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Evolution temporelle du méthane (CH4)

par Administrateur Un - 23 mars 2011 - ( maj : 23 mars 2011 )

Evolution temporelle du méthane (CH4)

Le méthane est le deuxième gaz à effet de serre d’origine humaine (en impact radiatif cumulé depuis 1850) après le gaz carbonique. Son évolution temporelle a fait l’objet d’études plus tardives que ce dernier, les premières analyses dans la glace ayant été réalisées par les Américains en 1982 et 1983. Nos travaux combinés à ceux de nos collègues suisses, australiens et américains ont permis de mettre en évidence sa forte variabilité à différentes échelles de temps.

Les derniers 1000 ans

Les mesures issues des carottes de glace mettent en exergue l’impact considérable des activités humaines sur les teneurs actuelles en méthane ( 1750 ppbv en moyenne global), désormais 2,5 fois plus élevées qu’il y a 200 ans. Cette augmentation spectaculaire résulte en majeure partie du développement des activités agricoles (culture du riz, élevage de ruminants) mais aussi de certaines activités industrielles (exploitation du charbon et du gaz naturel, décharges).

Au cours des derniers 1000 ans, la variabilité du méthane est relativement limitée autour de son niveau moyen de 700 ppbv. On observe un maximum autour du 12ème et du 13ème siècle, concomitant à l’Optimum climatique médiéval, puis un minimum au début du petit âge de glace. Ces variations peuvent refléter la réponse des sources naturelles de CH 4 aux variations climatiques ; elles peuvent aussi résulter de fluctuations des sources anthropiques déjà en place à ces périodes (agriculture, combustion du bois) (Blunier et al., Geophys. Res. Lett., 1993).

L’Holocène (derniers 11500 ans)

Nos mesures réalisées, avec les collègues suisses de Berne, sur la carotte groenlandaise de GRIP et sur les carottes antarctiques de D47 et Byrd ont montré l’existence d’un minimum de méthane il y a 5000 ans ; les teneurs observées au début de l’Holocène il y a 10000 à 11500 ans et au cours du dernier millénaire sont les plus élevées de la période interglaciaire. La combinaison des mesures aux deux pôles permet de quantifier la différence inter-polaire de CH 4 (résultant du temps de vie relativement court du méthane dans l’atmosphère, 10 ans, et de la distribution inégale des sources à la surface du globe) et des variations dans cette différence. Leur interprétation suggère (1) que les sources tropicales (probablement les zones marécageuses) ont dominé le cycle naturel interglaciaire, (2) que les sources boréales étaient déjà significatives au début de l’Holocène, et (3) que les sources anthropiques ont pu avoir un impact déjà important sur le bilan du méthane au cours des derniers millénaires (Chappellaz et al., J. Geophys. Res., 1997).

Les variations rapides du glaciaire

Grâce à l’excellente résolution temporelle de la carotte de GRIP (Groenland), nous avons pu mettre en évidence une association très étroite entre les événements climatiques rapides (appelés événements de Dansgaard/Oeschger) observés au Groenland durant la dernière glaciation et les teneurs en méthane de l’atmosphère. Cette cohérence est aussi observée durant le refroidissement du Dryas récent qui ponctue la dernière déglaciation. Les sources groenlandaises de méthane étant tout à fait marginales, nos mesures ont démontré pour la première fois que ces événements climatiques rapides avaient affecté de très vastes étendues continentales, là où le méthane est produit par décomposition anaérobie de matière organique (Chappellaz et al., Nature, 1993).

Ces événements rapides observés dans les teneurs en CH4 nous ont permis de comparer sur une même échelle de temps les évolutions climatiques groenlandaises et antarctiques sur la période de temps entre -10000 et -50000 ans (pour en savoir plus).

400000 ans

La carotte antarctique de Vostok, fruit d’une remarquable collaboration tripartite entre la Russie, la France et les USA, a franchi en 1998 la profondeur record de 3623 m. Au-delà de 3310 m, un mélange des couches de glace ne permet plus de reconstituer l’évolution du climat et de l’environnement. En revanche, au-dessus de 3310 m, cette carotte nous a offert l’opportunité exceptionnelle d’étudier l’évolution temporelle du méthane atmosphérique sur quatre cycles climatiques glaciaire-interglaciaire. Les variations observées sont remarquablement contraintes dans un domaine de concentration entre 350 ppbv (optima glaciaires) et 800 ppbv (les plus hautes teneurs naturelles observées, il y a 320000 ans). Non seulement la corrélation avec le climat antarctique est très forte, mais de plus le signal méthane est marqué par les périodicités de l’orbite terrestre autour du soleil (Petit et al., Nature, 1999).

Les variations naturelles du méthane trouvent probablement leur origine dans l’évolution du cycle hydrologique et l’étendue des zones humides en régions boréales et tropicales (Chappellaz et al., Tellus, 1993). Les fluctuations de l’intensité de ces sources ont ensuite été amplifiées via la capacité oxydante de l’atmosphère (teneurs en radical hydroxyle OH) (Thompson et al., Tellus, 1993). Enfin une contribution sporadique aux changements rapides du méthane pourrait être liée aux dégazages d’hydrates de méthane dans les fonds océaniques.

Composition isotopique du CH4

Comme pour le CO2, les isotopes du méthane permettent de distinguer les grandes familles de sources et de puits impliqués dans le bilan atmosphérique de ce gaz. Nous avons construit au LGGE un système analytique permettant l’analyse du rapport isotopique 13C/12C du méthane sur seulement 3 à 5 nanomoles de CH4 et offrant donc la possibilité d’une application sur des échantillons de glace.

A ce jour nos efforts d’application de cette technique ont porté sur des échantillons d’air du névé collectés dans le cadre du projet européen Firetracc/100. En parallèle aux mesures réalisées par nos collègues de l’Institut Max Planck de Mayence (en appliquant une technique plus classique nécessitant quelques micromoles de CH4), nous avons ainsi mis à jour un "alourdissement" important du méthane atmosphérique au cours des derniers 50 ans (Braünlich et al., J. Geophys. Res., 2001). Cette augmentation du rapport 13C/12C est compatible avec une contribution grandissante des sources enrichies en carbone-13 comme les feux de biomasse ou encore l’exploitation et la distribution de gaz naturel.

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