department. of Mathematical Sciences and Technology, Ås, Norvège ; 5 : Smithsonian Environmental Research Center, West River, USA; 6 : DTU, Department of Chemical and Biochemical Engineering, Roskilde, Danemark; 7 : UEF, Biogeochemistry research group, Kuopio, Finlande.

Contexte

Les écosystèmes terrestres arctiques reviennent au cœur des débats sur le changement climatique du fait que la hausse des températures sera vraisemblablement plus forte sous ces latitudes (Chylek & Lohmann, 2005). Etant donné que ces écosystèmes contiennent le plus grand réservoir de carbone terrestre (Davidson & Janssens, 2006), les conséquences potentielles du réchauffement climatique en termes d’émission de gaz à effet de serre (GES) doivent donc être sérieusement évaluées. De plus, certaines zones de prairies cultivées arctiques comme au Finnmark oriental, au Nord de la Norvège, sont contaminées par des éléments traces métalliques (ETM) provenant des fonderies frontalières russes. Le réchauffement climatique pourrait donc non seulement participer à une augmentation des teneurs en CO2 dans l’atmosphère, mais en plus, favoriser la libération de polluants jusqu’ici séquestrés dans la matière organique du sol (MOS). Le projet MeadoWarm, qui s’inscrit dans un grand le programme de recherche norvégien NORKLIMA vise à étudier ces effets, et à proposer des solutions d’atténuation potentielles.

Objectifs

Le premier objectif du projet MeadoWarm est de déterminer la réponse des écosystèmes agricoles arctiques contaminés par des ETM à l'augmentation de la température, tant en termes de croissance des plantes, dynamique de la MOS, adaptation des organismes du sol et flux de GES. Le deuxième objectif est de tester les effets d’amendements de « biochar » sur l'atténuation des émissions de GES et la libération des ETM. L’application de biochars dans les sols agricoles a en effet été proposée pour augmenter le stock de carbone dans les sols et limiter l’émission de certains GES comme le N2O (e.g. Spokas et al., 2009). En outre, il a été montré que les biochars diminuaient la mobilité des ETM dans le sol (Uchimiya et al., 2011) et limiter leur adsorption par les plantes (Karami, 2011, O’Toole, 2012).

Méthodologie

Le site choisi pour cette étude se situe dans la vallée de Pasvik, au Nord de la Norvège (69°N). L’expérience de réchauffement artificiel (+3°C pendant 3 ans) in situ sera réalisée grâce à des lampes infra-rouge. Une partie des placettes seront amandées avec des biochars (20-30t/ha). Les analyses porteront 1) sur la croissance des plantes (couverture, biomasse, photosynthèse) et leur teneurs en ETM, 2) sur les caractéristiques physico-chimiques et biologique du sol (qualité de la MOS, diversité génétique et fonctionnelles des microorganismes, mobilité des ETM) et 3) sur les flux de GES (CO2, CH4, N2O). Ce projet interdisciplinaire et international devrait permettre d’évaluer l’impact du réchauffement climatique en termes de flux de GES et de contamination en ETM. Il devrait aussi apporter des éléments de réponse quant à l’adaptation naturelle des organismes et le potentiel d’atténuation des biochars.

Using biomonitor mercury stable isotope signatures to understand the impact of climate change on the Arctic Hg cycle
SONKE E. Jeroen1, POINT David1, MASBOU Jeremy1, BECKER Paul2
1 : Observatoire Midi-Pyrénées, Laboratoire Géosciences Environnement Toulouse, 14 avenue E. Belin, 31400 Toulouse, sonke@get.obs-mip.fr, 2 : National Institute of Standards and Technology, Hollings Marine Laboratory, Charleston, South Carolina, USA
Arctic mercury (Hg) has become a high profile environmental case due to the excessive dietary exposure of Arctic indigenous communities to Hg in mammals and sea food. In 1998 it was discovered that massive atmospheric Hg deposition events transfer large amounts of atmospheric Hg to Arctic sea ice and the Arctic Ocean. This has fueled the paradigm that mid-latitude anthropogenic Hg emissions are transported and deposited to Arctic ecosystems. Yet, despite decreasing trends in Northern Hemisphere atmospheric Hg emissions and concentrations, multi-decade trends in Arctic biota Hg levels indicate continued increases in the western Arctic and stable or decreasing levels in the eastern Arctic. A simple linear response between mid-latitude Hg emissions and Arctic Hg exposure therefore does not appear to exist. Alternative factors such as the role of climate change in the Arctic Hg cycle are suspected.

As part of the ANR MERCY and ERC MERCURY ISOTOPES projects we have been exploring Hg, C, and N stable isotope signatures of cryogenically archived biomonitor tissues (murre eggs, and whale, seal and polar bear livers). Hg isotope measurements gives rise to four useful isotope signatures (δ202Hg, Δ199Hg, Δ200Hg, Δ201Hg) that may characterize its source, or code for the transformations that Hg has undergone in the recent, but also geological past. We observe that mass dependent Hg isotope signatures (δ202Hg) of biological tissues are typically correlated with biochemical (tissue Hg speciation) or ecological parameters such trophic level (δ15N). Mass independent Hg isotope fractionation (Δ199Hg), a rare phenomenon that occurs during photochemical breakdown of aquatic methyl-Hg, displays strong geographical and spatial variations that are coherent across all biomonitor tissues. These variations in Δ199Hg are insensitive to biochemical and ecological transformations and therefore provide a direct window on the aquatic chemistry of methyl-Hg. We find that Δ199Hg correlates best with the presence/absence of sea ice in the biomonitor’s foraging areas. In the presence of sea ice, photochemical breakdown of methyl-Hg is inhibited and observed Δ199Hg are lower. This suggests that sea ice and climate change play a potentially important role in the bioavailability of toxic methyl-Hg. The multiple Hg stable isotope signatures allow probing a new dimension of information on Arctic Hg biogeochemistry.

Transport of anthropogenic pollution and boreal forest fire emissions to the Arctic
Thomas Jennie L.1, Raut Jean-Christophe1, Law Kathy S.1, Marelle Louis1, Ancellet Gérard1, Ravetta François1, Fast Jerome D.2, Pfister Gabriele3, Emmons Louisa K.3, Diskin Glenn S.4, Weinheimer Andrew3, Roiger Anke5, Schlager Hans5
1 : UPMC Univ. Paris 06; Université Versailles St-Quentin, CNRS/INSU; UMR 8190, LATMOS-IPSL, Paris, France, jennie.thomas@latmos.ipsl.fr, 2 : Pacific Northwest National Laboratory, Richland, Washington, USA, 3 : National Center for Atmospheric, Research, Boulder, Colorado, USA, 4 : NASA Langley Research Center, Hampton, VA, USA, 5 : Institut für Physik der Atmosphäre, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Oberpfaffenhofen, Germany
Ozone pollution transported to the Arctic is a significant concern because of the rapid, enhanced warming in high northern latitudes, which is caused, in part, by short-lived climate forcers, such as ozone. Long-range transport of pollution contributes to background and episodic ozone levels in the Arctic. However, the extent to which plumes are photochemically active during transport, particularly during the summer, is still uncertain. In this study, regional chemical transport model simulations are used to examine photochemical production of ozone in air masses originating from boreal fire and anthropogenic emissions over North America and during their transport toward the Arctic during early July 2008. Model results are evaluated using POLARCAT (Polar Study using Aircraft, Remote Sensing, Surface Measurements and Models, of Climate, Chemistry, Aerosols, and Transport) aircraft data collected over boreal fire source regions in Canada (ARCTAS-B) and several days downwind over Greenland (POLARCAT-France and POLARCAT-GRACE). Model results are generally in good agreement with the observations, except for certain trace gas species over boreal fire regions, in some cases indicating that the fire emissions are too low. Anthropogenic and biomass burning pollution (BB) from North America was rapidly uplifted during transport east and north to Greenland where pollution plumes were observed in the mid- and upper troposphere during POLARCAT. A model sensitivity study shows that CO levels are in better agreement with POLARCAT measurements (fresh and aged fire plumes) upon doubling CO emissions from fires. Analysis of model results, using ΔO3/ΔCO enhancement ratios, shows that pollution plumes formed ozone during transport towards the Arctic. Fresh anthropogenic plumes have average ΔO3/ΔCO enhancement ratios of 0.63 increasing to 0.92 for aged anthropogenic plumes, indicating additional ozone production during aging. Fresh fire plumes are only slightly enhanced in ozone (ΔO3/ΔCO=0.08), but form ozone downwind with ΔO3/ΔCO of 0.49 for aged BB plumes (model base run). We estimate that aged anthropogenic and BB pollution together made an important contribution to ozone levels with an average contribution for latitudes >55° N of up to 6.5 ppbv (18%) from anthropogenic pollution and 3 ppbv (5.2%) from fire pollution in the model domain in summer 2008.

Chemical transformations in ship plumes: measurements and modeling of Arctic shipping pollution
Thomas Jennie L.1, Law Kathy S.1, Roiger Anke2, Schlager Hans2, Marelle Louis1, Raut Jean-Christophe1, GRANIER Claire1, Johansson Lasse3, Jalkanen Jukka-Pekka3
1 : UPMC Univ. Paris 06; Université Versailles St-Quentin, CNRS/INSU; UMR 8190, LATMOS-IPSL, Paris, France, jennie.thomas@latmos.ipsl.fr, 2 : Institut für Physik der Atmosphäre, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Oberpfaffenhofen, Germany, 3 : Finnish Meteorological Institute, P.O. Box 503, 00101 Helsinki, Finland
Transit shipping form Europe to Asia through the Arctic via the Northern Sea Route, along the northern coast of Scandinavia and Russia, is already occurring due to the drastic reduction in summertime Arctic sea ice extent. As part of the European Union Arctic Climate Change, Economy and Society (ACCESS) project, an aircraft campaign was conducted in July 2012 to study Arctic shipping emissions. The campaign was based in Andøya, Norway and included measurements of emissions (plume sampling) for ships located off the coast of Norway in transit to/from Murmansk, Russia. The main focus of the campaign was to investigate the role of current and future anthropogenic activities in and near the Arctic on regional air pollution and to investigate potential connections to Arctic climate.

We use a regional chemical transport model, the Weather Research and Forecasting model with chemistry (WRF-Chem), to study the regional impacts of anthropogenic emissions from ships. The model simulates the emission, turbulent mixing, transport, transformation, and fate of trace gases and aerosols simultaneously with meteorology. The model is used to examine ozone and aerosol formation and transformations in fresh shipping pollution plumes. Specifically, we use a high resolution shipping emissions inventory (the Finnish Meteorological Institute (FMI) Ship Traffic Emission Assessment Model (STEAM)) combined with high resolution model runs to study chemical transformations as represented in the model for individual ship plumes. We compare the model with measurements of ship plumes during the campaign and discuss how large increases in shipping emissions may impact the concentrations of climate forcers (ozone and aerosols) in the Arctic region.

Entreprise de tourisme et son rôle dans le développement de l'entrepreneuriat dans le Nord
TOTONOVA Elena

Université Nord-Est fédérale, elena.totonova@mail.ru
Dans les régions nordiques éloignées du centre du pays et situé dans des conditions climatiques difficiles, le problème principal est la création de nouveaux emplois. Résoudre les problèmes socio-économiques des peuples autochtones du Nord nécessite une approche spécifique, qui devrait être fondé sur la préservation et le développement de la voie historiquement industrielle et domestique de leur vie dans une économie de marché. À cet égard, l'un des moyens de sortir de cette situation désastreuse est la participation des populations autochtones à l'entrepreneuriat. Le développement des petites entreprises dans le Nord peut fournir des emplois à la population autochtone et la réception de revenus supplémentaires. Entrepreneuriat peuples autochtones du Nord, en fait, est une sorte d'entreprise familiale.

Les régions du nord offrent la possibilité d'auto-emploi. Un sens de la diversification de l'économie des régions du nord est le développement de la création actuelle et de nouvelles industries dans le secteur des services traditionnels. Parmi les principaux axes potentiels de diversification des ressources naturelles - le développement du tourisme. Il ya une tendance mondiale à voyager dans les zones peu peuplées et les activités de loisirs aussi, qui a longtemps été utilisé par de nombreux Etats du Nord pour le développement économique de ses territoires du Nord.

Le développement du tourisme dans le Nord doit inclure non seulement un mécanisme de soutien de l'Etat, mais aussi d'utiliser les ressources des peuples autochtones à l'auto-promotion. La direction principale du développement du tourisme dans le Nord est la renaissance des communautés autochtones du gouvernement national, le soutien à l'utilisation traditionnelle des terres, la reconnaissance juridique des droits d'utilisation des terres (la seule ressource des territoires du Nord). À son tour, le développement du tourisme dans la région contribue au développement des activités connexes telles que la production et la vente de souvenirs, établir des communications. Il ya une incitation supplémentaire pour le développement de l'infrastructure: construction de routes, l'amélioration de la qualité des services de communication, etc

Ainsi, dans le cadre de programmes à l'appui des peuples autochtones du Nord sont des activités particulièrement importantes qui contribuent au développement de l'esprit d'entreprise parmi la population autochtone. Le développement du tourisme contribue au développement de nouvelles entreprises dans le Nord. Dans laquelle les activités proposées devraient inclure non seulement le mécanisme de soutien de l'Etat, mais aussi d'utiliser les ressources de l'économie traditionnelle, l'histoire, la culture, le mode de vie des peuples autochtones à l'auto-promotion.
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