Research at CERES-ERTI

The question: what are the consequences of Climate-Biosphere-Society feedbacks?

Major environmental questions are related to the coupling of complex systems which are still largely considered as being isolated, or treated as such by the traditional disciplines: climate, ecosystems, economy and society. In fact, these systems mutually influence each other: for example Climate<->Ecosystems, Climate<->Economy+Society, and Ecosystems<->Economy+Society.

Dynamical systems theory reveals that such complex systems coupled by multiple feedbacks are likely to exhibit non-linear phenomena such as bistability, fluctuations, and chaotic behavior. Perturbation (deterministic or stochastic) of such environmental systems can hence give rise to abrubt changes of their dynamics (bifurcations, or less technical: "tipping points") and to hysteresis (the state of the system depends on its history).

The subject: the studied feedbacks

The analysis of the consequences of such feedbacks in environmental systems can be applied to numerous fields with environmental interests, fields which represent the disciplines of internationally acclaimed scientists at the ENS.

The CERES-ERTI, being a transversal platform of the ENS, constitutes the ideal pedestal for the development of such an interdisciplinary collaboration. In fact, among the collaborative research and teaching activities, currently developed at CERES-ERTI, we can cite:

• Atmosphere-Cryosphere-Ocean (M. Ghil, M.D. Loye-Pilot, D.D. Rousseau + LMD)
• Climate - Ecology (M.D. Chekroun, D. Claessen, M. Ghil + L. Abbadie, C. Bowler, R. Ferrière, J.F. Le Galliard)
• Climate - Economy (B. Coluzzi, P. Dumas, M. Ghil, A. Groth, R. Guesnerie)
• Climate, Energy - Society (M. Ghil, C. Kergomard, S. Topçu)
• Ecology - Society (D. Claessen, M. Ghil, G. Weisbuch)
• Dynamical systems theory (M.D. Chekroun, M. Ghil, J. Roux, G. Weisbuch + DMA)

Ongoing research projets

Feedback between phytoplankton evolution and climate

David Claessen, Michael Ghil, Chris Bowler (Molecular Plant Biology), Regis Ferriere, Silvia De Monte (Eco-evolutionary modelling), Eric Edeline (BIOEMCO), Mick Follows (MIT, USA)

Some of the strongest interactions between ecological and climatic processes concern phytoplankton. While the importance of phytoplankton ecology for the global carbon cycle is well established, the role of their evolution is much less so. Adaptation is of particular importance in predicting the system's response to climate change, since it will modulate the ecological response to environmental change. Recent global ocean circulation models account for phytoplankton ecology. In this collaboration, we are refining the definition of ecological processes and to allow for adaptation of phytoplankton cell size and shape in such models, as well as in more strategic models for freshwater systems. Phytoplankton communities are size-structured, and ecological functioning depends strongly on cell size and shape. Furthermore, phytoplankton size will influence the effectiveness of the biological carbon pump, through which carbon is sequestered from the atmosphere into the ocean interior by cell sinking. In addition, phytoplankton dynamics and evolution depend on interactions with higher trophic levels in the pelagic food web and these ecological interactions are generally also size structured. All these properties are shared between marine and freshwater systems. Phytoplankton ecology will be modelled by accounting for physiological structure (cell size, shape, nutrient quota) of phytoplankton communities and the size structure of the entire food web. We will study a range of models covering spatial scales from the global ocean to lakes. Different theoretical issues will be tackled using models at different spatial and temporal scales. The models will be used to formulate quantitative, testable predictions, that will be put to the test in experimental setups (outdoor freshwater mesocosms) and by using ecological and genomic data from the Tara Oceans expedition. The overall theoretical issue addressed is: does adaptation accelerate or mitigate the impact of climate change on the global carbon cycle?

Translation in progress...

Modélisation couplage économie-environnement

Michael Ghil, Barbara Coluzzi, Patrice Dumas, Stephane Halgatte, Jean-Charles Hourcade. Ce projet porte sur un modèle macro-économique à comportements cycliques et chaotiques, comportements qui peuvent jouer un rôle important dans le couplage changement climatique adaptation et/ou intervention économique. C'est un travail en cours, impliquant Stéphane Hallegatte (chercheur Météo-France au CIRED), Jean-Charles Hourcade et Patrice Dumas du CIRED, et Michael Ghil du CERES.

Michael Ghil, Barbara Coluzzi, Stéphane Halgatte, Gérard Weisbuch, travaillent sur la propagation des dommages dans un réseau de production en conséquence d'une perturbation environnementale localisée au départ. Nous utilisons un formalisme d'équations Booléenes avec retard.

Gérard Weisbuch et Yoram Louzoun (U. Bar Ilan, Israel) modélisent les patterns spatio-temporels d'activité économiques en présence de progrès technologique et de limitation environmentales liées aux resources renouvelables, énergie ou resources en eau.

Analyse de series temporelles (SSA) en écologie, climat et économie

L'atelier "Méthodes quantitatives : analyse de données" a été offert pour la première fois au printemps 2009, quand il a attiré plus de 30 inscriptions, allant d'élèves en L3 de biologie au M2 en DMA. Il a donc été proposé une deuxième fois à l'automne 2009. Cet atelier utilise un logiciel de recherche, le SSA-MTM Toolkit, développé par Michael Ghil avec une douzaine de collaborateurs sur 3 continents.

Les projets d'application des méthodes quantitatives enseignées collectivement par David Claessen, Michael Ghil, Andreas Groth et Jean Roux dans cet atelier ont donné naissance à trois nouvelles collaborations de recherche au sein du CERES : une chaque sur l'écologie, l'économie et le paléoclimat, respectivement. Dans les trois cas, il s'agit de l'analyse de series temporelles à l'aide d'un outil d'analyse spectrale appelé Singular Spectrum Analysis (SSA) ; les jeux de données respectifs avaient été proposés aux élèves dans le cadre de l'atelier. La methode SSA permet de trouver des périodicités, ainsi que des tendances non-stationnaires dans les séries temporelles, et de les quantifier. L'extension multi-channel SSA (M-SSA) permet d'analyser plusieurs séries temporelles simultanément et d'étudier les interactions entre les variables représentées par ces séries. Les jeux de données ont été fournies par des chercheurs dans chacun de ces trois domaines, et n'avait pas encore été analysés d'une manière aussi quantitative et approfondie auparavant. Les étudiants ont donc travaillé sur des vrais mini-projets de recherche.

• Ecologie : dynamique des populations de poissons au Lake Windermere - pêche et épidémiologie. (Eric Edeline, David Claessen, Michael Ghil, Andreas Groth). Through an onging collaboration of Eric Edeline and David Claessen with CEH, Lake Windermere (UK) and CEES, Oslo (Norway), catch data from fisheries in Lake Windermere are available from 1944 and onward. The data contain age-specific perch and pike estimations, as well as fisheries effort and abiotic conditions (temperature, nutrient loading) over the same period. We are using SSA and MSSA to analyse the fluctuating population dynamics of the fish species, and in particular trying to detect interactions between the fish species, the influence of fisheries pressure and climate, and of a well-documented epidemic in the perch population.

• Economie : cycles économiques et l'économie des Etats-Unis d'Amérique. (Andreas Groth, Michael Ghil)
• Paléoclimat : la température et les poussières au Groenland et en Antarctique. (Denis-Didier Rousseau, David Claessen, Michael Ghil, Andreas Groth) Long-term climate data based on isotope measurements in ice cores from Groenland and Antarctica. The two measured isotopes (d18 oxygen and calcium) represent variations in temperature and dust, respectively. The data cover 110 ky (Groenland). Using SSA, we try to detect periodic signals in these data sets, and will compare the results from Groenland and Antarctica.

L'impact des changements climatiques rapides dans l'Atlantique de Nord sur la sédimentation loessique en Europe pendant la dernière glaciation (projet ANR-Blanc ACTES, 2009-2012)

Denis Rousseau, Adriana Sima (LMD, CERES-ERTI & LSCE)

Les séquences éoliennes européennes montrent pour la dernière période glaciaire (entre approx. 100 000 et 15 000 ans BP) une alternance de phases de forte sédimentation loessique avec d'autres quand la sédimentation était faible ou même absente, permettant la formation de sols. Pour la principale phase de dépôt loessique, entre 40 000 et 15 000 ans BP, les données ont permis d'établir une très bonne corrélation entre ces variations et les changements climatiques à échelle millénaire observés dans l'Atlantique du Nord : les événements de Dansgaard-Oeschger (DO) et de Heinrich (H).

Dans le cadre du projet ANR ACTES (2009-2012) la modélisation est utilisée pour étudier la relation entre les changements climatiques rapides dans l'Atlantique du Nord et les variations de sédimentation éolienne en Europe. On veut ainsi répondre à deux questions majeures: par quel(s) mécanisme(s) les événements DO et H ont-ils pu produire les importantes changements d'intensité du cycle de la poussière dont les séquences loessiques européennes témoignent et y-a-t'il une relation de cause à effet,. Dans ce but, le modèle système Terre de l'IPSL, notamment ses composantes atmosphére (LMDz et INCA) et continents (ORCHIDEE), sera utilisé.

Cette étude est une première sous plusieurs aspects. Très peu d'études ont approché jusqu'à présent l'impact des changements climatiques rapides sur le continent, et c'est la première fois qu'une telle étude est réalisée à une résolution spatiale suffisamment haute pour les sources et dépôts éoliens européens. Aussi, les changements du cycle des poussières associés aux événements DO et H seront modélisés de manière explicite pour la première fois, ce qui va permettre une comparaison pas seulement qualitative, mais aussi quantitative avec les observation de terrain des séquences loessiques.

Analyse socio-historique des critiques portées sur les risques environnementaux et sanitaires de l'énergie nucléaire en France

S'appuyant sur une étude approfondie de l'histoire des controverses liées à la production de l'énergie nucléaire en France, cette recherche doctorale représente une contribution à l'analyse des formes de critiques portées sur les sciences et les techniques au cours des dernières décennies. Elle a pour objectif de saisir les transformations de la critique en termes de production des formes alternatives des savoirs sur les risques environnementaux et sanitaires de l'activité nucléaire ainsi qu'en termes de construction dynamique des formes d'action et de gouvernance dans le domaine de la protection de l'environnement. Ce travail mobilise trois types de corpus: i) archives et publications associatives et syndicales; ii) archives et rapports institutionnels dont certains inexploités jusque là; iii) une cinquantaine d'entretiens menés avec les principaux acteurs engagés dans la critique du nucléaire dans l'arène scientifique, syndicale et associative ainsi qu'avec les responsables de communication et de gestion des risques des institutions politico-industrielles.

Catégorisation des matières et géographie des flux dans l'industrie nucléaire

L'industrie nucléaire connaît actuellement un retour en grâce, qui pose des questions politiques et géopolitiques importantes, relatives aux technologies employées (et à leur caractère proliférant), mais également à la prise en charge des matières et de leur circulation au sein même de la chaîne industrielle (minerai, combustible, déchets, etc.) et ce, à toutes les échelles géographiques. La recherche proposée vise à explorer la question de la matérialité au sein de l'industrie nucléaire en s'éloignant des canons d'analyse fondés sur le risque et la segmentation amont/aval au sein du cycle du combustible. Inscrite dans une démarche interdisciplinaire associant sciences sociales (géographie, droit, sociologie) et sciences physiques, elle cherche à analyser la nature et les effets des dispositifs socio-légaux et des pratiques concrètes qui encadrent la classification, la production et la circulation des matières au sein de l'industrie en France et à l'étranger (Etats-Unis, Brésil, Argentine) et de ce fait, pèsent sur les flux de matière et leur géographie.

Le gouvernement et l'administration des techno-sciences à l'échelle globale. (Projet ANR 2009-2011)

Ce projet de recherche vise à penser et décrire la manière dont sont régulés et gouvernés aujourd'hui, dans le cadre à la fois mondialisé et libéral (d'un point de vue économique) qui est le nôtre, les savoirs et les produits techno-scientifiques ; mais aussi la manière dont sont régulés et gouvernés les effets de ceux-ci -- effets visibles à travers crises et affaires : atteinte à l'environnement par la chimie agricole, atteinte à la santé par l'usage de certains médicaments ou les taux de radioactivité, gestion du réchauffement climatique, etc. Notre but est de saisir l'extrême variété des modes de gouvernement de et par les sciences, de confronter cette variété par des études comparées, et d'en inférer des modèles de compréhension globaux. Le premier point sur lequel nous insistons, car il est peu présent dans le champ STS, est l'ancienneté de bien des modes de gouvernement des techno-sciences. C'est le cas par exemple autour des intrants chimiques dans l'agriculture, de la gestion du nucléaire, de la définition des normes de radioactivité, des modes de mise sur le marché de produits technologiques, etc. Le second objet de cette recherche est de caractériser les modes nouveaux de gouvernement et d'administration des technosciences apparus dans le cadre néolibéral et d'emblée global qui est le nôtre aujourd'hui. Nous avons ici deux objectifs. D'une part décrire les dispositifs concrets et les pratiques effectives de ce gouvernement global à partir d'une série de cas (pesticides, faibles doses radioactives, risques iatrogènes des médicaments, nucléaire civil, changement climatique); d'autre part d'établir des généalogies (au sens foucaldien du terme) de quelques-uns des éléments clés de l'ordre discursif nouveau qui est celui de la "gouvernance".

Plus d'info

Pour plus d'info, merci de consulter les pages personnelles des chercheurs du CERES-ERTI:

• CHEKROUN, Mickael
• CLAESSEN, David
• DELORD, Julien
• DEMEULENAERE, Elise
• DUMAS, Patrice
• GHIL, Michael
• KERGOMARD, Claude
• LOŸE, Marie-Domonique
• ROUSSEAU, Denis-Didier
• TOPCU, Sezin
• WEISBUCH, Gérard