Les COV, composés organiques volatils, nous commençons à bien les connaître. Souvent utilisés dans les produits de nettoyage ou en solvant, ils restent sous forme gazeuse dans l’atmosphère et il est régulièrement conseillé d’aérer l’air intérieur pour les éviter. Ce qui est moins connu, c’est que la grande majorité d’entre-eux sont naturellement émis par les plantes : ce sont les COV biogéniques. Cela comprend une multitude de composés différents essentiels au bon fonctionnement des végétaux.  « Ces COV jouent un rôle important en terme de thermotolérance (aide dans le cas d’augmentations fortes de la température), lutte contre l’oxydation, mais également dans la communication plantes-plantes et plantes-insectes » illustre Juliette Lathière, chercheuse au LSCE-IPSL. « Ces composés représentent en moyenne 2% à 3% du carbone assimilé mais cela peut grimper jusque 10% en période de stress, hydrique notamment » ajoute-t-elle.

Les COV biogéniques sont des composés généralement très réactifs. Ils sont rapidement oxydés par le radical hydroxyle OH, l’agent nettoyant de l’atmosphère, et entrent en réaction avec d’autres composés aboutissant à la production d’ozone ou d’aérosols organiques secondaires. « C’est une petite cuisine entre différents composés qui peuvent entraîner une augmentation ou diminution d’ozone » précise-t-elle. Il en existe des centaines, voire des milliers. Certains à des niveaux d’émissions importants et d’autres à des niveaux beaucoup plus faibles, les rendant difficilement détectables dans l’atmosphère. Les composés émis et le niveau d’émissions dépendent fortement du type de végétation source, avec l’isoprène et les monoterpènes en tête des COV biogéniques les plus émis à l’échelle globale. Et les COV biogéniques sont très dépendant des conditions environnementales qui les entourent, par exemple de la température, du rayonnement, humidité du sol ou encore des concentrations des autres composés présents dans l’atmosphère comme le dioxyde de carbone.

A plantes différentes, composés différents

Les différents composés ont des réactivités chimiques différentes. Ce qui intéresse particulièrement les chercheurs est leur impact sur la composition chimique de l’atmosphère et, in fine, potentiellement le climat. Ces réactions affectent les concentrations d’ozone, de méthane et entrainent la formation de nouveaux éléments comme les aérosols organiques secondaires, pouvant agir sur la température ou les précipitations locales. L’action de remplacer une certaine espèce végétale par une autre, pour des raisons de productivité agricole par exemple, affecte le type de COV biogéniques se retrouvant dans l’air. Une certaine espèce d’arbre ou de culture n’aura pas les mêmes types de composés émis que d’autres, ni dans les mêmes quantités. Notre impact sur l’utilisation des terres a donc un effet direct sur le type de composés qui se retrouve dans l’atmosphère et les réactions que cela entraîne.

En Indonésie notamment, beaucoup de forêts originelles sont remplacées par des cultures à croissance plus rapide comme les palmiers à huile et s’accompagnent du développement de toute une infrastructure industrielle et routière.  « Cette activité de transport est fortement émettrice d’oxyde d’azote et les palmiers à huile sont de forts émetteurs d’isoprène, à des niveaux bien plus élevés que les forêts originelles qu’ils remplacent. Ensemble ils réagissent et entrainent des concentrations d’ozone importantes pouvant poser des problèmes de qualité de l’air pour les populations locales » explique Juliette Lathière.

Un autre lien, plus difficile à quantifier, agit sur la formation des nuages. « Ces aérosols secondaires peuvent constituer des noyaux de condensation et modifier la formation de nuages, ayant donc un effet significatif pour le climat » détaille la chercheuse. Si le rôle des COV biogéniques dans la composition chimique de l’atmosphère est indéniable, leur impact sur le climat et la modification du forçage radiatif reste toutefois mineur comparé à celui des gaz à effet de serre. Ce sujet d’étude avance mais de nombreuses incertitudes persistent sur les liens entre les conditions environnementales, les types et les quantités de COV biogéniques émis, le rôle de leur oxydation sur la formation d’aérosols organiques secondaires, l’impact sur le climat et leur évolution.

Une grande variabilité

Mieux comprendre ces liens est crucial pour saisir la place des COV biogéniques dans le cycle atmosphérique et plus généralement dans le climat. Mais estimer ces émissions et leur formation n’est pas chose facile car ils présentent une très forte variabilité. Les émissions peuvent varier d’une branche à une autre, et il est extrêmement difficile de les représenter de manière précise. « Ce que nous essayons de faire est déjà d’estimer ces émissions sur un site, à l’échelle d’une forêt » annonce Juliette Lathière. Une campagne de terrain offre un diagnostic ponctuel des flux d’émissions au niveau des feuilles et des concentrations au niveau de la canopée où les COV biogéniques les plus réactifs interagissent. « Les COV sont émis majoritairement par les feuilles, dans une moindre mesure par les troncs, les branches ou encore le sol et certains composés réagissent au sein de la canopée et n’iront pas interagir dans l’atmosphère » précise la chercheuse.

La difficulté subsiste dans la tentative d’extrapoler ces informations sur site à une échelle plus large et de savoir si cela est vraiment représentatif. L’utilisation de données satellites peut aussi être un atout pour évaluer les quantités de composés présents dans l’atmosphère. « Il y a un facteur d’incertitude important mais en s’appuyant sur des mesures de terrain, des mesures de flux sur tours et des données satellites nous pouvons avoir accès à des informations complémentaires nous permettant d’évaluer nos modèles globaux » explique-t-elle. Avoir une bonne connaissance des composés émis en fonction des conditions environnementales et de leur place dans la chimie atmosphérique et le climat est une étape clé pour estimer l’évolution future des COV biogéniques et de leur rôle au cœur du Système Terre.

Joindre les forces

Les émissions de COV biogéniques ont un impact plus discret que les émissions de GES de source anthropiques sur le bilan radiatif. Cependant, leur compréhension n’en est pas moins centrale pour dresser un tableau réaliste des processus chimiques et climatiques et de leurs évolutions en prenant en compte toutes les boucles de rétroactions possibles. Les chercheurs associent pour cela des modèles globaux de climat (LMDZ), de biosphère continentale (ORCHIDEE, intégrant le calcul des émissions de COVB) et de chimie de l’atmosphère (INCA) pour réaliser des simulations prenant en compte l’ensemble de ces interactions biosphère-chimie-climat.  Différent scénarios d’utilisation des sols et de conditions environnementales sont utilisés pour comprendre ce qui se passe au niveau des émissions et des implications pour la chimie et le climat. « Une évolution de la température par exemple aura un impact positif sur les émissions de COV, dont l’amplitude peut aussi varier localement avec l’apparition de hot spots dans certaines régions » précise Juliette Lathière.

Ce couplage de modèles permet une étude de l’évolution possible des interactions entre composition chimique de l’atmosphère, monde végétal et climat futur. « Des études expérimentales^[1] en laboratoire ont montré qu’une augmentation du CO₂ atmosphérique a tendance à réduire la capacité d’émissions de COVB des plantes, particulièrement dans le cas de l’isoprène » illustre la chercheuse. D’autres facteurs sont à prendre en compte comme les changements de la température et du rayonnement solaire ou encore du changement d’utilisation des terres. Certains favorisant, d’autres diminuant les émissions de COV biogéniques, et l’effet résultant est lui aussi soumis à une forte incertitude.

« Nous voyons aujourd’hui que ce sujet d’étude des interactions entre biosphère continentale, chimie atmosphérique et climat prend de l’ampleur, et ce depuis quelques années. Nous développons des modèles prenant en compte l’ensemble des interactions et rétroactions existantes, qui sont également traités désormais dans le rapport du GIEC » souligne-t-elle. Il reste des incertitudes importantes dans ce domaine mais associer des études d’expérimentation de terrain et de modélisation et en utilisant des modèles couplés aidera à y voir plus clair. « C’est en joignant les forces de scientifiques travaillant sur les modèles, sur les mesures in situ et en laboratoire et sur les données satellites que nous allons progresser et diminuer les incertitudes sur les COV biogéniques et leurs impacts » conclut Juliette Lathière.

^[1] Possell, M., & Hewitt, C. N. (2011). Isoprene emissions from plants are mediated by atmospheric CO2 concentrations. Global Change Biology, 17(4), 1595-1610.

Wilkinson, M. J., Monson, R. K., Trahan, N., Lee, S., Brown, E., Jackson, R. B., … & Fall, R. A. Y. (2009). Leaf isoprene emission rate as a function of atmospheric CO2 concentration. Global Change Biology, 15(5), 1189-1200.