EX. 2 Écologie et empreinte humaine Flashcards
Répartition des populations
1ère révolution urbaine: de -8000 à -2000 av. J.C. 1eres installations en villes
2ème révolution urbaine: de 1700 à 1950 développement des villes modernes
3ème révolution urbaine: de 1950 à aujourd’hui pays en développement
Depuis ~2007, près de la moitié de la population mondiale vit dans les
zones urbaines
Cette proportion de la population vivant en agglomérations urbaines
continue d’augmenter (en moyenne)
Les zoonoses def
Changements environnementaux et contextes récents favorisant le développement des zoonoses
maladie qui peut se transmettre de l’animal à l’homme
soit par contact direct avec des animaux, soit par la consommation de denrées alimentaires d’origine animale
Populations humaines très mobiles Commerce international déplacements des animaux et de leurs produits Changements climatiques Déboisement Urbanisation Nouvelles habitudes de société
• Faune = réservoir de maladies Virales Bactériennes Fongiques Parasitaires : - internes/externes
• Faune sauvage = réservoir privilégié
Beaucoup de ces maladies se limitent à la faune sauvage
promiscuité entre Faune sauvage / Faune domestique / Humains
• Changements récents dans l’environnement
Apparition de nouvelles maladies dans divers écosystèmes
• Plus de 60% des 1425 maladies infectieuses connues sont capables
d’infecter et les humains et les animaux
175 de ces espèces pathogéniques sont considérées comme
«émergentes» ou « naissantes»
Période 1972 -2006: 35 nouveaux agents infectieux identifiés
Interactions avec l’environnement
Les centre urbains ont une influence profonde sur
Les désavantages écologiques de l’expansion urbaine & croissance démographique
absorption des radiations solaires (îlots de chaleur: + 5ºC)
évaporation de l’eau
circulation de l’air
circulation de l’eau
+ Conversion des terres agricoles et forestières (= - de PPN)
+ Destruction ou compaction du sol (= perte de matière organique)
+ Surface bétonnée
+ Consommation d’eau
+ Consommation d’énergie et de pétrole (transport)
+ Concentration des déchets et des polluants dans l’air, l’eau et le sol
+ Demande énergétique
+ Concentration de la pollution
Quelles sont les principales sources d’énergie ?
Combustibles fossiles • Charbon • Pétrole • Gaz naturel Fission nucléaire Énergies renouvelables • Énergie solaire (directe ou indirecte) • Énergie marémotrice • Énergie géothermique
Les combustibles fossiles
Combustibles entreposés dans la lithosphère provenant de la décomposition de la matière organique
Cette décomposition est progressive et nécessite plusieurs millions d’années
Les combustibles fossiles sont dit non-renouvelables car leur consommation actuelle n’est pas compensée par la décomposition
Dans le contexte actuel, l’épuisement de ces
carburants fossiles est inéluctable
La question est de savoir combien de temps
avant épuisement total des réserves
Utilisation du charbon et importance du charbon
Le charbon est utilisé essentiellement pour produire de l’électricité
L’anthracite offre le plus grand rendement énergétique et la
plus faible pollution (souffre), mais est très cher à l’achat
c’est parce que cette ressource a été en grande partie épuisée lors
de la révolution industrielle
Le charbon bitumineux offre un bon rendement pour le prix, mais
est de loin le plus polluant
c’est le type de charbon le plus utilisé
La combustion de charbon en Chine a doublé entre 2003 et 2007
L’augmentation globale de production d’énergie est plus rapide
pour le charbon que pour les sources non fossiles
Les conséquences de l’utilisation du charbon
• Conséquences de l’utilisation du charbon
+ de 90,000 mineurs tués dans des accidents de mines
aux USA seulement
Maladie du poumon noir & Incidence de cancers
4.000 cas /année aux USA ,10.000 cas/année en Chine
Drainage d’acides et de minéraux toxiques
Production de CO, CO2
lors de la combustion (vrai aussi pour le pétrole)
Émissions de mercure (se retrouvent dans l’eau et le sol)
Production de N2O et oxydes d’azote NO & NO2
(vrai aussi pour le pétrole)
Production d’oxyde de souffre (SO2)
La technologie pour retirer les oxydes des produits de combustion existe, mais elle est encore peu utilisée dans les pays en forte croissance
Émissions globales d’oxyde de souffre (SO2)
On associe la hausse globale de SO2 au plateau actuel de température
La durée de vie du SO2 varie de quelques semaines à quelques mois
Décroit pour l’amérique du Nord et l’Europe mais augmente pour Asie de l’Est
Les dépôts acides
Les oxydes de souffre réagissent avec l’eau dans l’atmosphère
produisent de l’acide sulfurique (H2SO4)
se dépose ensuite dans l’environnement (sols & cours d’eau)
Certaines eaux de pluie sont aussi acides que le jus de citron
Phénomène relié au déclin des populations aquatiques et des forêts
Utilisation du pétrole et du gaz naturel, ses effets néfastes
Pétrole: carburants, huiles, diesel, asphalte et
produits pétrochimiques (plastiques, fibres
synthétiques, peintures)
Gaz naturel: combustible à chauffage,
cuisine, industrie
• Effets néfastes du pétrole
Associés à la production et au transport :
accidents de pipelines et déversements de pétrole en mer (e.g. Exxon Valdez)
Conflits pour obtention de la ressource
Guerre du Golfe = 20 x Exxon Valdez déversé dans l’eau
Émissions de CO2 lors de la combustion (= Effet de serre)
Production d’oxydes nitreux (~ 50% des émissions totales)
Transformations des polluants dans l’atmosphère
Les polluants primaires proviennent directement de l’activité humaine ou volcanique
Les polluants secondaires (e.g. acide sulfurique, ozone) sont le produit de réactions chimiques et photochimiques dans l’air
La pollution secondaire: le cas de l’ozone
L’O3 troposphérique est un polluant secondaire résultant d’une réaction chimique entre d’autres polluants primaires, soit les hydrocarbures et les oxydes d’azote (ex: NO, NO2)
Il représente le pire polluant dans le smog
L’O3 stratosphérique est une
composante essentielle de l’atmosphère
qui protège les organismes contre les
rayons UV
l’O3 est détruit (transformé en oxygène) par une réaction chimique en présence de
CFC (chlorofluorocarbures) utilisés dans les appareils réfrigérants
Les sources de pollution en Amérique du Nord
Transport –> 57%
Combustion de carburant –> 21%
Procédés industriels –> 12%
Divers –> 10%
Les transports représentent la principale source de pollution, suivi par les autres formes de combustion et les émissions industrielles.
Le carburant nucléaire
Uranium-235 contenu dans le minerai uranifère (< 1%)
• L’uranium est comprimé en pastilles (= 1 tonne de
charbon), qui sont groupées dans des barres de
combustibles
• Produits: déchets hautement radioactifs pour plusieurs
milliers d’années (barres de combustibles; métaux;
fluides de refroidissement)
• Transition entre l’entreposage local et l’entreposage
centralisé (transport sur de longues distances)
• Les nouveaux réacteurs ont une durée de vie plus
longue et sont plus sécuritaires (x10?) afin d’éviter les
fuites et les accidents
• Il y aurait assez d’uranium pour alimenter ces
réacteurs de 4e génération pendant au moins
10 000 ans (actuel ~ 300 ans)
Quelles sont les énergies renouvelables ?
Énergie solaire directe: thermique et électrique Énergie solaire indirecte: Vent (énergie éolienne) Hydroélectricité Biomasse Énergie géothermique Énergie marémotrice
L’énergie solaire
Faible efficacité pour l’instant mais la technologie progresse
Le coût initial de la conversion à l’énergie solaire (panneaux & installation) est élevé (et polluant: faible recyclage du matériel)
il faut que la production d’énergie soit importante pour
convaincre la population d’investir
Utile surtout aux basses latitudes (éclairement plus direct) et
là où les systèmes météorologiques favorisent une faible
couverture nuageuse
La biomasse
Avantages et inconvénients
1. Combustion directe Bois Résidus industriels (e.g. scieries; pâtes et papier) Déchets organiques (e.g. excréments) Tourbe
- Production de combustible
Biogaz: production de gaz (méthane) par la décomposition bactérienne des déchets organiques
les gaz sont utilisés pour la cuisson et le chauffage et les résidus solides comme fertilisant agricole
Éthanol et méthanol: produit par la fermentation du maïs ou de la canne à sucre
Biodiesel: Récupération des huiles usées commerciales ou industrielles (restaurants) + Algocarburants
Avantages
Réduit la dépendance aux combustibles fossiles
Réduit l’accumulation des déchets et les problèmes associés
Disponible localement à petite échelle (pas de transport d’énergie)
Combustion relativement propre, mais contient certains polluants
Idéalement pas de production nette de CO2
Désavantages
Compétition possible avec la production alimentaire
Production d’éthanol peu rentable pour l’instant
Faible efficacité (30-40% de pertes lors de la conversion)
Énergie éolienne
Quels sont les défis ?
Croissance très importante depuis les années 1990
Les turbines sont de plus en plus grosses et efficaces
Les coûts de production sont de 5 à 10 fois moindres
qu’à la fin des années 1980 (mais relativement cher en
régions froides)
Le vent n’est pas uniforme Certains sites sont
particulièrement propices (Pays côtiers)
Au Danemark, > 21% de l’énergie totale est produite par
des parcs éoliens situés au large
Défis:
- Taille
- Efficacité
- Stockage
Hydroélectricité
Avantages et inconvénients
Conversion d’énergie potentielle en énergie cinétique,
puis électrique
différent de l’énergie marémotrice, qui utilise directement l’énergie cinétique et retourne l’eau là d’où elle vient
C’est la source d’énergie la plus efficace
90% de l’énergie cinétique est convertie en électricité (60% pour une éolienne)
Produit environ 19% de l’énergie mondiale
le Canada est le premier producteur
suivi par les USA, le Brésil et la Chine
Nécessite un réservoir d’énergie potentielle
La production à grande échelle implique:
− Construction de barrages
− Inondation de grands territoires
− Infrastructures de transport
Désavantages
Déplace les populations humaines
Modifie le cours des grandes rivières
Influence la migration et le cycle de vie des poissons
Le réservoir retient les nutriments forte perte de productivité en aval
Détruit l’écosystème terrestre et le patrimoine inondé
En région chaude: augmente l’évaporation (perte d’une ressource
précieuse) et la propagation de maladies parasitaires (Assouan)
Durée de vie du réservoir (sédiment) = 50-200 ans
Substances toxiques impliquées dans le réseau de transport (BPC)
Avantages
Coûts d’opération très bas (après un fort investissement initial)
Peu d’émission directes de polluants
Peu de danger associé au transport
L’empreinte des énergies renouvelables
Pour alimenter Paris il faudrait la même superficie de panneaux que cette ville.
Diapo 30
Écotoxicologie def
Les 4 critères
Étude scientifique des agents de contamination dans la biosphère, y compris leurs effets nocifs sur les
écosystèmes.
Étude scientifique des modes de contamination de l’environnement par les agents polluants anthropiques, de leurs mécanismes d’action et de leurs effets sur l’ensemble des êtres vivants.
4 Critères pour évaluer l'impact d'un polluant : Quantité (ppm/ppb) Persistance (demi-vie) Degré de toxicité Bioaccumulation / Magnification
Temps de demi-vie
Temps nécessaire pour que la moitié d’une quantité de polluant disparaisse de l’environnement ou des organismes contaminés
Facteurs affectant la toxicité
Sexe (physiologie et métabolisme) Alimentation au moment de l´exposition Age & État de santé général Hormones (ex: en cas de grossesse) Mode d'exposition (concentration, fréquence, absorption) Espèce
La dose léthale du chlorpyrifos diffère de l’espèce
Ex:
Poulet c’est 32 ppm
Lapin c’est 1000 ppm
Effets des polluants sur la faune
Déformations du cartilage ou des os
Tumeurs cancéreuses
Coquilles trop minces
Aberrations développementales
bioaccumulation et biomagnification
En général, les polluants sont: - facilement absorbés - difficiles à excréter - lipophiles ( bioaccumulation) - concentrés dans la chaîne alimentaire (biomagnification)
Les trois atmosphères
- Helium & Hydrogène (dissipés par la chaleur et les vents solaires)
- CO2, CH4 (méthane), NH3 (ammoniaque) et vapeur: activité volcanique
Conversion du NH3 en N2 par photolyse (rayons UV)
Apparition des cyanobactéries fixatrices de N2
Azote fixé présent dans l’air, le sol et l’eau (NH4, NO2, NO3, N2O)
Oxygénation de l’atmosphère
Majeure partie du CO2 primordial est dans l’océan (bicarbonate) - Aujourd’hui :
N2 78.08 % O2 20.95 % Argon 0.93 % Co2 0.04 % Vapeur d'eau ~1 % Autre 0.002 %
Le cycle de l’oxygène
L’oxygène est un sous-produit de la photosynthèse et est impliqué chez les organismes
dans l’oxydation des hydrates de carbone, produisant de l’énergie, du CO2 et de l’eau
La plus grande partie de l’O2
actif est contenue dans l’atmosphère et provient
principalement de la photosynthèse
Une partie moins importante vient de la photodissociation de l’eau dans la haute
atmosphère
De tout l’oxygène élaboré au cours des temps :
- 10 % circule dans la biosphère
- 90 % est immobilisé dans la lithosphère sous forme de carbonates, sulfates, etc.
Cycles biogéochimiques
Le cycle de l’oxygène
L’ozone présent dans la stratosphère est maintenue par un équilibre
naturel entre différentes réactions photolytiques
- Production de l’ozone :
- O2 O + O
- O2 + O O3
La formation et la dissociation de l’O3 en haute atmosphère (10-50 km d’altitude), deux processus à l’équilibre, contribuent à absorber une grande partie des UV atteignant l’atmosphère
De par sa protection contre les UV, l’ozone a permis l’évolution des formes biologiques terrestres
Cycle du carbone
diapo 41
Son cycle correspond au passage de l’énergie le long des niveaux
trophiques, de la photosynthèse par les autotrophes à la
respiration par les autotrophes et les hétérotrophes
La rapidité avec laquelle il est recyclé dépend des facteurs
abiotiques affectant:
- La photosynthèse
- La respiration
- La décomposition
Rapide dans les régions chaudes et humides des tropiques / Plus lent dans les régions froides de la toundra
Le carbone se retrouve à 93% dans les océans, 5% écosystèmes terrestres et 2% atmosphère
Près du quart du carbone de la composante terrestre se retrouve dans les producteurs primaires
En milieu aquatique :
Utilisation du CO2
sous forme dissoute par les autotrophes pour la synthèse
d’hydrates de carbone qui sont ensuite passés le long de la chaîne trophiq
Avec le processus de la respiration, une partie de ce CO2 est immédiatement
relâchée et peut être ainsi rapidement réutilisé
Incorporation d’une partie du carbone dissous dans les sédiments, ce qui le
soustrait temporairement du cycle biogéochimique
En milieu terrestre :
Une partie du carbone peut être temporairement retenue sous forme d’humus
Propriété de l’humus
- très lentement décomposable
- joue un rôle primordial dans le maintien de la structure et de la capacité
de rétention de l’eau du sol et des nutriments
• Dans un cycle non perturbé, la quantité de carbone dans l’atmosphère est en équilibre avec la photosynthèse et la respiration de tous les organismes vivants
• L’essentiel du carbone se trouve dans l’océan, surtout dans les couches
profondes (sous forme de bicarbonate)
• Un faible changement de la température océanique (change la solubilité du CO2) combinée aux variations de la circulation thermohaline (pompe à solubilité) et de la pompe biologique (chute de matière organique) peuvent avoir un effet très fort sur les concentrations de CO2 atmosphérique
Le cycle de l’azote
5 étapes: Fixation de N2, Nitrification, Assimilation, Ammonification, Dénitrification
Diapo 47
Les 5 principaux processus impliqués dans ce cycle
Fixation
- Conversion du N2
atmosphérique en NH3 ou NO3
- La fixation biologique représente environ 90% de l’azote fixé chaque année
- Elle implique particulièrement des bactéries associées aux plantes supérieures, des bactéries libres et des cyanobactéries
Ammonification
- Production d’ammoniac (NH3) à partir de la décomposition de la matière organique
- Processus impliquant des micro-organismes spécialisés (bactéries hétérotrophes)
Assimilation = Les autotrophes utilisent l’ammoniac dans la synthèse de produits
organiques aminés
Nitrification (Chimiosynthèse) - Nitrosomonas: NH3 NO2 (nitrite) - Nitrobater: NO2 NO3 (nitrate)
Dénitrification
- NO3 N2
(azote gazeux)
- Processus impliquant des bactéries anaérobies facultatives (Pseudomonas) qui, lorsque l’oxygène est limité, peuvent utiliser les nitrates comme accepteur d’ions hydrogènes dans leur métabolisme
Formes gazeuses: N2 et N2O
Résumé diapo 49
• Augmentation de l’azote « fixé »
Durant le 20e siècle les activités humaines ont presque décuplé la quantité d’azote fixé
Production d’engrais synthétiques
lessivés dans les sols puis se rendent aux lacs & océans
Résultats:
- Eutrophisation globale & Contamination des nappes d’eau souterraines (nitrates)
- La dénitrification relâche de l’oxyde nitreux (et il y a d’autres sources anthropiques)
Création d’émissions d’oxyde nitreux
On estime que plus de la moitié des émissions de N2O sont d’origine anthropique
Les changements globaux
Les échelles de temps et d’espace défient l’entendement humain et l’intuition
Nul ne peut percevoir ou appréhender le climat global
Seuls les outils scientifiques et mathématiques fournissent des informations vérifiables dont l’incertitude peut être évaluée
L’opinion d’une personne, si convaincante ou influente soit-elle, quant à l’existence, la cause et l’impact des changements globaux n’a aucune valeur intrinsèque
Les efforts scientifiques de synthèse et de modélisation, malgré leurs imperfections, sont notre unique prise sur la situation globale, que cela nous plaise ou non
• Comment s’informer?
Être critique envers les sources d’information
Éviter la paranoïa primaire envers les organismes officiels
Être attentif aux faits mais prendre le message avec du recul
Le climatoscepticisme
Le doute et les avis contraires sont des moteurs du progrès de la science et de la connaissance
Les avis contraires sont « sains » pour autant qu’ils soient formulés de manière factuelle et sans motif « négationniste »
L’approche malsaine consiste à :
- confondre les échelles de temps et d’espace
- discréditer l’approche scientifique en tablant uniquement sur les incertitudes
- intimider les scientifiques personnellement ou les empêcher d’agir
- noyer le débat dans des considérations religieuses ou politiques de ce qui est bien ou mal
Libre à tout individu de douter (et c’est très bien), mais il n’est pas légitime de mettre l’opinion d’un groupe d’individus sceptiques sur un pied d’égalité avec le consensus scientifique global
Les positions des « négationnistes » pourront être considérées
sérieusement quand ils prouveront scientifiquement que le changement climatique n’existe pas
Quatre défis scientifiques
Quantifier & Comparer (mesurer quoi, ou et comment ?)
Établir des liens de cause à effet (= comprendre)
Modéliser (interrelations & interactions entre processus)
Formuler un pronostic
Groupe 1 : principes physiques et quantification
Groupe 2 : impacts, vulnérabilité et adaptation
Groupe 3 : atténuation (mitigation)
Le GIEC ne produit pas de nouvelles données, il évalue la crédibilité des études scientifiques indépendantes et en fait la synthèse
Diapo 54
Les proxys du climat
Pour mesurer un changement il faut une référence dans le passé obtenue indirectement en utilisant des paramètres qu’on peut mesurer aujourd’hui et relier au climat ancien (= proxy)
On utilise pour ceci des mesures quantitatives qu’on peut réaliser aujourd’hui On relie ces mesures à des paramètres actuels ou récents du climat (température, précipitations, CO2) pour créer des fonctions de
transfert
On utilise les fonctions de transfert pour reconstruire le climat du passé à partir d’arbres très vieux et de ce qu’on trouve dans les couches du sol, des glaciers ou des sédiments marins
Ces reconstructions comportent toujours une certaine part d’incertitude,qui diminue avec les progrès de la science
La paléoclimatologie
• Glace
Contient du pollen, des poussières (volcans,
érosion, vents) et des bulles d’air
- Le pollen fournit une indication de la productivité terrestre ainsi que des plantes dominantes (fonction du climat)
- Les bulles d’air nous renseignent sur la composition de
l’atmosphère (+ ou – de CO2). Échelle: 1.000 – 650.000ans
• Sédiments terrestres et marins
Contiennent des fossiles (ex: phytoplancton ou plante terrestre) qu’on peut utiliser pour reconstruire la productivité, la température des océans et l’étendue des glaces de mer
• Arbres La distance entre les anneaux est une fonction du taux de croissance (qui réagit en fonction des précipitations et de la température). Échelle: 1 – 5.000 ans
Diapo 57-58-59-60
Le réchauffement récent
La tendance à long-terme montre un réchauffement clair, parsemé d’épisodes plus stables et d’inversions temporaires
Nous sommes dans une période relativement stable pour l’atmosphère, tandis que l’océan continue de se réchauffer
La quantité de chaleur absorbée par les océans est équivalente à une élévation de 36°C des 10 premiers kilomètres de l’atmosphère
Diapo 62
L’effet de serre
• Phénomène compris depuis plus d’un siècle
(Arrhénius 1896)
• Les gaz à effet de serre (H20 = 97%, CO2, CH4, N2O, CFC et autres) permettent au rayonnement solaire de traverser l’atmosphère mais ils absorbent le rayonnement infrarouge réfléchi et le renvoient vers la Terre
• Résultat: la surface terrestre a une
température moyenne (15oC) supérieure
d’environ 33oC à ce qu’elle serait sans cet effet
Le CO2 a un faible potentiel de réchauffement
(forçage radiatif), mais il est :
- 200 fois plus concentré que le CH4
-1200 fois plus concentré que le N2O
Émissions majeures de méthane (CH4):
L’activité humaine est la cause principale de l’accumulation de méthane
Émissions majeures de méthane (CH4)
Les hydrates de méthane représentent une forte source potentielle de CH4 pour l’atmosphère
- entreposés dans le pergélisol et (surtout) les sédiments marins peu profonds de l’Arctique et des zones côtières
- le méthane peut ainsi être libéré par le réchauffement de l’eau, la fonte du pergélisol et la décomposition de la matière organique qu’il contient
Toutefois il existe des bactéries métanotrophes qui utilisent le CH4 comme source de carbone
Les causes mineures du réchauffement récent
• Les causes mineures L'effet de chaleur urbain (6-7%) Les fluctuations de l'activité solaire (7%) Autres fluctuations naturelles L'aviation Les flatulences de vache
• Connaissances encore insuffisantes
Le forçage radiatif par les différents types de nuages en fonction de leur hauteur et l’effet des aérosols anthropiques sur les propriétés radiatives des nuages
Impact des boucles de rétroaction sur le bilan radiatif actuel et futur
on peut mesurer le résultat net, mais les processus sous-jacents sont encore mal compris
Réchauffement et boucles de rétroaction
Rétroactions positives: liées à l’augmentation de température elles amplifient le réchauffement
- Ralentissement des pompes océaniques à CO2
- Augmentation de l’évaporation
- Fonte de la neige et de la glace
- Augmentation de la décomposition (+ CO2 + méthane)
- Fonte du pergélisol et des hydrates gazeux (+ méthane)
Rétroactions négatives: ralentissent le réchauffement
• Évaporation = formation de nuages (effet parasol)
• Augmentation de la PPN des plantes en C3
Les boucles de rétroaction sont fortement reliées aux
cycles biogéochimiques du carbone et de l’azote
Le futur? Modélisation & Pronostic
- Les résultats des études de processus océaniques, atmosphériques et biologiques ainsi que la reconstruction des climats anciens permettent de modéliser la réponse du climat aux perturbations anthropiques et naturelles
- Les modèles nous permettent de «tester» la sensibilité du climat à différents agents de forçage
- Un modèle n’est pas une boule de cristal il permet simplement d’encadrer les futurs probables selon l’état actuel des connaissances
Croissance démographique (modèle social, interactions entre les états)
Économie, train de vie et consommation
Profil énergétique (demande, sources, efficacité)
Pollution (pas juste les gaz à effet de serre)
