Le méthane et le changement climatique

Groupe X-Environnement Micro-dossier A09-7
Le méthane et le changement climatique
Chaque micro-dossier du groupe X-Environnement constitue une "unité d'information".
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risquerait d'entraîner de graves erreurs d'interprétation.
Il n'implique aucune prise de position collective du groupe.
MICRO-DOSSIER A 09-7
Le méthane et le changement climatique
DIFFUSION RESTREINTE
Avec environ 20% des émissions de gaz à effet de serre, et environ 20% du forçage radiatif des espèces à vie
longue actuellement, le méthane joue un rôle important dans la question du changement climatique. Comme le CO2,
le méthane est au centre d'un système asservi où climat et cycle du gaz se répondent, mais le méthane présente de
nombreuses différences avec le CO2 : c'est le seul gaz à s'épurer chimiquement dans l'atmosphère, son pouvoir de
réchauffement global est plusieurs dizaines de fois supérieur à celui du CO2 - 20 à 60 selon l'horizon de temps
considéré - et ses émissions sont très liées à nos modes alimentaires, ce qui est beaucoup moins vrai pour le CO2.
Enfin de nombreuses spéculations sont apparues récemment sur diverses "bombes à retardement" que des stocks de
méthane actuellement non mobile pourraient représenter pour notre espèce.
Avec cette réunion-débat, nous allons essayer de mieux comprendre quelle a été l'importance du méthane
dans les changements passés, et quel rôle il pourrait jouer dans les changements futurs.
Compte rendu de la réunion-débat du 23 septembre 2009
Organisée par le groupe X-Environnement à l’ENGREF de 18h à 20h
Préparation et organisation : M. Jean-Marc Jancovici
Rédaction du micro-dossier : Mme. Elisabeth Huffer
SOMMAIRE
Page
I. Introduction et présentation
M. Jean-Marc JANCOVICI (X 81) Président du groupe X-Environnement
2
II. Le Comportement du méthane dans les changements climatiques passés
M. Jérôme CHAPPELLAZ, directeur de recherches au CNRS et directeur de l'équipe
"Climat" au Laboratoire de Glaciologie et de Géophysique de l'Environnement (Grenoble)
2
III. Débat animé par M. Jean-Marc JANCOVICI
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Le méthane et le changement climatique
Compte rendu de la réunion du 23 septembre 2009 2
I. Introduction et présentation par M. Jean-Marc Jancovici
Bonsoir à tous et merci d’être venus. Une première intervention devait décrire quelle est la part du méthane dans le
changement climatique en cours et éventuellement futur. Elle devait donner un certain nombre d’informations sur des
processus à effet de seuil un peu étonnants qui pourraient impliquer soit des réservoirs de méthane existants mais peu
mobiles comme les hydrates, soit carrément des stocks de carbone qui pourraient se transformer soit en méthane soit en
CO2, notamment dans les zones arctiques ; ce qui se passe dans les zones arctiques a fait l’objet de recherches récentes.
Ces sujets devaient être traités par Philippe Ciais, directeur de recherches au CEA (Laboratoire des Sciences du Climat et
de l'Environnement), auteur principal du dernier rapport du GIEC, qui est, pour l’instant, absent. Notre deuxième
intervenant, qui sera par conséquent le premier, est Jérôme Chappellaz, directeur de recherches au CNRS et directeur de
l'équipe "Climat" au Laboratoire de Glaciologie et de Géophysique de l'Environnement (Grenoble). Il fait partie de l’équipe
qui a analysé la carotte de Vostok, celle qui a donné lieu à la publication que certains d’entre vous connaissent
probablement, dans laquelle on a reconstitué sur 400 000 ans les cycles du CO2, du méthane, et de la température. Jérôme
devait nous parler notamment du rôle du méthane dans des variations climatiques passées, dont certaines semblent avoir été
relativement brusques, et de l’implication possible du méthane dans ces transitions. Nous allons prendre tous les risques,
nous allons intervertir les deux présentations prévues. Jérôme va faire un rappel succinct de ce que fait le méthane dans le
changement climatique, puis reprendra l’exposé qu’il avait prévu. On ne peut qu’espérer qu’entre temps, Philippe Ciais1
arrivera.
II. Le Comportement du méthane dans les changements climatiques passés par M.
Jérôme Chappellaz
Bonsoir, merci à tous, merci de m’avoir invité pour cette réunion-débat. C’est un grand honneur d’être devant vous
pour discuter de ce vaste sujet. Je suis sous le coup de la disparition de Jean-Marc Barnola qui nous a quittés ce 21
septembre. Il était un collègue de travail, un collègue avec qui je travaillais depuis 23 ans, avec qui j’ai produit beaucoup
des courbes que vous allez voir. Je voudrais faire cette présentation à sa mémoire.
Introduction sur le cycle actuel du méthane.
Nous le savons, le cycle du méthane est en déséquilibre du fait de l’activité humaine.
La contribution des sources naturelles et des sources anthropiques est figurée sur ces
2 camemberts. Aujourd’hui, 70% du méthane émis à la surface de la terre est
d’origine humaine avec essentiellement :
• l’exploitation du charbon et du gaz (le gaz naturel est à 80-90% du méthane) ;
• les décharges avec la décomposition de la matière organique ;
• deux sources d’origine agricole avec l’élevage des ruminants et la riziculture –
dans les deux cas, on a affaire à de la matière organique qui se décompose en
présence de bactéries archées, méthanogènes ;
• les feux de biomasse – quand on brûle de la biomasse en feu couvant à des
températures de quelques centaines de degrés, une partie du carbone se transforme
en méthane.
Les proportions du déséquilibre sont représentées
dans cette figure. J’ai indiqué en rouge les sources
d’origine humaine et en bleu les sources d’origine plutôt
naturelle. Les chiffres sont exprimés en téragrammes
(millions de tonnes) par an. Pour chacun des chiffres, il y a
des barres d’erreur assez grandes. Aujourd’hui encore, le
bilan du méthane est relativement mal connu. Si on prend,
par exemple, la source naturelle principale, que l’on
appelle les wetlands en anglais, c’est-à-dire les zones
marécageuses – nous avons tous entendu parler des feux
follets provenant du méthane qui brûle spontanément à la
surface des marais – on estime que ces marécages émettent
entre 90 et 230 millions de tonnes par an. La marge est
grande sur un bilan qui représente à peu près 500 Mt/an
toutes sources confondues. Les sources dominantes
d’origine humaine sont les ruminants et la culture du riz.
1 NdR – M. Philippe CIAIS ne viendra finalement pas, empêché pour une raison parfaitement indépendante
de sa volonté.

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Les estimations les plus récentes d’émissions par la culture du riz sont plus proches de 100 Tg/an que de 25 Tg/an. Les
sources se répartissent donc en une grosse contribution anthropique et une petite contribution naturelle.
Contrairement au gaz carbonique dans l’atmosphère, qui est réabsorbé par l’océan ou par la biosphère continentale,
le méthane est détruit chimiquement. Il est détruit dans l’atmosphère principalement
par oxydation avec le radical hydroxyle (OH-) produit par la décomposition de l’ozone
dans la troposphère. Cette réaction est assez lente mais suffisamment rapide pour
contribuer à peu près à 85% à la destruction du méthane dans l’atmosphère. Une autre
voie de destruction du méthane est son oxydation dans la stratosphère : la partie du
méthane qui survit à son passage dans la troposphère (les premiers 15 km) atteint la
stratosphère où il est oxydé. Enfin, quand les gaz atmosphériques passent dans des sols
bien aérés, le méthane est oxydé par des bactéries qui ne sont pas méthanogènes mais
méthanotrophes : leur métabolisme fonctionne sur le méthane.
Dans la figure ci-contre, la courbe du haut représente la
concentration moyenne globale du méthane dans l’atmosphère au cours
des années 1984 à 2007 – la moyenne de résultats de mesures sur une
cinquantaine de sites à travers le monde, avec un point par mois. On
constate que, dans les années 80, la concentration de méthane
augmentait de manière assez régulière avec un taux de croissance de
l’ordre de 10 à 15 ppbv/an - quand on parle du méthane, les échelles
sont en ppbv (en milliardièmes de l’atmosphère en volume) ; la
concentration actuelle se situe aux environs de 1800 ppbv. Au tournant
des années 90, on observe un ralentissement de cette croissance, et une
sorte de stabilisation dans les années 2000. Le taux de croissance a
même été négatif pendant l’année 2004. Puis, en 2007, surprise, le
méthane a recommencé à augmenter. D’après les données que j’ai pu
voir pour 2008, cette augmentation s’est poursuivie, à un taux qui n’a
pas atteint celui des années 1980 mais qui est tout de même substantiel,
voisin de 10 ppbv/an. On se pose beaucoup de questions – pourquoi le
méthane s’est-il stabilisé dans les années 2000 ? Pourquoi la hausse a-t-elle repris en 2007 ? Il y a un certain nombre
d’hypothèses sur lesquelles on pourra revenir lors du débat.
Je vais maintenant quitter l’actuel pour vous emmener dans le passé. L’intérêt pour nous de regarder dans le passé
est de comprendre les processus couplant le climat et le cycle du méthane en étudiant des variations climatiques d’ordre
naturel. Ceci doit nous permettre de comprendre les contre-réactions possibles. Si le changement climatique se met
effectivement en place et s’amplifie, est-ce qu’il y aura plus de méthane dans l’atmosphère par l’augmentation des sources
naturelles de méthane qui contribueraient à l’amplification du réchauffement ?
Résumé des enregistrements de CH4 à différentes échelles de temps.
On se focalise ici sur le quaternaire récent, c’est-à-dire le dernier million
d’années.
On utilise les bulles d’air emprisonnées dans la glace, celle-ci étant obtenue à
partir de forages faits en Antarctique ou au Groenland jusqu’à plusieurs milliers de
mètres de profondeur. Quand la glace se forme à la surface de l’Antarctique ou du
Groenland, elle piège un échantillon de l’atmosphère sous forme de petites bulles que
l’on retrouve ensuite en profondeur. Il s’agit pour nous de récupérer les carottes de
glace, d’extraire le contenu en gaz des bulles sans le contaminer ni le modifier, et
d’analyser ce contenu.
Ci-contre à gauche, une diapositive technique, pour expliquer un peu
comment on s’y prend. Sur les 2 photos, on voit l’instrumentation que l’on
utilise à Grenoble pour ces mesures de méthane. La première étape consiste à
extraire le gaz ; on peut le faire par fusion, par fusion-regel, par broyage solide,
ou par sublimation toujours sous vide. Ayant ainsi séparé la phase gaz et la
phase liquide, on peut procéder à l’analyse qui se fait en général par
chromatographie en phase gazeuse. Certains laboratoires utilisent des
spectromètres infrarouge et on peut également utiliser la spectrométrie de masse.
A Grenoble, nous utilisons la chromatographie en phase gazeuse. L’extraction
se fait par fusion-regel avec un système analytique qui nous permet de mesurer
une dizaine d’échantillons par jour.

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Voyons maintenant les résultats. Je remonte dans le temps, avec d’abord un zoom sur le dernier millénaire, couvrant
les années 900 à 2000. La courbe donne les points de mesure obtenus sur différents forages, aussi bien au Groenland qu’en
Antarctique. On voit très bien sur ces courbes la montée
anthropique qui a démarré à fin du 18ème siècle - début du
19ème siècle, avec une montée quasi exponentielle suivie de la
stabilisation que je vous ai montrée auparavant. La partie la
plus récente du graphe est intéressante, elle montre le
recoupement entre les mesures réalisées dans l’atmosphère (le
trait continu) et les échantillons d’air piégés dans la glace (les
points). Nos collègues australiens ont réussi à obtenir ces
points à partir d’un forage sur lequel la quantité de neige qui
s’accumule chaque année est très importante. Grâce à ces
conditions particulières d’accumulation, on est en mesure
d’échantillonner l’atmosphère récente : on peut mesurer de
l’air des années 1970-80 piégé dans la glace. On observe un
très bon recoupement avec les mesures atmosphériques, ce qui est une démonstration, au moins une, que ce qu’on mesure
dans la glace représente bien ce qui est présent dans l’atmosphère.
La courbe montre que le méthane était assez stable durant les derniers mille ans. On a des variations, faibles, de
l’ordre de 50 ppbv autour d’une valeur centrale de l’ordre de 700 ppbv. Cela situe l’impact de l’activité humaine : on est
parti de 700 ppbv pour monter à 1800 ppbv aujourd’hui.
Sur ce graphique, on observe également que la concentration observée dans les forages faits au Groenland est plus
importante que celle des forages en Antarctique. On a un « gradient interpolaire » que l’on quantifie à environ 40 ppbv
avant la période industrielle et à environ 140 ppbv aujourd’hui. C’est une valeur importante, qui nous permet de contraindre
la distribution latitudinale des sources de méthane. Le temps de résidence du méthane, c’est-à-dire le temps qu’il faut pour
que sa concentration diminue d’un facteur e, est de l’ordre de dix ans. Par ce temps de résidence qui n’est pas très long, il
peut y avoir des différences de concentration en fonction de l’endroit où on se situe à la surface du globe. Le fait qu’on
trouve au Groenland des concentrations plus élevées qu’en Antarctique tient à ce que les émissions de méthane sont
concentrées essentiellement dans l’hémisphère nord. Un gradient interpolaire à 140 ppbv aujourd’hui, à 40 ppbv en période
pré-industrielle, cela nous permet de situer l’importance des sources entre l’hémisphère nord et l’hémisphère sud.
Allons plus loin dans le temps, regardons l’Holocène, la période
chaude que l’on connaît depuis 11 000 ans. Sur la courbe du haut, on
voit l’enregistrement des forages au Groenland (GRIP) et en Antarctique
(Byrd et D47). Sur cette période chaude que l’on considère
classiquement comme relativement stable, on constate que le méthane
n’était pas stable. Il montre une structure de courbe en V, avec un
minimum centré autour de 5000 ans BP2. Cela représente une variation
d’environ 130 ppbv sur une échelle de temps, encore une fois, où on
considère que le climat est relativement stable.
On observe également une baisse de méthane de l’ordre de 80
ppbv d’une durée inférieure à 200 ans, qui se passe il y a exactement
8200 ans. Cette structure a été étudiée en détail. C’est une période que
l’on connaît maintenant relativement bien, c’est le dernier grand
refroidissement qu’a connu la terre. Un refroidissement que l’on pense
être lié à la décomposition de la calotte Laurentide qui recouvrait le
Canada. Elle créait une sorte de lac de barrage qui s’est soudain vidé
dans l’Atlantique Nord et a créé un fort refroidissement très brutal. A
cela le méthane a réagi avec une diminution de l’ordre de 80 ppbv.
Le graphique de la partie inférieure de la figure permet de
quantifier le gradient interpolaire. Les différences de concentration entre l’hémisphère nord et l’hémisphère sud au
voisinage des pôles varient avec des valeurs de l’ordre de 30 ppbv et 50 ppbv. Comme je l’ai dit, ces différences
permettent de discuter la distribution des sources de méthane.
Remontons encore plus loin dans le temps avec les derniers 60 000 ans. La courbe noire représente l’enregistrement
de la composition isotopique de la précipitation au Groenland qui est pour nous un marqueur de la température en surface.
L’évolution de la température en Antarctique est portée en gris, un peu plus fin. On constate que l’enregistrement de
température au Groenland est relativement stable quand on l’interprète directement avec la composition isotopique. Notons
que cela a été réinterprété tout récemment.
2 NdR – BP : Before Present

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Il y a à peu près 20 000 ans, on observe la transition climatique entre le dernier maximum glaciaire et l’optimum
climatique qui apparaît il y a 11 000 ans et, entre les deux, un refroidissement très important, que l’on nomme le Dryas
récent, du nom d’une fleur qui existait au Danemark à
cette époque là. En pénétrant dans la glaciation, on
observe un signal extrêmement chahuté avec des
événements climatiques que l’on considère rapides à
l’échelle de temps à laquelle on travaille. Ils sont
caractérisés par des réchauffements extrêmement
brutaux - certains d’entre eux se produisent en quelques
décennies – suivis d’un refroidissement lent puis, à la
toute fin de ces événements, un refroidissement
beaucoup plus rapide. Ce sont les événements de
« Dansgaard/Oeschger » du nom des deux chercheurs
qui les ont découverts au Groenland. Ces événements
climatiques très marqués au Groenland sont beaucoup
plus estompés en Antarctique.
La courbe bleue montre ce que fait le méthane
pendant ces événements climatiques, et pendant la
déglaciation. On observe que la concentration en méthane est beaucoup plus faible pendant la période glaciaire, de l’ordre
de 350 ppbv au lieu de 700 ppbv pendant l’optimum climatique. On a ainsi un doublement pendant la transition
glaciaire/interglaciaire. On observe également que le méthane suit de très près l’évolution de la température au Groenland
avec des augmentations tout à fait importantes avec chacun de ces événements climatiques Groenlandais. Ces
augmentations peuvent atteindre jusqu’à 200 ppbv. Ces changements du méthane
sont très rapides, des mesures à très haute résolution on permis de montrer qu’ils se
font en environ un siècle.
Sur ces mêmes enregistrements avec les mêmes échelles de temps, mais
inversées - le présent est à gauche et moins 50 000 ans à droite - (figure de droite) on
a la courbe de concentration du méthane mesurée au Groenland et en Antarctique. Là
encore, on peut observer le gradient interpolaire. En utilisant à la fois l’évolution de
la concentration en méthane et l’évolution du
gradient on peut contraindre la distribution
latitudinale des sources de méthane, de façon
très large, à ces échelles. Sur la figure de
gauche, on a porté en vert la source de méthane
en Tg/an qu’il faut mettre dans une boîte
typiquement tropicale, en bleu foncé la source
qu’il faut mettre dans une boîte boréale pour
rendre compte à la fois de l’évolution de la
concentration et de l’évolution du gradient. Ces
données nous montrent que c’est plutôt dans
les tropiques que cela se passe.
Quand on étudie l’évolution du méthane au cours du temps, il est important de regarder ce que l’on appelle la
relation de phase, c’est-à-dire à quelle vitesse le méthane augmente d’une part et, d’autre part à quel moment il augmente
par rapport à l’évolution de la température. Quand on analyse une carotte de
glace, on analyse le contenu des bulles pour connaître la composition de
l’atmosphère et on analyse la composition de la glace pour avoir le signal de
température. Or, ces deux signaux n’ont pas le même âge. La glace qui s’est
formée à 100m de profondeur en Antarctique est entourée de glace qui a l’âge
qu’il a fallu pour que les grains de neige s’enfouissent de la surface jusqu’à 100m
de profondeur. Par contre, le gaz piégé est à peu près contemporain. Cette
différence d’âge entre l’air et la glace qui l’entoure est très difficile à quantifier.
Pour le passé, on est obligé de s’appuyer sur un modèle de densification qui
comporte beaucoup d’incertitudes. Au Groenland, on a la chance d’avoir un
signal enregistré dans les bulles d’air qui représente directement la température de
surface. Il s’agit des rapports isotopiques des gaz permanents. On regarde le
rapport azote15/azote14 de l’azote moléculaire et le rapport argon40/argon36 de
l’argon constituant les bulles. Cette signature isotopique est affectée par la diffusion thermique en présence d’un gradient
de température. Prenons la situation d’un réchauffement brutal de la surface – la neige est froide, l’atmosphère se
réchauffe, on a deux milieux à une température différente. Les isotopes de l’air vont diffuser et se fractionner en fonction