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5.7 : Gaz à effet de serre et courbe de Keeling - Géosciences


L'effet de serre

L'une des idées fausses les plus courantes sur le climat mondial est que l'effet de serre n'est qu'une hypothèse dont le rôle dans le changement climatique récent est discutable. Le rayonnement solaire est transmis à la Terre à travers notre atmosphère. Cela réchauffe la surface de la planète et c'est un effet extrêmement important car sans cela, la planète serait bien trop froide pour que nous puissions y vivre. Nous avons également synthétisé des gaz à effet de serre qui ne se produisent pas naturellement et les avons également ajoutés à l'atmosphère.

Crédit: Groupe de travail I du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat.

Même si le cycle naturel du carbone de la Terre déplace naturellement une quantité gigantesque de carbone entre la terre, la mer et l'atmosphère, l'équilibre est assez délicat et la quantité que les humains ont ajoutée à l'atmosphère depuis la révolution industrielle persiste dans l'atmosphère depuis plus de 100 ans. Cela signifie que les effets du changement climatique que nous ressentons aujourd'hui ont été produits par des activités du passé. Le fait que les gaz à effet de serre continuent d'être émis par l'activité humaine signifie maintenant que nous nous sommes déjà engagés pour un avenir plus chaud.

Gaz carbonique

La "courbe de Keeling" pourrait être le tracé le plus célèbre des données climatiques mondiales. Charles Keeling a commencé à mesurer la concentration atmosphérique de dioxyde de carbone au Mauna Loa en 1958. Aujourd'hui, quatre échantillons d'air par heure sont prélevés dans les tours d'observation du Mauna Loa et les concentrations de plusieurs gaz sont mesurées. La NOAA garde une trace des observations de plus de 50 stations à travers le monde. La concentration moyenne de CO2 dans l'atmosphère n'a cessé d'augmenter depuis le début de la surveillance.

Cliquez pour une description textuelle de la Figure 5.8.

Concentration de dioxyde de carbone dans l'atmosphère mesurée à l'observatoire du Mauna Loa de 1974 à 2008. Les données en bleu ont fait l'objet d'un contrôle de qualité et les données en gris sont préliminaires. Les lignes ondulées montrent les variations saisonnières du dioxyde de carbone et la ligne droite est une moyenne mobile qui supprime efficacement les variations saisonnières.

Crédit: Laboratoire de recherche sur le système terrestre de la NOAA

Jetons un coup d'œil à ce graphique ensemble (oups! notez que dans mon explication, je dis à tort que l'axe des y est la concentration de dioxyde de carbone en millimoles par mole d'air alors qu'en fait c'est en micromoles par mole.):

De plus, regardez cette animation vraiment cool qui montre comment les concentrations de dioxyde de carbone ont augmenté dans l'atmosphère à l'échelle mondiale au cours des dernières décennies. Dans la vidéo, l'axe des x est la latitude et l'axe des y est le CO2 concentration. Les différents symboles différents représentent différents types de stations d'enregistrement (tour, avion, etc.) et la ligne est une valeur moyenne.


Unité 5 : CO moderne2 Accumulation

Ces matériaux ont été examinés pour leur alignement avec les normes scientifiques de la prochaine génération, comme détaillé ci-dessous.

Aperçu

Pratiques scientifiques et techniques

Analyse et interprétation des données : Construire, analyser et/ou interpréter des affichages graphiques de données et/ou de grands ensembles de données pour identifier les relations linéaires et non linéaires. MS-P4.1 :

Construire des explications et concevoir des solutions : Faire une affirmation quantitative et/ou qualitative concernant la relation entre les variables dépendantes et indépendantes. HS-P6.1 :

Analyse et interprétation des données : évaluez l'impact de nouvelles données sur une explication fonctionnelle et/ou un modèle d'un processus ou d'un système proposé. HS-P4.5 :

Analyse et interprétation des données : comparez et opposez différents types d'ensembles de données (par exemple, autogénérés, archivés) pour examiner la cohérence des mesures et des observations. HS-P4.4 :

Concepts transversaux

Échelle, proportion et quantité : L'importance d'un phénomène dépend de l'échelle, de la proportion et de la quantité auxquelles il se produit. SH-C3.1 :

Échelle, proportion et quantité : Les modèles observables à une échelle peuvent ne pas être observables ou exister à d'autres échelles. SH-C3.3 :

Modèles : Des preuves empiriques sont nécessaires pour identifier les modèles. HS-C1.5 :

Modèles : des modèles différents peuvent être observés à chacune des échelles auxquelles un système est étudié et peuvent fournir des preuves de causalité dans les explications des phénomènes HS-C1.1 :

Cause et effet : des preuves empiriques sont nécessaires pour faire la différence entre la cause et la corrélation et faire des allégations sur des causes et des effets spécifiques. SH-C2.1 :

Idées de base disciplinaires

Changement climatique mondial : les activités humaines, telles que la libération de gaz à effet de serre provenant de la combustion de combustibles fossiles, sont des facteurs majeurs de l'augmentation actuelle de la température moyenne à la surface de la Terre (réchauffement climatique). La réduction du niveau de changement climatique et la réduction de la vulnérabilité humaine aux changements climatiques dépendent de la compréhension de la science du climat, des capacités d'ingénierie et d'autres types de connaissances, telles que la compréhension du comportement humain et l'application judicieuse de ces connaissances dans les décisions et les activités. MS-ESS3.D1 :

Météo et climat : Les changements atmosphériques graduels étaient dus aux plantes et autres organismes qui capturaient le dioxyde de carbone et libéraient de l'oxygène. HS-ESS2.D2 :

Météo et climat : Les changements dans l'atmosphère dus à l'activité humaine ont augmenté les concentrations de dioxyde de carbone et affectent donc le climat. HS-ESS2.D3 :

Matériaux et systèmes de la Terre : Les archives géologiques montrent que les changements du climat mondial et régional peuvent être causés par des interactions entre les changements dans la production d'énergie du soleil ou l'orbite de la Terre, les événements tectoniques, la circulation océanique, l'activité volcanique, les glaciers, la végétation et les activités humaines. Ces changements peuvent se produire à diverses échelles de temps, des cycles tectoniques soudains (par exemple, les nuages ​​de cendres volcaniques) aux cycles tectoniques intermédiaires (âges glaciaires) et à très long terme. HS-ESS2.A3 :

Attentes de rendement

Systèmes terrestres : analysez les données géoscientifiques pour affirmer qu'un changement à la surface de la Terre peut créer des rétroactions qui entraînent des changements dans d'autres systèmes terrestres. HS-ESS2-2 :

  • développement en équipe pour s'assurer que le matériel est approprié dans plusieurs contextes éducatifs.
  • plusieurs revues itératives et cycles de rétroaction tout au long du développement du matériel avec la contribution à l'équipe de rédaction des éditeurs de projet et d'une équipe d'évaluation externe.
  • test réel en classe des matériaux dans au moins 3 institutions avec examen externe des données d'évaluation des étudiants.
  • plusieurs révisions pour s'assurer que les matériaux répondent à la rubrique des matériaux InTeGrate qui codifie les meilleures pratiques en matière d'élaboration de programmes, d'évaluation des élèves et de techniques pédagogiques.
  • examen par des experts externes pour l'exactitude du contenu scientifique.

Cette activité a été sélectionnée pour la collection On the Cutting Edge Reviewed Teaching Collection

Cette activité a reçu des évaluations positives dans le cadre d'un processus d'évaluation par les pairs impliquant cinq catégories d'évaluation. Les cinq catégories incluses dans le processus sont

  • Précision scientifique
  • Alignement des objectifs d'apprentissage, des activités et des évaluations
  • Efficacité pédagogique
  • Robustesse (utilisabilité et fiabilité de tous les composants)
  • Complétude de la page Web ActivitySheet

Pour plus d'informations sur le processus d'examen par les pairs lui-même, veuillez consulter https://serc.carleton.edu/tachearth/activity_review.html.

Cette page a été rendue publique pour la première fois : 15 juil. 2016

Résumé

Les élèves examineront les données qui enregistrent l'augmentation moderne des concentrations de dioxyde de carbone et l'augmentation associée des températures moyennes, et ils étudieront les effets du dioxyde de carbone sur divers composants du système terrestre (atmosphère, cryosphère, hydrosphère - océans). Les élèves apprennent également comment la combustion de combustibles fossiles contribue à l'augmentation du dioxyde de carbone atmosphérique.


Déjà, la Terre s'est avérée assez sensible

Depuis le début de la révolution industrielle, la température moyenne de la Terre a augmenté de 1,8 degrés Fahrenheit, ou 1 degré Celsius.

Des conséquences majeures ont déjà été régulièrement observées dans le cycle de l'eau de la Terre, ce qui augmente les risques d'extrêmes dans les déluges et la sécheresse. Les résultats les plus faciles à prévoir, les vagues de chaleur record et les incendies de forêt historiques, se manifestent à l'échelle mondiale, ainsi que des changements atmosphériques plus complexes.

"Il [le réchauffement climatique] élève le niveau de la mer et aggrave les ondes de tempête, il rend l'atmosphère plus humide, entraînant des inondations dues à des précipitations extrêmes, et le réchauffement des températures océaniques fournit de l'énergie supplémentaire aux tempêtes tropicales", climatologue Stefan Rahmstorf, responsable de l'analyse du système terrestre. à l'Institut de Potsdam pour la recherche sur l'impact climatique, a déclaré en septembre.

"La glace polaire fond, dans l'océan, le système Gulf Stream s'affaiblit et dans l'atmosphère, le courant-jet devient étrange", a ajouté Rahmstorf.

Contrairement aux époques géologiques précédentes, la circonstance déterminante aujourd'hui n'est pas seulement une teneur élevée en carbone dans l'air - c'est la vitesse à laquelle tout s'accumule.

Le monde naturel charge et élimine le carbone de l'atmosphère sur de longues périodes allant de milliers à des dizaines de milliers d'années.

Par exemple, une période chaude appelée l'Eémien, qui s'est terminée il y a environ 120 000 ans, a lentement fait fondre une partie importante des calottes glaciaires du Groenland, même avec des concentrations de carbone profondément inférieures d'environ 280 ppm.

Mais ces jours-ci, le climat n'a pas encore rattrapé son retard.

"Nous nous réchauffons si vite que nous n'avons même pas commencé à laisser le Groenland fondre", a noté Prather de l'UC Irvine.

La destination finale de la civilisation, en termes de carbone, dépend de la rapidité avec laquelle les sociétés mondiales passent à l'énergie propre et produisent de l'électricité sans dépendre profondément des combustibles fossiles.

"Je dirais que ce qui est vraiment pertinent, c'est où nous nous stabilisons", a déclaré Lachniet. "Au cours des cent prochaines années, nous avons vraiment défini les 10 000 prochaines années d'histoire du climat."


Moment du changement climatique brutal à la fin de l'intervalle du Dryas récent à partir de gaz thermiquement fractionnés dans la glace polaire

Un changement rapide de température fractionne les isotopes de gaz dans la neige non consolidée, produisant un signal qui est conservé dans les bulles d'air emprisonnées lorsque la neige forme de la glace. Le fractionnement des isotopes de l'azote et de l'argon à la fin de l'intervalle froid du Dryas récent, enregistré dans la glace du Groenland, démontre que le réchauffement à cette époque était brutal. Ce réchauffement coïncide avec le début d'une augmentation importante de la concentration de méthane dans l'atmosphère, indiquant que le changement climatique était synchrone (en quelques décennies) sur une région d'étendue au moins hémisphérique, et fournissant des contraintes sur les mécanismes de changement climatique précédemment proposés à cette époque. . La profondeur du signal isotopique de l'azote par rapport à la profondeur du changement climatique enregistrée dans la matrice de glace indique que, durant le Dryas récent, le sommet du Groenland était de 15 ± 3 °C plus froid qu'aujourd'hui.


Les niveaux mondiaux de dioxyde de carbone près d'un jalon inquiétant

Les concentrations de gaz à effet de serre dépasseront bientôt les 400 parties par million au point sentinelle.

Près du sommet du paysage lunaire du volcan Mauna Loa à Hawaï, un analyseur infrarouge entrera bientôt dans l'histoire. Au cours du mois prochain, il devrait enregistrer une concentration quotidienne de dioxyde de carbone dans l'atmosphère de plus de 400 parties par million (ppm), une valeur qui n'a pas été atteinte à ce point de surveillance clé depuis quelques millions d'années.

Il n'y aura pas de ballons ni de bruiteurs pour célébrer l'événement. Les chercheurs qui surveillent les gaz à effet de serre le considéreront plutôt comme un marqueur inquiétant du pouvoir de l'humanité à modifier la chimie de l'atmosphère et par extension, le climat de la planète. À 400 ppm, les nations auront du mal à contrôler le réchauffement climatique, explique Corinne Le Quéré, chercheuse en climatologie à l'Université d'East Anglia à Norwich, au Royaume-Uni, qui dit que l'impact "se rapproche très dangereusement de la 2 Cible de °C que les gouvernements du monde entier se sont engagés à ne pas dépasser ».

Il faudra un certain temps, peut-être quelques années, avant que le CO mondial2 la concentration moyenne sur une année entière dépasse les 400 heures. Mais dépasser cette valeur à Mauna Loa est important car les chercheurs y surveillent le gaz depuis 1958, plus longtemps que tout autre endroit. "C'est le moment de faire le point sur où nous en sommes et où nous allons", déclare Ralph Keeling, géochimiste à la Scripps Institution of Oceanography à La Jolla, en Californie, qui supervise le CO de ce centre.2 les efforts de surveillance sur le Mauna Loa. Ce record de gaz, connu sous le nom de courbe de Keeling, a été lancé par son père, Charles Keeling.

Lorsque la surveillance a commencé, le CO2 le niveau s'élevait à 316 heures, pas beaucoup plus haut que les 280 heures. qui caractérisaient les conditions d'avant la révolution industrielle. Mais depuis le début des mesures hawaïennes, les valeurs ont suivi une pente ascendante qui ne montre aucun signe de stabilisation (voir « En hausse »). Les émissions d'autres gaz à effet de serre augmentent également, poussant la concentration équivalente totale de CO2 dans l'atmosphère vers 478 heures du soir. en avril, selon Ronald Prinn, spécialiste de l'atmosphère au Massachusetts Institute of Technology de Cambridge.

Les données compilées par Le Quéré et d'autres membres du Global Carbon Project suggèrent que les humains ont contribué environ 10,4 milliards de tonnes de carbone dans l'atmosphère en 2011. Environ la moitié de cette quantité est absorbée chaque année par les «puits» de carbone tels que l'océan et la végétation sur terre le reste reste dans l'atmosphère et augmente la concentration globale de CO2.

« La vraie question est maintenant : comment les éviers se comporteront-ils à l'avenir ? » explique Gregg Marland, un scientifique de l'environnement à l'Appalachian State University à Boone, en Caroline du Nord, qui aide à compiler les données sur les émissions.

Les puits ont considérablement augmenté depuis que Keeling a commencé ses mesures, lorsque les émissions de carbone totalisaient environ 2,5 milliards de tonnes par an. Mais les modèles climatiques suggèrent que la terre et l'océan ne suivront pas le rythme longtemps.

« À un moment donné, la planète ne peut plus nous rendre service, en particulier la biosphère terrestre », déclare Jim White, biogéochimiste à l'Université du Colorado à Boulder. Au fur et à mesure que les puits ralentissent et que plus de CO émis2 reste dans l'atmosphère, les niveaux augmenteront encore plus vite.

Certains chercheurs ont suggéré que les puits ont déjà commencé à se boucher, réduisant leur capacité à absorber plus de CO2 (J.G. Canadell et al. Proc. Natl Acad. Sci. Etats-Unis 104, 18866-18870 2007). D'autres ne sont pas d'accord.

Ashley Ballantyne, biogéochimiste à l'Université du Montana à Missoula, a travaillé avec White et d'autres pour examiner les enregistrements d'émissions ainsi que de CO2 mesures effectuées dans le monde entier. Ils n'ont trouvé aucun signe de ralentissement des éviers (A. P. Ballantyne et al. La nature 488, 70-72 2012). Mais il est difficile d'en être sûr, explique Inez Fung, modélisatrice climatique à l'Université de Californie à Berkeley. « Nous n’avons pas de réseaux d’observation adéquats. » Le plus grand réseau mondial, exploité par la National Oceanic and Atmospheric Administration des États-Unis, a dû supprimer 12 stations en 2012 en raison de compressions budgétaires.

Certaines des zones les plus cruciales, comme les tropiques, sont également les moins surveillées, même si les chercheurs cherchent à combler les lacunes. Des scientifiques allemands et brésiliens construisent une tour de 300 mètres pour surveiller l'Amazonie (voir Nature 467, 386-387 2010). Et le système européen d'observation intégrée du carbone met en place des stations sur tout le continent et sur certains sites marins pour mesurer le CO2 et d'autres gaz à effet de serre.

Les satellites pourraient également surveiller les sources et les puits de carbone. Deux orbiteurs fournissent déjà des données et la NASA prévoit de lancer le très attendu Orbiting Carbon Observatory-2 l'année prochaine (voir page 5). Une version antérieure de ce satellite a échoué lors de son lancement en 2009.

Même si de nouvelles ressources sont mises en ligne, les chercheurs ont du mal à maintenir la station Mauna Loa en marche. "Le montant d'argent que je suis en mesure d'obtenir pour le programme a diminué au fil du temps", explique Keeling, dont le groupe surveille le CO.2 concentration sur 13 sites dans le monde.

"C'est un peu idiot que nous ayons choisi de faire comme une autruche", dit White à propos des difficultés de financement. « Nous ne voulons pas savoir combien de CO2 est dans l'atmosphère, alors que nous devrions surveiller encore plus.


Abstrait

Le pergélisol et les hydrates de méthane sont de vastes réservoirs de vieux carbone sensibles au climat qui ont le potentiel d'émettre de grandes quantités de méthane, un puissant gaz à effet de serre, alors que la Terre continue de se réchauffer. Nous présentons les mesures isotopiques des carottes de glace du méthane (Δ 14 C, δ 13 C et δD) de la dernière déglaciation, ce qui est un analogue partiel du réchauffement moderne. Nos résultats montrent que les émissions de méthane des anciens réservoirs de carbone en réponse au réchauffement déglaciaire étaient faibles (<19 téragrammes de méthane par an, intervalle de confiance à 95%) et plaident contre des émissions de méthane similaires en réponse au réchauffement futur. Nos résultats indiquent également que les émissions de méthane provenant de la combustion de biomasse pendant l'Holocène préindustriel étaient de 22 à 56 téragrammes de méthane par an (intervalle de confiance à 95 %), ce qui est comparable à aujourd'hui.

Méthane (CH4) est un contributeur important à l'effet de serre, avec un potentiel de réchauffement global

28 fois plus élevé que celui du dioxyde de carbone (CO2) sur une échelle de temps de 100 ans (1). CH naturel4 les émissions représentent actuellement

40 % des émissions totales (2) et il existe des incertitudes considérables quant à leur réaction au réchauffement futur (3). Bien que les zones humides soient la principale source naturelle de CH4, augmentation des émissions des grands réservoirs de carbone anciens sensibles au climat tels que le pergélisol (4) et s'hydrate sous les calottes glaciaires (5) pourrait devenir important au cours du siècle à venir. Les hydrates marins peuvent également avoir le potentiel d'émettre une quantité substantielle de CH4 dans l'atmosphère en réponse au réchauffement (6), mais l'échelle de temps de dissociation des hydrates marins est relativement longue (de l'ordre de centaines à des milliers d'années). De plus, il existe un consensus croissant selon lequel CH4 la libération dans l'atmosphère de la dissociation des hydrates marins sera tamponnée par un CH efficace4 oxydation dans les sédiments et la colonne d'eau (3, 7).

La dernière déglaciation [18 à 8 kilo-an avant présent (ka BP)] permet d'évaluer la sensibilité à long terme de ces anciens réservoirs de carbone (hydrates marins, pergélisol et hydrates sous calotte glaciaire) à un climat changeant. Il existe de nombreuses preuves de la déstabilisation des hydrates marins (8, 9), dégradation du pergélisol (10) et la formation du lac thermokarstique (lac de dégel du pergélisol) (11) lors de la dernière déglaciation. Cependant, CH4 les émissions de ces anciens réservoirs de carbone dans l'atmosphère ne sont pas bien limitées. Le CH paléoatmosphérique4 fraction molaire et sa composition isotopique de l'air piégé dans les carottes de glace fournissent une perspective historique sur la façon dont le CH naturel4 les sources réagissent au changement climatique (p. 12, 13). Mesures du carbone-14 ( 14 C) du CH4 ( 14 CH4) à partir de carottes de glace fournissent spécifiquement une contrainte descendante sans ambiguïté sur le CH sans 14 C intégré à l'échelle mondiale4 émissions de tous les anciens réservoirs de carbone.

Le 14 C se désintègre radioactivement et est donc fortement appauvri dans les réservoirs de carbone qui ont été isolés de l'atmosphère pendant des périodes plus longues que sa demi-vie de

5730 ans. Du fait de la faible abondance du 14 C (de l'ordre de 10 -12 par rapport au 12 C), les mesures du 14 CH4 dans les carottes de glace sont difficiles, nécessitant

1000 kg de glace par échantillon. Nous avons collecté des carottes de glace sur un site d'ablation de glace bien daté sur le glacier Taylor, en Antarctique (14), qui permet un accès facile à de grands volumes de vieille glace à de faibles profondeurs. Petrenko et al. (15) ont récemment présenté des mesures de 14 CH paléoatmosphérique4 du glacier Taylor pour la transition Dryas–Préboréal (YD-PB) plus jeune (11,7 à 11,3 ka BP) et a conclu que le CH sans 14 C4 les émissions étaient faibles [<7,7 % du CH total4 émissions, intervalle de confiance (IC) à 95 %]. Cependant, leurs résultats ne couvraient qu'un bref intervalle de temps au sein de la transition déglaciaire. Dans cette étude, nous présentons 11 mesures supplémentaires de 14 CH paléoatmosphérique4 (Fig. 1A) combinée à des mesures d'isotopes stables (δ 13 CH4 et D-CH4) (Fig. 1, C et D) dans l'intervalle de temps de 15 à 8 ka BP, fournissant une image plus complète du CH déglaciaire4 budget.

(UNE) ∆ 14 CH4 du glacier Taylor (diamants bleus de cette étude), ∆ 14 C de CO contemporain2 de IntCal13 [ligne verte (19)], données brutes IntCal13 [croix grises (19)], et avant ∆ 14 CH4 résultats [losanges bleu clair (15)]. Deux ∆ 14 CH4 des échantillons de la saison de terrain 2014-2015 (à 17,8 et 12,8 ka BP) ont été rejetés en raison de l'ajout présumé de 14 C étranger [voir la section 3 des matériaux et méthodes (20)]. (B) CH4 fraction molaire à partir des mesures discrètes WAIS Diviser les carottes de glace [points rouges (39)], Taylor Glacier (diamants bleus cette étude) et une étude antérieure de Taylor Glacier [diamants bleu clair (15)]. (C) δ 13 CH4 de TALDICE (carrés rouges), EDML [carrés jaunes (13)], et Taylor Glacier (les carrés bleus de cette étude). () D-CH4 de EDML [triangles verts (13)] et Taylor Glacier (triangles bleus de cette étude). (E) Empilement de température composite NH (ligne rouge) et son IC à 95 % (zone ombrée en orange) (16). (F) Le RSL global déduit des données sur les coraux (32). Toutes les données de carottes de glace sont tracées par rapport à l'échelle d'âge WD2014 (40) Les empilements de température IntCal13, RSL et NH sont tracés sur leurs échelles d'âge respectives. Toutes les barres d'erreur représentent l'IC à 95 %.

La plus ancienne transition Dryas-Bølling (OD-B) (14,6 à 14,45 ka BP) représente le premier CH important et abrupt4 élévation au cours de la dernière séquence d'événements déglaciaires (Fig. 1B) au moment où le niveau de la mer était

100 m plus bas qu'aujourd'hui. Ce brusque CH4 l'augmentation était synchrone avec l'accélération du réchauffement de l'hémisphère nord (NH) (16) (Fig. 1E), le recul de la calotte glaciaire et l'élévation rapide du niveau de la mer (17). Cette transition climatique peut également avoir coïncidé avec le premier cas de déstabilisation des hydrates marins au cours de la dernière déglaciation causée par le soulagement de la pression hydrostatique du retrait de la calotte glaciaire NH et l'incursion d'eaux océaniques intermédiaires chaudes dans des sédiments arctiques peu profonds contenant des hydrates (8). Lors de la déstabilisation des réservoirs marins d'hydrates, des événements brusques tels que des glissements de terrain sous-marins (18) ou l'effondrement des pingos d'hydrates marins (8) pourrait entraîner un CH important et rapide4 expulsions qui peuvent avoir contribué au CH atmosphérique rapide4 augmenter (9) s'ils étaient capables de contourner l'oxydation dans la colonne d'eau.

Contrairement aux anciens réservoirs de carbone, le CH contemporain4 des sources telles que les zones humides et la combustion de biomasse émettent du CH4 avec une signature 14 C qui reflète le Δ 14 CO contemporain2 à l'époque (15). Notre 14 CH4 les mesures pour la transition OD-B sont toutes dans une incertitude de 1σ de l'atmosphère contemporaine Δ 14 CO2 (19) (Fig. 1A), indiquant un rôle dominant du CH contemporain4 sources. Nous avons utilisé un modèle à une boîte (voir section 4.2 des matériels et méthodes) (20) pour calculer la quantité de 14 C sans CH4 émission dans l'atmosphère (tableau 1, fig. S9 et tableau S10) (20). Notre modèle de boîte montre que le total de 14 CH sans C4 les émissions pendant la transition OD-B étaient faibles [en moyenne, <13 téragrammes (Tg) de CH4 par an, limite supérieure IC à 95 %]. Combiné avec l'ancien Δ 14 CH4 données de la transition YD-PB (15), nos résultats militent fortement contre l'hypothèse selon laquelle les anciens réservoirs de carbone sont des contributeurs importants au CH rapide4 augmentations associées aux événements de réchauffement brutal (événements Dansgaard-Oeschger) (9). Cette conclusion est cohérente avec les études précédentes (13) ne montrant pas d'enrichissement majeur dans le CH4 rapport deutérium/hydrogène (δD-CH4) en même temps que le CH brusque4 transitions (CH4 des hydrates marins est relativement enrichi en δD). Il a été démontré que même à une profondeur d'eau relativement faible de

90 % du CH sans 14 C4 libéré du dégel du pergélisol sous-marin a été oxydé dans la colonne d'eau (21). Nous émettons l'hypothèse que pendant la transition OD-B, une élévation du niveau de la mer relativement rapide associée à l'impulsion d'eau de fonte 1-A (17), combiné avec CH4 oxydation dans la colonne d'eau (22), peut avoir empêché CH4 les émissions provenant de la désintégration des hydrates marins et du pergélisol sous-marin n'atteignent l'atmosphère.

Les âges des échantillons ont été déterminés par l'appariement des valeurs de gaz globalement bien mélangés (CH4 et δ 18 O d'oxygène atmosphérique) à la chronologie WD2014 [voir section 1 des matériaux et méthodes (20)]. Les âges des échantillons donnés dans ce tableau représentent le « meilleur » âge (probabilité maximale) sur la distribution de probabilité (fig. S3) (20) par rapport à la chronologie WD2014 (40).

Nos mensurations de 14 CH4 pendant l'interstade Bølling–Allerød (14,45 à 13 ka BP) et la période chaude de l'Holocène inférieur (10 à 8 ka BP) (Fig. 1A) offrent une opportunité d'évaluer la probabilité d'un CH retardé4 émissions des anciens réservoirs de carbone en réponse au réchauffement. Le début de la dissociation des hydrates marins pourrait retarder le signal de réchauffement initial sur une décennie (23), centenaire, voire millénaire (18) échelles de temps. La dégradation du pergélisol pourrait également retarder un signal de réchauffement sur des échelles de temps décennales et centenaires (24) en fonction des conditions environnementales locales telles que la profondeur du pergélisol, les types de sol et la teneur en humidité (4). Pendant certaines parties du début de l'Holocène, les températures arctiques étaient probablement plus chaudes qu'aujourd'hui (25), fournissant un bon analogue pour les conditions arctiques dans les décennies à venir. Reconstructions proxy de l'initiation du lac thermokarstique (11) et la dégradation du pergélisol (10, 24) a suggéré une augmentation potentielle de CH4 les émissions de ces processus pendant la période interstade Bølling–Allerød et au début de la période chaude de l'Holocène. Cependant, notre Δ 14 CH4 les mesures (Fig. 1A et Tableau 1) ne montrent aucun signe de retard de CH sans 14C4 émissions après réchauffement. Ces résultats sont cohérents avec les observations actuelles selon lesquelles le carbone des lacs thermokarstiques et du pergélisol est principalement émis sous forme de CO2 plutôt que CH4 (4, 26), et que CH4 les émissions des systèmes de pergélisol sont dominées par le carbone relativement contemporain (26, 27).

Parce que le carbone stocké dans le pergélisol ne devrait pas être exempt de 14 C (28), nous avons également tenté d'utiliser notre 14 CH4 résultats pour calculer l'amplitude possible de CH4 émissions provenant de la fonte du vieux carbone dans le pergélisol (section 4.3) (20). Ce calcul suppose que l'activité 14 C du pergélisol CH4 les émissions suivent l'âge de prédépôt des biomarqueurs terrigènes libérés par le dégel du pergélisol (7500 ± 2500 ans par rapport à l'âge de notre échantillon) (10). CH résultant4 les émissions de carbone du vieux pergélisol vont de 0 à 53 Tg CH4 par an (tableau S10) (20) tout au long de la dernière déglaciation et peut avoir contribué jusqu'à 27% du total CH4 émissions dans l'atmosphère (limite supérieure d'IC ​​à 95 %) à la fin de la transition OD-B (14,42 ka BP). Cependant, nous considérons ce calcul comme spéculatif (voir section 4.3 des matériaux et méthodes) (20).

Lorsque le niveau mondial de la mer était plus bas, l'exposition des plateaux continentaux peut avoir entraîné une augmentation du CH4 émissions des suintements géologiques naturels (29). Une étude récente a également déduit l'existence de CH4 dépôts d'hydrates sous les calottes glaciaires et a suggéré que la décharge d'eau de fonte proglaciaire est probablement une source importante de CH4 à l'atmosphère (5). Le retrait de la calotte glaciaire au cours de la dernière déglaciation peut avoir déstabilisé les dépôts d'hydrates sous-glaciaires, qui contiennent de l'ancien CH appauvri en 14 C4. Cependant, nos données, qui couvrent la majeure partie du recul de la glace déglaciaire et de l'élévation du niveau de la mer (Fig. 1F), militent fortement contre les deux hypothèses. Le CH sans 14C4 les émissions étaient faibles tout au long de la dernière déglaciation (tableau 1) et semblent être insensibles au niveau global de la mer et au volume de glace.

La combustion de la biomasse est une composante importante du cycle mondial du carbone et est étroitement liée aux émissions de monoxyde de carbone (CO), d'oxydes d'azote (NOX), les hydrocarbures non méthaniques et les aérosols qui ont des effets substantiels sur la chimie atmosphérique et les flux d'énergie radiative. Comparé à d'autres indicateurs de la combustion passée de la biomasse, CH4 présente un avantage car il s'agit d'un gaz bien mélangé dans l'atmosphère et peut représenter les émissions mondialement intégrées de la combustion de la biomasse. Bock et al. (13) a fourni la plus récente étude basée sur les isotopes stables (δ 13 C et δD) du CH glaciaire-interglaciaire4 budget, mais ils n'ont pas été en mesure de séparer les contributions relatives de CH4 sources enrichies en isotopes plus lourds (combustion de biomasse et émissions géologiques naturelles). Avec des estimations améliorées des émissions géologiques naturelles, nos résultats permettent de meilleures contraintes sur le CH global4 budget. Nous avons utilisé les données d'isotopes stables (Fig. 1, C et D) dans un modèle à une boîte (voir la section 5 des matériaux et méthodes) (20) pour calculer CH4 émissions provenant de la combustion de la biomasse (CH4 bb) et des sources microbiennes (CH4 micros, composé des émissions des zones humides, des ruminants et des termites) pour l'Holocène inférieur (tableau 1 et fig. S11) (20). Nous avons étendu notre calcul à la fin de l'Holocène (

2 ka BP) (Tableau 1) pour comparer directement notre CH4 estimations de la force de la source avec celles d'études antérieures (30, 31). Cette hypothèse peut être justifiée car un changement important dans les émissions géologiques naturelles entre le début de l'Holocène et 2 ka BP semble peu probable car le niveau global de la mer et le volume de glace n'ont pas changé de manière appréciable après 8 ka BP (32). Cependant, nous n'avons pas effectué ce calcul pour les échantillons pré-Holocène car les estimations du CH4 différence interpolaire, moyenne mondiale atmosphérique CH4 les valeurs isotopiques stables et les signatures isotopiques stables des sources sont plus incertaines (section 5) (20).

Nous avons calculé un CH relativement élevé4 bb émissions au début de l'Holocène (33 à 56 Tg CH4 par an, IC 95%) à 10 ka BP et une légère diminution de CH4 bb émissions (22 à 42 Tg CH4 par an, IC à 95 %) vers la fin de l'Holocène (tableau 1). Cependant, l'ampleur de la diminution des émissions dues à la combustion de la biomasse (

7 Tg CH4 par an) est faible par rapport aux incertitudes pour le CH4 bb et CH4 micros émissions (±11 et ±18 Tg CH4 par an, respectivement, incertitudes IC à 95%). Notre estimation de 22 à 42 Tg CH4 par an (IC 95%) CH4 bb émissions pour la fin de la période Holocène (

2 ka BP) se situe dans la fourchette supérieure des estimations des études antérieures sur les carottes de glace (13, 30, 31). Compte tenu de l'importante révision à la baisse des émissions géologiques naturelles déduites de nos données sur le 14 C, une révision à la hausse du CH pyrogène4 les émissions devraient équilibrer le CH4 budget isotopique stable. L'augmentation du CH4 bb attendu d'une réduction des émissions géologiques naturelles est en partie compensé par une révision de –0,5 à –1‰ du δ 13 CH atmosphérique4 valeurs (12, 30, 31) car le 13 CH4 valeurs d'études antérieures (30, 31) étaient probablement biaisées en raison de l'interférence du krypton (Kr) (33). Notre CH4 bb les estimations sont également réduites car, contrairement aux études précédentes, nous avons pris en compte les décalages temporels dans les signatures isotopiques de CH4 bb et CH4 micros entre l'Holocène pré-industriel et la période moderne attendue des changements anthropiques du δ 13 CO2 matériau précurseur et utilisation du sol (voir la section 5.2 des matériaux et méthodes) (20). Notre meilleur CH4 bb estimations pour la fin de l'Holocène (22 à 42 Tg CH4 per year, 95% CI) are comparable to the present-day estimates of combined pyrogenic CH4 emissions from anthropogenic biomass burning and wildfires (2). This result is supported by some (34, 35), but not all (36), independent paleoproxies of biomass burning.

The last deglaciation serves only as a partial analog to current anthropogenic warming, with the most important differences being the much colder baseline temperature, lower sea level, and the presence of large ice sheets covering a large part of what are currently permafrost regions in the NH. Although Arctic temperatures during the peak early Holocene warmth were likely warmer than today (25), they were still lower than the Arctic temperature projections by the end of this century under most warming scenarios (37). However, there are also many similarities between the last deglaciation and current anthropogenic warming. Both deglacial and modern warming include strong Arctic amplification, and the magnitude of global warming (

4°C) (16) during the last deglaciation was comparable to the expected magnitude of equilibrium global temperature change under midrange anthropogenic emission scenarios (37). Because the relatively large global warming of the last deglaciation (which included periods of large and rapid regional warming in the high latitudes) did not trigger CH4 emissions from old carbon reservoirs, such CH4 emissions in response to anthropogenic warming also appear to be unlikely. Our results instead support the hypothesis that natural CH4 emissions involving contemporaneous carbon from wetlands are likely to increase as warming continues (38). We also estimated relatively high CH4 bb emissions for the pre-Industrial Holocene that were comparable to present-day combined pyrogenic CH4 emissions from natural and anthropogenic sources. This result suggests either an underestimation of present-day CH4 bb or a two-way anthropogenic influence on fire activity during the Industrial Revolution: reduction in wildfires from active fire suppression and landscape fragmentation balanced by increased fire emissions from land-use change (deforestation) and traditional biofuel use (burning of plant materials for cooking and heating).


Abstrait

A newly developed isotope ratio laser spectrometer for CO2 analyses has been tested during a tracer experiment at the Ketzin pilot site (northern Germany) for CO2 stockage. For the experiment, 500 tons of CO2 from a natural CO2 reservoir was injected in supercritical state into the reservoir. The carbon stable isotope value (δ 13 C) of injected CO2 was significantly different from background values. In order to observe the breakthrough of the isotope tracer continuously, the new instruments were connected to a stainless steel riser tube that was installed in an observation well. The laser instrument is based on tunable laser direct absorption in the mid-infrared. The instrument recorded a continuous 10 day carbon stable isotope data set with 30 min resolution directly on-site in a field-based laboratory container during a tracer experiment. To test the instruments performance and accuracy the monitoring campaign was accompanied by daily CO2 sampling for laboratory analyses with isotope ratio mass spectrometry (IRMS). The carbon stable isotope ratios measured by conventional IRMS technique and by the new mid-infrared laser spectrometer agree remarkably well within analytical precision. This proves the capability of the new mid-infrared direct absorption technique to measure high precision and accurate real-time stable isotope data directly in the field. The laser spectroscopy data revealed for the first time a prior to this experiment unknown, intensive dynamic with fast changing δ 13 C values. The arrival pattern of the tracer suggest that the observed fluctuations were probably caused by migration along separate and distinct preferential flow paths between injection well and observation well. The short-term variances as observed in this study might have been missed during previous works that applied laboratory-based IRMS analysis. The new technique could contribute to a better tracing of the migration of the underground CO2 plume and help to ensure the long-term integrity of the reservoir.


Introduction

Forests, Carbon, and the Additional Benefits of Woodlands

Global forests store about a trillion tons of carbon [1]. Forests—whether temperate or tropical, and with closed or open canopy—are the largest terrestrial sink of carbon, comprising about 25% of the planetary carbon budget [2]. This is roughly equivalent to the carbon sequestered, or kept out of the atmosphere, by the oceans [3]. The 2015 Paris Climate Agreement among 196 countries calls for achieving a balance between the anthropogenic emissions by sources and removal by sinks in the second half of this century. Most temperate zone and developed world strategies focus on cutting carbon emissions through changes in technology and energy consumption in order to “bend the curve” of climate change below the projected 2+ degrees centigrade. However, to achieve the Paris goals, enhancement of forest-based carbon (C) removals to mitigate emissions in other sectors will be a critical component of any collective global strategy for achieving carbon neutrality [4,5]. Any attempt at carbon neutrality must have significant forest and landscape dimensions. Forests cover a large area of the planet, especially in comparison to the 3% of the Earth’s surface occupied by cities. In the short term, carbon uptake by vegetation and storage in biotic systems is one of the most rapid and promising strategies for addressing emissions.

In the United States (US), Carbon sequestration in forests offsets about 10–15% of emissions from transportation and energy sources and may help to significantly reduce the overall costs of achieving emission targets set by the Paris Agreement [1]. Without improving the extent, health, and productivity of these forests, the sequestration capacity may reduce because of climate change and increasing disturbance [6]. Many climate change adaptation enterprises will certainly involve enhancing tree landscapes at many scales. Such improvements provide additional “ecosystem services,” or positive impacts for people, from shading buildings and buffering cities against storms to making agricultural and grazing landscapes more productive.

With the recent prominence of Reduced Emissions from Deforestation and Degradation (REDD+), more than sixty, mostly tropical, countries place forests at the center of their climate strategies as part of the 2015 Paris Climate Accords, which make special provision “to conserve and enhance sinks and reservoirs of greenhouse gases through results based payments”—which is more generally known as REDD+. While many discussions of climate solutions focus on technological change, energy demand, and reactivating energy resources such as nuclear power, there are significant and rapid carbon uptake gains to be made through managing landscape systems. Changes in landscape management are generally more decentralized than changes in technology and energy, especially in the tropics where most of this sequestration and storage takes place [7,8,9]. We also emphasize that there are gains to be made “at the margins” through improvement of secondary, agricultural, and urban forests with positive mitigation and adaptation outcomes.

Many technological solutions to climate change define the benefits by human gains and goals. These approaches usually require rarified knowledge systems and complex technologies such as electric cars and solar panels they have narrowly specified outcomes and are often highly monetized. In contrast, forest and landscape improvement provides many additional benefits for humans, non-humans, and biophysical processes with relatively low entry and management costs. These co-benefits—or environmental services—improve the health of the biosphere as well as the hydrological and microclimatic systems that play an important role in the maintaining the carbon sequestration capacity of the Earth. This “broad spectrum” quite direct enhancement, in addition to GHG uptake and storage, is unmatched by any other intervention to avoid climate disruption.

We frame this paper by exploring the multifunctionality of arboreal systems, including their carbon uptake (or sequestration) and storage. We emphasize the importance not only of dense tropical forests, but also of inhabited landscapes shaped by people—such as secondary forests, mixed agricultural systems, and cities and their environs—and discuss where such landscapes fit in climate policy and practices. We begin by introducing the ideas of multifunctionality and climate justice, but then move to specific contributions to carbon uptake in a range of forest types, including “agroforests,” or forests people use to grow food, as well as urban and peri-urban forests. We conclude with the question of GHG uptake in urban areas and how researchers are rethinking the greenhouse gas footprint of cities, including urban waste. We emphasize that “bending the curve” of climate change below 2+ degrees centigrade is not simply a technical issue of planting more trees, although that is part of it. “Bending the curve” also involves reassessing our relationship to nature and creating political economies, institutions, and practices that support biotic processes as one of the central responses to climate change.

Forest Multifunctionality

Woodlands ranging from the high biomass forests of the humid tropics to the peri-urban and urban arborizations, especially in the developing world, all provide ecosystem services that go well beyond carbon. Many of these are summarized in the Table 1.

The Multifunctionality and Co-Benefits of Woodlands.

1. Biodiversity benefits, including

ecological and habitat connectivity

ecological services such as pollination, commensal support, predation, seed distribution, and food supply.

2. Agricultural benefits, including

soil fertility improvements in some cases

3. Soil benefits, including

increasing organic matter in the soil and improving soil structure.

buffering the impacts of rainfall

transpiration (taking up moisture through the roots and releasing it through the leaves)

recharging the moisture in the soil

moderating the flow of streams

5. Microclimate improvements, especially for

moderating urban heat island effects [16,17,18]

reduction of heat stress in agroforestry and silvo-pastoral systems [16,19]

6. Local weather defense, including

shoreline protection via mangroves

7. Economic benefits, such as

producing timber and posts

producing non-timber products, such as resins, latexes, medicines, oil seeds, and stimulants like coffee and teas

producing commercial commodities, such as coffee, tea, cacao, and so on

potential REDD derivatives or other offset initiatives pertaining to carbon.

8. Subsistence benefits, such as

providing food to people who live in or near forests

providing fodder for livestock

providing construction materials

9. Survival benefits and complex livelihood “insurance,” such as

10. Human symbolic meaning, including

1. Biodiversity benefits, including

ecological and habitat connectivity

ecological services such as pollination, commensal support, predation, seed distribution, and food supply.

2. Agricultural benefits, including

soil fertility improvements in some cases

3. Soil benefits, including

increasing organic matter in the soil and improving soil structure.

buffering the impacts of rainfall

transpiration (taking up moisture through the roots and releasing it through the leaves)

recharging the moisture in the soil

moderating the flow of streams

5. Microclimate improvements, especially for

moderating urban heat island effects [16,17,18]

reduction of heat stress in agroforestry and silvo-pastoral systems [16,19]

6. Local weather defense, including

shoreline protection via mangroves

7. Economic benefits, such as

producing timber and posts

producing non-timber products, such as resins, latexes, medicines, oil seeds, and stimulants like coffee and teas

producing commercial commodities, such as coffee, tea, cacao, and so on

potential REDD derivatives or other offset initiatives pertaining to carbon.

8. Subsistence benefits, such as

providing food to people who live in or near forests

providing fodder for livestock

providing construction materials

9. Survival benefits and complex livelihood “insurance,” such as

10. Human symbolic meaning, including

This impressive list of additional benefits provided by tree systems helps explain why between 800,000 and 1.4 billion people on the planet are at least periodically dependent on forest resources for their livelihoods, labor markets, agricultural inputs, building and artisanal materials, subsistence, and survival “insurance” in difficult times [20,21,22,23,24,25,26]. North American mainstream views of the environment that strongly segment land uses have difficulty “seeing” such heterogeneous systems in part because of the conceptual construction (and constriction) of “types” of nature into wild, agricultural, and urban systems which are assumed to have little overlap. This perception is far less prevalent in the developing world, but these separations, which have a venerable history, have led to many policy distortions [27]. The fact that human use of woodlands can be periodic, seasonal, dispersed, or indirect further obscures the importance of forested landscapes.

Forests reflect biotic, social, and symbolic systems. Forests occur in wild landscapes, in inhabited and working landscapes of varying forms and intensities, and in highly “unnatural landscapes” like cities. The ubiquity and extent of forests also contributes to their invisibility. Woodlands are culturally complex they have rich social and ecological capacities as well as social and ecological vulnerabilities. Forests embody ideologies, knowledge regimes, institutional approaches to land control and land access, human symbolic meaning, sensitivity to economic signals, and diverse power relations among local, national, and international stakeholders. While woodlands and pastures are generally viewed as parts of wild or distant nature, in this chapter we emphasize the pervasive arboreal nature of even urban areas as critical sites of woody and other biota-based “carbon plus” environmental services. Just as an example, in a survey of over a thousand Urbain households in South Africa, non-timber forests products contributed 20% of household income [28,29,30], a finding hardly unique to South Africa [25,31,32,33]. Animal production is also often a considerable part of urban food production in cities, both in the developing world and the US [34,35,36].

Peri-urban areas—or areas surrounding cities—are also increasingly important in this regard as intersections between wildlands, agricultural lands, and cities. Peri-urban areas often host complex agronomic systems with tree components on the urban fringes, in landscapes through which people migrate to the city [35,37,38,39,40,41,42,43].

Far more than any other climate mitigation or adaptation “technology,” forest systems of multiple types engage large portions of the planet’s residents. People of many cultures, backgrounds, and material capacities are, in fact, already taking part in global woodland dynamics as part of formal and informal systems of management and access, as well as through consumption of forest products, economic activity, and aesthetic and symbolic practices. Landscape systems are by far the most inclusive forms of intervention for “bending the curve” of climate change below 2+ degrees centrigrade. This helps explain why wooded landscapes from wildlands to urban regions produce faster results for GHG uptake and at larger scales than most other technological interventions in carbon mitigation, as we will show later in this paper.

Our own Western enchantment with technology blinds us to the importance of living landscapes and the contributions of their “soft technologies.” In part, this is because the management and stewardship of woodlands is imbricated in a vast set of social relations, institutions, socio-political forces, economic imperatives, and global pressures that are not especially amenable to reductionist analysis, uniform scales, or even necessarily classic forms of scientific inquiry. Further, these systems are ubiquitous, although very under-appreciated, and for this reason, some of the urban and peri-urban dynamics of woodlands and their “footprints” remain almost invisible [23,42,44,45,46,47]. These kinds of “invisibilities” have occluded attention to secondary forests and extensive home gardens for decades [48].

Climate Justice

The term climate justice, when used in a restricted sense for policy purposes, means addressing the economic disparity between those societies that now generate and have historically generated most GHGs, on one hand, and those that have borne the brunt of the effects of climate change, on the other. Climate justice involves not only compensating those who suffer the consequences of climate instabilities [49,50], but also, some argue, allowing them to participate in developing policies with climate consequences that affect them (such as policies about mining, REDD, the siting of pipelines and processing plants, and so on). A definition of climate justice that goes beyond economics (including a normative call for intergenerational equity, resources transfers, and sustainable development) can be found in chapter 8 of this report.

The decentralized nature of the problem of climate justice, the question of intentionality, and the difficulty of taking collective action to address climate injustice present serious ethical and practical challenges. These challenges involve problems of scale, unforeseen impacts, interactive outcomes among agents, power relations, and diffuse consequences that dramatically transform the vulnerabilities of populations whose carbon footprint and historic responsibility for planetary carbon loads and other GHGs are minimal. These indirect effects are compounded by globally divergent consumption patterns, limited capacities for resilience of states and communities, and augmented vulnerabilities [51]. The current explosive fires in the American west, continuing “record” flooding in the Mississippi and Missouri valleys, and hyper severe tornedo seasons highlight that climate justice and climate vulnerability is a class issue in environmental justice in developed countries as well.

The means of compensation so far have mainly taken the form of fiscal transfers, provisioning of social services, and in some cases infrastructure improvement. Broader approaches could include support for rural livelihoods, improvement of urban and peri-urban biotic amenities, jobs, compensation for environmental services (such as but not limited to REDD), adaptation investments and programs that focus on reducing vulnerabilities of regions and populations most at risk from climate change. Economic support for carbon absorptive production systems like agroforestry, urban community arborization, conservation investments within inhabited landscapes, and new institutions and ideologies that support such approaches can enact a wide number of interventions, seeking input from local populations and capitalizing on local innovations [52,53,54,55].

REDD might usefully focus on secondary and agro-forests, but so far most carbon offsets have emphasized standing old growth forests with conservation support, such as Noel Kempff Mercado National Park in Bolivia and the Juma Reserve in Amazonas [53,55,56,57,58]. Brazil’s “Bolsa Florestal” program and Ecuador’s “Socio-Bosque” program provide a modest subsidy to forest dwellers to conserve forests and alleviate poverty. Such REDD+ programs have raised many questions about tenurial arrangements (who owns and who has rights to occupy and use the land and other resources), distribution of economic benefits, inclusion, competition among governance strategies and institutions, and compliance and monitoring. All of these questions have significant climate justice implications [58,59,60]. While many actors are trying to build flexibility into the programs, REDD runs the risk of being excessively overarching and falling prey to the vice of becoming a “development fad,” abandoned and reviled a few years later. Given the problems that currently plague the carbon cap and trade markets, this is a real risk for REDD programs specifically and to addressing problems at the “transnational level” in general. Global policies may be unable to deal with resistance on the ground in part, this results from the importance of forest goods in people’s livelihoods and to their wellbeing. Article Five of the Paris Accords helped draw global attention to forests, but most of the language revolves around “wildlands,” rather than working landscapes, and many complexities remain [58,61,62]. Such working woodland areas are crucial for livelihoods and livelihood supplements in rural and urban economies throughout the world, where an estimated billion people are forest-dependent to some degree [33,63,64,65,66]. In a recent transnational set of studies in rural areas, about 30% of the livelihood products—including food, forage, fuel, building materials, and so on—were derived from forest ecosystems [67,68,69,70].

Smaller Scale, Bigger Impact?

Many subnational approaches, such as the 100 Resilient Cities initiative, seem to have more traction on climate justice concerns. As international REDD programs wait to get off the ground, national governments increasingly look to regional forests to offset their own emissions. This actually puts forest questions at the heart of climate justice issues, since most rural development policy increasingly focuses on a few global and regional markets and high-input commodities. While forest policy has garnered increased visibility, attention to it has revolved strongly around conservation and climate. Development policies focused on forest-based rural livelihoods have received less attention, in spite of the best efforts of international organizations such as the Center for International Forestry Research (CIFOR) and La Via Campesina, the international peasant movement for small-scale sustainable agriculture [71,72,73,74].

Access to forests and their products are changing, and traditional uses may be criminalized in some GHG offset regimes [9,53,75,76,77]. Insecure tenure regimes may precipitate land grabs and forest conversion. For this reason, it is essential to work with local communities and with multiple forms of local knowledge in order to design effective systems. We must make sure that carbon offsets do not become a new form of expropriation, assuaging the guilt of GHG gluttons while marginalizing and criminalizing those whose livelihoods depend on functioning forests. This is a critique that is regularly leveled at REDD. Woody systems have the potential to both sequester carbon and help alleviate poverty through subsistence and market goods, although the magnitude remains controversial [78,79,80,81,82].

In the next sections we outline several dynamics that we suggest have important effects for bending the curve. We look at six processes in terms of both how they can mitigate climate change and how they can help people and ecosystems adapt to it. These processes are: 1) slowing deforestation 2) forest resurgence 3) agroforestry and matrix systems 4) urban and peri-urban forests in carbon dynamics and finally 5) the urban waste system and methane management. All these strategies occur within highly conjunctural social, market, institutional, cultural, and environmental conditions of possibility, and all are highly interactive and reactive to economic, environmental, and political volatilities. History, economics, politics, culture, institutions, and questions of epistemology shape these dynamics far more than we imagine.


General Information and Collections

IPCC Graphics ( This site may be offline. ) A collection of graphics that have been created by the Intergovernmental Panel on Climate Change.

IPCC Vital Climate Graphics (more info) Compiled from the second IPCC assessment report, these graphics include causes of climate change and projected impacts such as temperature changes and sea level rise. The figures are browseable by title.

Global Warming Art (more info) Over 130 different images, graphs and photos describing various elements of climate change. Each image has a description, citation and information for reuse.

Global Climate Change Exploratorium (more info) This site, funded by NSF, is the home page for the Global Climate Change research explorer. Multicolor tabs at the top of the page link to further information and visualizations (graphs, charts, pictures, etc.) for climate change resources in each of the Earth's spheres, including: atmosphere, hydrosphere, cryosphere, biosphere, and global effects of climate change.

The Biodiversity: Climate Change (more info) This step-by-step slide show animation, from the International Polar Foundation, deals with the topics of biodiversity and climate change. It lays out the main effects of climate change, i.e. the strengthening of the natural greenhouse effect phenomenon that has been caused by our way of life, and the unprecedented speeding up of rises in temperature compared with the natural periods of warming that have occurred in the past. It also looks at the main consequences of these changes.

National Geographic Map Simulation of Global Warming Effects (more info) This interactive map shows what global environmental problems can arise based on the 2001 IPCC report on climate change. Users can see which problems affect different areas and can click on these areas for more information.

NASA Climate Change Resource Reel (more info) This collection of resources from NASA includes animations and still shots covering a wide range of topics in climate, including the cryosphere, ocean sciences, changes on land, the atmosphere, and satellite images.


The moving of high emission for biomass burning in China: View from multi-year emission estimation and human-driven forces

Biomass burning (BB) has significant impacts on air quality, climate and human health. In China, the BB emission has changed substantially over the past decades while the multi-year variation held high uncertainty and the driving forces have addressed little attention. Here, this research aimed to conduct a comprehensive and systematic analysis of BB variation in China and provided precise and targeted BB emission reduction suggestions. The moving of high emission for BB from 2003 to 2014 was clearly identified, by the view of reliable emission estimation and anthropogenic impacts. Multiple satellite products, field survey, time varying biomass loading data and measured emission factors were adopted to better estimating BB emission and reducing the uncertainty. Social-economic analysis was added to assess the anthropogenic impacts on high emission variation quantitatively. Results showed that the cumulative BB emissions of OC, EC, CH4, NOX, NMVOC, SO2, NH3, CO, CO2, PM2.5 and PM10 during 2003-2014 were 1.6 × 10 4 , 5.64 × 10 3 , 3.57 × 10 4 , 1.7 × 10 4 , 5.44 × 10 4 , 2.96 × 10 3 , 6.77 × 10 3 , 6.5 × 10 5 , 1.15 × 10 7 , 5.26 × 10 4 and 6.04 × 10 4 Gg, respectively. Crop straw burning (in-field and domestic) in northeast China plain (NEP), north China plain (NCP), northern arid and semiarid region and loess plateau were the key sources, averagely contributed 73% for all the pollutants emission. While domestic straw burning and firewood burning in Sichuan basin (SB), Yunnan-Guizhou plateau and southern China were main contributors, averagely accounting for 70% of all the pollutants emission. On regional level, high emissions were mainly found in SB, NCP and NEP. Temporally, high emissions were mainly found in crop sowing harvesting and heating seasons. From 2003 to 2014, the BB emission for different biomass species has changed significantly in different regions. High emission has gradually moved from SB to NCP and NEP. Firewood burning and domestic straw burning emission decreased by 47% and 14% in SB, respectively. In-field straw burning emission increased by 52% and 231% in NCP and NEP respectively and domestic straw burning emission increased by 62% in NEP. Emissions from heating season have decreased while emissions in corn harvest season were continuously increased. Analysis of Environmental kuznets curve, agricultural productivity level, human burning habits, rural energy structure and local control policies revealed the internal human driving strength of the variation for BB emission. The unbalanced development of social economy and the policy bias were primary drivers of limiting the BB management. BB emission will alleviate in NCP and aggravate in NEP. For the further emission reduction, effective measures for corn sources management, straw returning and rural energy utilization should be systematically considered. This research provides a clear evidence for the multi-year variation pattern of BB emissions, which is critical for pollution prediction, air quality modeling and targeted mitigation strategies for the key regions of China.

Mots clés: Biomass burning High emission variation Human-driven forces Multiple satellite data Social-economic analysis.

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