Date limite : 15 février 2013; plus de détails sous l'onglet « Recherche »
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Earth & Planetary Sciences
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Le climat, l’hydrologie, la biogéochimie et les systèmes biologiques de la Terre sont intimement reliés. En raison de ses propriétés thermiques et chimiques, l’eau joue un rôle essentiel dans la distribution et le transport d’énergie associés au climat terrestre et dans le stockage et le transport de substances chimiques associés aux fonctions biotiques et abiotiques du système terrestre. Jusqu’à tout récemment, les humains n’ont accordé que peu d’attention au cycle hydrologique planétaire, même si on s’entend maintenant sur le fait que l’activité humaine accapare entre 20 % et 40 % de toutes les ressources d’eau douce renouvelables. Il s’ensuit un ralentissement du transport fluvial et une augmentation de plusieurs mois ou plus du temps de séjour de l’eau sur les continents, ce qui modifie la séquence d’apport d’eau douce vers les océans et retient suffisamment d’eau sur les continents pour réduire le niveau de la mer de plusieurs millimètres. Malheureusement, la distribution des ressources d’eau douce ne co?ncide pas nécessairement avec celle de la densité ou de la croissance de la population. à l’heure actuelle, plus du tiers de la population mondiale est confronté à des pénuries d’eau critiques. La représentation et la prévision de la dynamique spatiale et temporelle du cycle hydrologique planétaire constituent une des grandes faiblesses des modèles climatiques à l’échelle planétaire.
La biogéochimie s’intéresse aux cycles des éléments et composés en réponse à des processus biologiques, géochimiques et hydrologiques. Elle ne s’intéresse pas directement au transport de chaleur à l’échelle planétaire, par l’eau notamment, mais plutôt au métabolisme de la planète Terre et des facteurs dont il dépend. Cela dit, la fonction biologique de certains écosystèmes, comme les forêts tropicales, peut avoir une incidence planétaire sur le mouvement de l’eau. La biogéochimie met notamment l’accent sur les cycles planétaires du carbone, de l’azote, du phosphore et du soufre. Par exemple, par l’entremise du transfert de vastes quantités de carbone issu du cycle géologique, un cycle lent, qui s’opère sur des centaines de millions d’années, vers le cycle contemporain du carbone, qui s’opère à l’échelle séculaire, et de la transformation de forêts en écosystèmes agricoles, les humains ont modifié le cycle planétaire de cet élément.
Si les conséquences potentielles de la modification de la concentration de CO2 sont bien documentées, la modification par l’activité humaine du cycle planétaire de l’azote a des conséquences encore plus dramatiques. Par le biais de la production d’engrais et des réactions chimiques auxquelles participe l’azote dans les moteurs à combustion interne, l’activité humaine surpasse toutes les autres activités biologiques combinées à l’échelle planétaire pour ce qui est de fixer l’azote (c. à-d., transformer la forme inerte de l’azote en des formes biodisponibles)!
Aux échelles continentale à régionale, les émissions de soufre ont modifié l’acidité des écosystèmes terrestres et aquatiques, en plus de provoquer une augmentation des concentrations d’aérosols dans l’atmosphère, entra?nant ainsi une augmentation de l’albédo de la Terre.
Voici les grandes questions auxquelles s’intéresse l’étude des cycles planétaires :
Les changements climatiques caractérisent la Terre depuis sa formation, il y a 4,6 milliards d’années. Un des problèmes de premier ordre auxquels doit s’attaquer l’étude des changements climatiques est la distinction entre les influences humaines et les influences de processus naturels (l’orbite terrestre, la tectonique, etc.) sur le climat. Un autre grand défi consiste à réduire l’incertitude des prévisions climatiques, particulièrement pour les 100 prochaines années. Enfin, un défi véritablement colossal de l’étude du climat consiste à prédire la prochaine période glaciaire.
Pour relever le grand défi que constitue la compréhension de la variabilité du climat, les approches suivantes sont nécessaires :
La prévision de la prochaine période glaciaire repose sur l’application d’une nouvelle catégorie de modèles du système terrestre, appelés modèles de système terrestre de complexité intermédiaire (MTCI), qui allient les aspects géophysiques et biosphériques du système terrestre. Une compréhension approfondie des cycles géochimiques planétaires qui modulent le climat sous l’effet de forçages orbitaux permettra l’application de ce type de modélisation.
L’activité humaine modifie la surface émergée de la Terre à un rythme sans précédent, ce qui a une incidence sur des processus clés du système terrestre. Les changements à l’utilisation et à l’occupation des sols participent aux changements climatiques locaux et régionaux, ainsi qu’au réchauffement planétaire, modifient les cycles géochimiques planétaires, sont la principale cause de dégradation des sols et de la diminution de la biodiversité et, en modifiant les services écosystémiques, ont une incidence sur la capacité des systèmes biologiques de répondre aux besoins humains. Une meilleure compréhension des changements à l’utilisation et l’occupation des sols constitue un objectif central de la science du globe et de l’étude des changements environnementaux à l’échelle planétaire. Deux grandes initiatives internationales de recherche scientifique sous l’égide du Programme International Géosphère Biosphère (PIGB) et du International Human Dimensions Programme on Global Environmental Change (IHDP ?Programme international sur les dimensions humaines des changements environnementaux planétaires) s’intéressent au rôle clé des changements à l’utilisation et l’occupation des sols dans les fonctions du système terrestre ?le Land Use and Land Cover Change Project (LUCC, Changement d’utilisation et de couverture des sols) et le Global Land Project (GLP, Utilisation des sols à l’échelle planétaire).
Voici les questions clés touchant aux changements à l’utilisation et l’occupation des sols :
Il est nécessaire de comprendre la nature des transferts d’énergie entre les différentes composantes du système terrestre. Parmi les exemples figurent le transfert d’énergie entre les océans et l’atmosphère, l’exhalaison de fluides hydrothermaux chauds sur le plancher océanique, l’écoulement fluvial, la combustion de combustibles fossiles, ainsi que des évènements extrêmes, comme les ouragans et les éruptions volcaniques. La demande croissante d’énergie, tant immédiate qu’à long terme, constitue en outre une composante humaine pressante. Une évaluation des sources d’énergie traditionnelles à la lumière des nouvelles sources est donc nécessaire, et les questions suivantes doivent être abordées :
Les ressources terrestres comprennent également l’eau, les sols, les minéraux, les métaux et les êtres vivants. Il s’agit d’éléments fondamentaux du système terrestre qui font tous l’objet d’une exploitation intense par l’homme. L’eau est si importante et essentielle pour les humains qu’elle constitue à elle seule un des « grands défis » de la science du globe. Les sols jouent un rôle fondamental en ce qui concerne la biodiversité et la production agricole. Les minéraux et métaux constituent le fondement de l’économie et du mode de vie modernes. Les êtres vivants définissent la vie telle qu’on la conna?t, régulent la météo et le climat et sont fortement touchés par l’activité humaine.
En ce qui concerne ces différentes ressources, les quatre objectifs fondamentaux suivants doivent également être visés :
Les humains sont de plus en plus vulnérables aux évènements extrêmes comme les ouragans, les inondations, les feux de forêts et les éruptions volcaniques. Ceci est attribuable à plusieurs facteurs. Premièrement, les changements que serait en train de subir le système terrestre pourraient accro?tre la probabilité d’évènements extrêmes. Deuxièmement, beaucoup d’humains choisissent d’habiter des régions attrayantes sur le plan esthétique ou économique, mais particulièrement vulnérables, telles que des régions côtières ou à proximité de forêts et de volcans et des plaines inondables. Ce problème est exacerbé par l’urbanisation croissante de la population mondiale. Même s’ils sont vulnérables aux évènements extrêmes, certains centres urbains connaissent une croissance rapide, de sorte qu’un nombre croissant de personnes est à risque. Certains exemples en disent long. La ville de Naples est située sur les flancs du Vésuve, un volcan qui entrera certainement en éruption dans les prochaines décennies ou les prochains siècles. Los Angeles est une mégapole exposée aux tremblements de terre et aux feux de forêts (en 1994, un séisme de force moyenne a entra?né des pertes s’élevant à environ 40 milliards de dollars). Miami, comme d’autres villes côtières de l’est de l’Amérique du Nord, est vulnérable aux ouragans (en 1992, l’ouragan Andrew a infligé des pertes de l’ordre de 30 milliards de dollars). Vancouver est vulnérable à de très grands tremblements de terre, des glissements de terrain et, éventuellement, des tsunamis. Le Bangladesh est régulièrement frappé par des ouragans dévastateurs et les inondations associées, qui causent d’importantes pertes de vie humaine.
Parce que ces évènements regroupent typiquement plusieurs éléments du système terrestre (p. ex., le manteau, la cro?te, la surface et l’atmosphère terrestres sont autant d’éléments participant à l’activité volcanique), leur étude nécessite une approche axée sur ce système. Les six approches fondamentales suivantes sont nécessaires pour aborder ces enjeux :
Un des grands défis actuels de la science du globe consiste à déterminer l’état actuel de la terre entière à diverses échelles spatiales. Ceci nécessite non seulement un vaste éventail d’instruments, mais aussi la capacité d’intégrer l’énorme quantité de données en découlant en une représentation cohérente du système terre-océan-atmosphère. La conception d’instrumentation pour la documentation régulière de divers phénomènes qui, auparavant, n’avaient été documentés que par des modèles informatiques de haute définition, constitue un défi qui requiert la collaboration d’ingénieurs et de scientifiques. La nécessité de définir l’état du système terrestre à la plus haute définition possible dans l’espace et dans le temps n’a jamais été plus criante.
Pour relever ce grand défi, les approches suivantes sont utilisées :