par J.C. Maurin, Professeur agrégé de physique

En cas de citation prière de mentionner J.C. Maurin  « Evolutions récentes du CO₂ atmosphérique (1/3) »  http://www.science-climat-energie.be/wp-admin/post.php?post=3050&action=edit

Dans les années 80, la découverte dans les archives glaciaires d’une corrélation entre température et taux de CO₂ permit de soupçonner une influence anthropique sur le climat: les taux mesurés depuis 1958 étaient supérieurs aux taux des archives glaciaires.
L’IPPC (GIEC) fut créé en 1988 par 2 organismes: United Nations Environment Programme (UNEP) et  World Meteorological Organization (WMO). Le GIEC attribue l’intégralité de la hausse du taux de CO₂ depuis un siècle à l’influence humaine.  Pour les dernières décennies, nous examinerons ici les mesures disponibles, les corrélations CO₂ / température, enfin le modèle anthropique GIEC sera confronté à un modèle concurrent.

A. Mesures et ordres de grandeur

La composition de l’atmosphère terrestre est donnée dans le Tableau 1 (voir aussi ici). Lorsque les taux de gaz sont faibles, ils sont classiquement exprimés en ppm  (1% = 10000 ppm), le ratio est en volume. Cette composition n’est pas si aisée à établir, par exemple pour l’eau, car celle-ci est extraordinairement variable à la surface de la terre, en altitude et au cours du temps, si bien que plusieurs milliers de mesures locales ne nous assurent pas d’avoir une valeur correcte pour son taux moyen dans l’atmosphère.

A1. Mesures du taux de CO₂.

Le taux de CO₂  est mesuré par des méthodes fiables depuis 1958 : on utilise l’absorption infra-rouge (IR) d’un échantillon d’atmosphère, en comparaison avec un échantillon témoin. L’échantillon d’atmosphère doit  être préalablement asséché car la vapeur d’eau absorbe elle aussi en IR. Les observatoires, peu nombreux, mesurent aussi d’autres quantités comme le rapport isotopique entre carbone 12 et 13 du CO₂. On utilise aussi des « proxies » permettant des «estimations» de ce taux dans le lointain passé. Un proxy est un indicateur indirect du taux et n’est pas une mesure du taux.

Trois types de sources pour le «Taux de CO₂ dans l’atmosphère»  existent:

• Depuis 1958 (Mauna Loa et South Pôle ) à partir des observatoires.
• Depuis 1850 à partir de titrage chimique (compilation par Beck).
• Divers proxies (archives glaciaires si < 1 million d’années et archives fossiles = stomates si >1 million années).

A2. Evolution récente du taux de CO₂.

Usuellement une grandeur climatique est prise sur 30 ans. Selon les observatoires (1) nous avions les concentrations moyennes suivantes : 338 ppm en 1980 et 388 ppm en 2010 (30 ans) (Figure 1).

La variation relative du taux de CO₂ est donc de 388-338 = 50 ppm soit 50/338 =  0.15 soit  +15% pour 1980-2010 (30 ans) (Figure 2).

Pour l’atmosphère dans son ensemble,  le taux de CO₂ passe de 0.00034 à 0.00039 soit un changement de 0.00005 = 0.005% (Figure 3).

A3. Oscillations saisonnières du taux de CO₂.

Le CO₂ est mesuré dans diverses stations sur la planète (Figure 4). Référence ici.

Le taux de CO₂ augmente et cette croissance est modulée par une oscillation saisonnière (Figures 5a et 5b). On constate que l’oscillation est plus forte au Nord (stations PTB, LJO, MLO). Le pôle Sud (SPO) n’a presque pas d’oscillations. Ces oscillations sont usuellement interprétées comme conséquence de la croissance végétale au printemps/été (absorption CO₂), plus importante dans l’hémisphère Nord.

L’amplitude annuelle des oscillations est plus grande en 2017 qu’au début des mesures (Figure 6). Pour Point Barrow (PTB) on passe d’une oscillation totale de ≈ 12 ppm en 1965  vers ≈ 19 ppm en 2015. Pour la Jolla (LJO), on passe de ≈ 6 ppm vers ≈ 11 ppm, pour Mauna Loa (MLO) on passe de ≈ 5 ppm vers ≈ 9 ppm. En 50 ans (1965-2015), les oscillations ont augmenté en moyenne de ≈ +50%, alors que le taux a augmenté de 315 ppm à 400 ppm  (≈ 30%). L’absorption végétale aurait donc augmenté, un peu plus rapidement que le taux. Pour le taux moyen de CO₂, les observatoires mesurent des valeurs très proches, cependant le taux de CO₂ dans l’hémisphère Nord est supérieur d’environ 2 ppm à celui de l’hémisphère Sud.

A4. Rapports isotopiques du CO₂ atmosphérique.

Certains observatoires mesurent également le rapport isotopique (2) entre carbone 13 et carbone 12 du CO₂. On espère ainsi distinguer l’origine du CO₂ (océan, végétation et combustibles fossiles n’ont pas le même rapport isotopique). La mesure utilise le spectromètre de masse et compare à une référence standard (PDB) pour laquelle :

On donne le rapport isotopique relativement à cette référence PDB :

Ainsi, pour le PDB :

 

L’atmosphère s’est donc enrichie en isotope ¹²C (2) (Figure 7).

A5. Entrées et sorties du CO₂ dans l’atmosphère.

→La végétation en croissance absorbe le CO₂ atmosphérique, ce qui constitue une sortie pour l’atmosphère, la décomposition végétale constitue une entrée. Croissance et décomposition végétales sont très variables à la surface de la terre et au cours du temps, si bien que de nombreuses mesures locales ne nous assurent pas d’avoir les valeurs moyennes correctes.

→L’océan   On estime qu’il contient environ 50 fois plus de CO₂ que l’atmosphère. La solubilité du CO₂ dans l’eau dépend de la température (pour la surface océanique elle varie de -1°C à 31 °C). Les échanges sont gouvernés par la différence de concentration locale  eau/air et la vitesse du vent local. La surface d’échange est énorme (70% de la surface terrestre). La taille de l’océan et la variété des conditions locales ne permettent  pas d’avoir des valeurs bien connues pour les entrées et sorties océaniques.

→Il existe d’autres entrées et sorties largement méconnues : La lithosphère réalise des échanges de CO₂, probablement plus importants sous l’océan.

Le métabolisme des êtres vivants, particulièrement les micro-organismes, peut aussi réserver des surprises… (voir ici).

Une seule entrée (4) est réellement connue : l’homme émet actuellement 4 ppm/an.  (Figure 8).

On peut  tracer la variation  annuelle du taux, c’est-à-dire la différence entre le taux mesuré l’année N et celui mesuré l’année N-1 (on s’affranchit ainsi des oscillations saisonnières). Cette variation est donc directement déduite des mesures de taux (1). Cette variation correspond aussi à la différence (entrées – sorties) pour l’année considérée (Figure 9).

On peut estimer le total des entrées ou sorties en utilisant la durée de séjour moyenne d’une molécule de CO₂ dans l’atmosphère (3). Cette durée est estimée à partir de la décroissance radioactive du Carbone 14  ou du Radon 222. Les estimations sont comprises entre 3 et 10 ans. Par exemple, si cette durée de séjour est de 3 ans, alors on renouvelle l’atmosphère par 1/3 chaque année et les entrées et sorties seront ≈ 1/3 du CO₂ atmosphérique soit 400 ppm /3 ≈ 130 ppm.  Une représentation ultra schématique pour l’atmosphère en 2015 est donnée à la Figure 10.

On utilise 3 entrée /sortie :   « Océan », « végétation », « Autre » (on y englobe l’homme).
Les seules valeurs connues du schéma sont en rouge : niveau  400 ppm, variation annuelle 2 ppm, apport anthropique 4 ppm. Les flèches « Autres » rappellent notre faible connaissance des échanges de CO₂. Les estimations (3) de la durée de séjour sont comprises entre 3 et 10 ans, correspondant à des flux totaux annuels (entrée ou sortie) entre 40 et 130 ppm.

A6. Conclusions

• Le taux de CO₂ atmosphérique est passé de 338 ppm (1980) à 388 ppm (2010)  soit  ≈ +15% en 30 ans (+30% pour 1965-2015). Le taux au Nord est supérieur (≈ 2 ppm) à celui du Sud. La hausse annuelle est irrégulière, elle est très forte lors des années El Niño.

• Il existe une modulation annuelle, très marquée au Nord. Interprétée comme conséquence de la croissance végétale, celle-ci aurait augmenté un peu plus vite que le taux de CO₂.

• L’atmosphère s’est enrichie en carbone 12 (relativement au carbone 13) et le δ13C passe de -7.6 en 1980 (338 ppm) à -8.3 en 2010 (388 ppm).

• Les échanges de CO₂ avec l’atmosphère sont mal connus sauf l’apport anthropique (4/130 à 4/40  soit 3 % à 10% des échanges).

Partie 2/4 de l’article ici

Références

1. Mesures du taux de CO₂ et variation annuelle  ESRL NOAA  Earth System Research Laboratory.
2. Rapport isotopique Carbon Dioxide Information Analysis Center  iso-sio  CDIAC.
3. Durée de séjour du CO₂ dans l’atmosphère  Tom V. Segalstad  http://www.co2web.info/ESEF3VO2.pdf. Une compilation suivant plusieurs auteurs :  Sundquist, E.T. 1985: Geological perspectives on carbon dioxide and the carbon cycle.
4. Emissions anthropiques Fossil-Fuel CO₂ Emissions  CDIAC.
5. La feuille de calcul « CO₂ Mesures » met en forme ces données d’observations.