Recherche sur les émissions nettes de gaz à effet de serre de réservoirs
   

Retour à l'index

Mesure des émissions de CO2 au réservoir EM-1 à l’aide de la technique de covariance des turbulences

Télécharger la fiche pédagogique (PDF - 0.3 MB)

Contexte
La communauté scientifique, représentée par le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC), est d'avis que le climat de la terre se réchauffe. On estime que l'augmentation de la température moyenne du globe est en grande partie due aux émissions croissantes de gaz à effet de serre (GES), particulièrement par les combustibles fossiles, mais que la conversion des terres est également en cause. Les GES ont la capacité d'absorber le rayonnement infrarouge, réchauffant ainsi la surface terrestre et contribuant à l'effet de serre. Les quatre principaux GES sont le dioxyde de carbone (CO2), le méthane (CH4), l’oxyde nitreux (N2O), et la vapeur d'eau. Une façon de réduire les concentrations de GES dans l'atmosphère consiste à séquestrer le carbone dans le sol et la végétation. Habituellement, les écosystèmes végétalisés, par exemple les forêts, agissent comme des « puits de carbone » , parce que la végétation absorbe le CO2 dans l'atmosphère grâce au processus de la photosynthèse. Lorsqu’une forêt est coupée ou brûlée, la majeure partie du CO2 retourne dans l'atmosphère. Cependant, ce que le carbone devient lorsqu’une forêt existante est inondée demeure en grande partie un mystère. Il est donc essentiel de déterminer les effets de la création de réservoirs hydroélectriques sur les émissions de GES, surtout dans le Nord du Québec, qui recèle un potentiel hydroélectrique énorme. Le réservoir Eastmain-1, dans la région de la baie James, fournit une occasion unique de dresser un inventaire complet de ces effets.
De nombreuses techniques permettent de mesurer le flux des gaz à effet de serre entre l'atmosphère et une surface donnée (c.-à-d. les quantités de GES libérées dans l'atmosphère ou absorbées). En plus des chambres statiques utilisées pour quantifier les émissions de GES à différents endroits aux environs du réservoir EM-1 (voir le volet terrestre du projet), l'équipe de recherche utilise la technique de covariance des turbulences (eddy covariance), qui est la méthode la plus directe employée par les spécialistes de l’environnement pour déterminer si les surfaces terrestres et aquatiques émettent ou absorbent des gaz à l'état de trace (p. ex., le CO2).

Qu’est-ce que la covariance des turbulences ?
Le principe général qui sous-tend la covariance des turbulences est que l'air qui circule au-dessus d'une surface crée des remous turbulents qui favorisent les échanges d'énergie, de vapeur d'eau et de gaz entre l’air et la surface. Des instruments installés au sommet de tours permettent de mesurer de façon continue la concentration des gaz à l'état de trace ainsi que la vitesse verticale du vent au-dessus de vastes étendues. Sachant combien de molécules d'un gaz sont déplacées vers la surface ou à partir de la surface à un moment donné, les scientifiques peuvent calculer le flux ascendant ou descendant (par « flux », on entend simplement une quantité qui traverse une unité de surface dans une unité de temps donnée). Dans la technique de covariance des turbulences, la quantité de CO2 qui est émise ou absorbée par la surface observée résulte de la covariance entre la vitesse verticale du vent et la concentration des gaz. Cependant, comme les variations de turbulences se produisent à très haute fréquence, nous devons utiliser des instruments de mesure très précis. Les deux principaux instruments utilisés à EM-1 sont l'anémomètre sonique tridimensionnel, qui mesure la vitesse du vent dans trois directions, et l’analyseur de gaz à infrarouges (IRGA) à circuit ouvert, qui mesure la concentration de CO2 et de vapeur d'eau (voir figure 1). Les données produites par ces appareils sont enregistrées à 10 hertz (c.-à-d. dix mesures par seconde) à l’aide de système d’acquisition de données.

 



Figure 1 : Exemple d'un système de covariance Eddy avec un anémomètre sonique et l'analyseur de gaz à infrarouge

 

Pourquoi utiliser la covariance des turbulences ?
La création du réservoir hydroélectrique EM-1 a nécessité l'inondation de plus de 600 km2 de forêt et de tourbières boréales en bordure de la rivière Eastmain. Une telle perturbation modifie évidemment un grand nombre de processus écologiques, biologiques et physiologiques, qui influencent à leur tour la manière dont les GES sont produits et absorbés dans le secteur inondé et ses environs. Dans les forêts, le CO2 est absorbé par les arbres et libéré par la respiration et la décomposition, mais dans les milieux aquatiques il est principalement émis. Mesurer les impacts de cette modification du territoire sur les patrons d'émission de GES est une entreprise colossale, et la covariance des turbulences est une des techniques les plus prometteuses pour y parvenir.
La covariance des turbulences présente de nombreux avantages par rapport à d'autres méthodes couramment utilisées pour mesurer les flux de GES. Elle permet entre autre de mesurer, de façon continue et moyennée dans l’espace, et avec une perturbation minimale du milieu, les échanges de carbone, d'énergie et d'eau entre l'atmosphère et une surface donnée. Cette technique fournit le bilan net entre le CO2 produit et le CO2 assimilé, soit l'échange net de l'écosystème (ENE) en matière de CO2. Par opposition aux chambres, utiles pour mesurer des émissions de GES en quantités discrètes et à petite échelle, la covariance des turbulences permet de mesurer avec précision les flux de GES au-dessus de surfaces pouvant atteindre plusieurs centaines de mètres carrés. La dimension de cette empreinte de flux (zone contribuant aux flux mesurés) dépend de la hauteur à laquelle les instruments sont placés, de la rugosité et de l’hétérogénéité du terrain et de la stabilité de l’atmosphère. Bien que cette technique comporte certaines limites, telle que l’impossibilité d’effectuer des mesures durant des périodes de non-turbulence (p. ex., la nuit ou dans des conditions atmosphériques stables), la communauté scientifique a mis au point plusieurs façons de composer avec des périodes pour lesquelles les données ne sont pas disponibles. De plus, l’utilisation continuelle et à long terme de la covariance des turbulences permet d'interpréter et de comparer les patrons d'émission de GES sur différentes échelles de temps (d'heure en heure, de façon saisonnière, annuellement, etc.). Combinée avec des mesures auxiliaires des variables météorologiques et écosystémiques (sol, plantes), la covariance des turbulences permet aux scientifiques d’évaluer l’influence que les changements apportés au milieu ont sur les échanges de gaz. Les variables additionnelles mesurées dans le cadre du projet EM-1 comprennent la température de l'air et du sol, l'humidité relative, le rayonnement solaire, le rayonnement photosynthétiquement actif (RPA), la vitesse et la direction du vent, les précipitations et la profondeur de neige, qui sont toutes enregistrées en continu. Il devient donc plus facile d’examiner les principaux facteurs qui influencent les flux de CO2 aux différents endroits observés et, à partir de là, de mieux comprendre la contribution actuelle et future des réservoirs hydroélectriques à l'effet de serre. La covariance des turbulences est un bon complément aux études de modélisation, où des mesures continues des flux sont nécessaires pour mettre au point des algorithmes plus fiables qui permettront, à partir des observations effectuées dans des écosystèmes, de faire des projections quant aux flux de GES à l’échelle de régions entières. Par conséquent, les résultats obtenus dans ce volet du projet seront très utiles pour prévoir les incidences qu’aura, dans un climat changeant, la création de nouveaux réservoirs hydroélectriques sur les budgets de carbone.

 


Figure 2 : La tour de mesures d'Eddy située dans une forêt d'épinettes noires près du réservoir EM-1.

Emplacement et installation des tours
Premier défi que l'équipe scientifique a dû relever pour mesurer les incidences du nouveau réservoir sur les émissions de GES : trouver des emplacements appropriés et représentatifs des milieux pré-inondation (c.-à-d. la forêt) et post-inondation (c.-à-d. le réservoir). La covariance des turbulences nécessite que l’on tienne compte de plusieurs facteurs : la tour doit notamment être installée sur un terrain plat et uniforme, et elle doit être suffisamment haute pour générer une empreinte de flux à la fois raisonnable et représentative de l'écosystème visé, en permettant de capter les vents dominants, voire la plupart des vents.
Une forêt principalement composée d’épinette noire mature, ayant des caractéristiques semblables à celles de la surface pré-inondation, a donc été choisie comme l'un des deux principaux emplacements pour une tour de flux (voir figure 2). L’autre, située sur la rive d'une île qui se trouve sur le réservoir, permet à l'équipe scientifique de mesurer les gaz à l'état de traces émis par le réservoir et de produire un tableau des conditions post-inondation (voir figure 3). Les résultats des mesures effectuées grâce à ces deux tours serviront à comparer les flux de CO2 avant et après la mise en eau.
Les deux principaux systèmes de covariance des turbulences ont été installés et en exploitation vers la fin de l'été 2006. La tour située en forêt mesure 21,3 m de hauteur et celle sur l'île 9,14 m. Un des objectifs du projet est de comparer les diverses techniques qui permettent de mesurer les gaz à l'état de trace issus des réservoirs. Il sera très intéressant de comparer les résultats de la covariance des turbulences avec les mesures des flux de gaz obtenues par les équipes de travail en milieu aquatiques, dont les observations portent sur des émissions à plus petite échelle, dans le temps comme dans l’espace. La prochaine étape consistera à intégrer les résultats au sein d’une modélisation multidisciplinaire.

 


Figure 3 : La tour de mesures d'Eddy située sur une île du réservoir EM-1.

Marie-Claude Bonneville
marie-claude.bonneville@mcgill.ca
et
Ian Strachan
ian.strachan@mcgill.ca

Télécharger la fiche pédagogique (PDF - 0.3 MB) 

Retour à l'index