Augmentation du CO₂ atmosphérique au cours des derniers siècles

Le dioxyde de carbone est mesuré dans l'atmosphère depuis une cinquantaine d'années. Un américain, C. Keeling, est le premier à avoir systématiquement mesuré ce gaz pour suivre son évolution, à Hawaii, dès les années 50. Mais déjà en 1896, S. Arrhenius, un scientifique suédois, observe que la pression partielle de ce gaz augmente dans l'atmosphère et que cette augmentation pourrait être à l'origine d'une hausse de la température du globe.

Pour remonter avant 1950, on mesure ce gaz dans les bulles d'air des calottes polaires. En effet, après son dépôt au sommet de la calotte, la neige se transforme en glace. Cette glace va piéger des bulles de gaz entre ses cristaux, et la mesure de la composition de ces bulles d'air témoigne de la composition de l'atmosphère libre au moment de l'isolement de ces bulles.

Figure 1. Concentration du CO₂ dans l'atmosphère en ppmv au cours du dernier millénaire.

Cette courbe a été construite grâce aux mesures directes dans l'atmosphère et aux enregistrements dans les glaces des calottes polaires.

Q1 : Comment expliquer l'augmentation du CO₂ atmosphérique ?

La pression partielle de CO₂ a pu être mesurée au Pôle Sud dans les bulles d'air des carottes de glace. En comparant les valeurs de CO₂ au Pôle Sud et à Hawaii (Mauna Loa), C.Keeling a constaté qu'il existait un gradient interhémisphérique.

Figure 2. Gradient interhémisphérique entre ces deux stations.

Q2 : Commentez la variation et le signe de ce gradient et proposez une explication.

Cette consommation de « carbone fossile » ou « fossil fuel » produit du dioxyde de carbone qui est injecté dans l'atmosphère. Durant la période 1860-1990 on estime que 230,02453 GtC ont été libérées dans l'atmosphère (estimations d'injection de carbone, en Gt de C par an, dans l'atmosphère par combustion des combustibles fossiles (pdf) ou (ods)).

Parallèlement, les modifications d'utilisation des sols et la déforestation ont également contribué à injecter du carbone dans l'atmosphère. Les estimations sont ici plus difficiles, mais sont estimées à 121,8475 GtC entre 1860 et 1990.

Q2 : Quelle serait l'augmentation du CO₂ atmosphérique en 1990 correspondant à l'injection du carbone fossile et du carbone provenant de la déforestation de 1860 à 1990 ?

Données : Masse molaire du carbone 12 g/mol, Volume molaire 22,4 l/mol ; Volume de la troposphère : rayon de la terre 6 400 km, hauteur de la troposphère : 7-8 km.

Q4 : Comparer cette valeur avec celle qui est mesurée dans l'atmosphère (voir première figure du TD). Comment expliquer la différence ?

Plusieurs méthodes ont été utilisées par les scientifiques pour séparer les puits biosphériques et océaniques pour la décennie 80.

a) Des modèles du cycle du carbone océanique (voir TD 2) peuvent donner une estimation du puits océanique. Une estimation de ce puits peut également être obtenue à partir de mesures de pCO₂ dissous dans les eaux de surface de l'océan et de mesures de l'intensité du vent. Une valeur moyenne du puits océanique pour la période 80-89 est estimée à 2 GtC/an (IPCC, 95).

Q5 : En utilisant cette valeur et celle qui sont vous sont données précédemment, proposez un bilan complet du carbone (source et puits) pour la période 80-89.

b) Pour déterminer les puits biosphérique et océanique sans utiliser de modèles, une autre méthode a été proposée (Keeling et al., 92, 96, Battle et al. 2000). Elle consiste à introduire une deuxième équation (la première étant celle du bilan de carbone, contenant deux inconnues, les puits océanique et biosphérique). Cette deuxième équation représente le bilan d'oxygène. On s'intéresse ici à la période 90-97.

Plusieurs hypothèses et données sont nécessaires pour traiter le problème :

Enfin, les mesures atmosphériques montrent pour la période considérée :

Q6 : Pour trouver les puits océanique et biosphérique moyen sur cette période, proposez :

Figure 3. Variations de la concentration en CO₂ atmosphérique à Point Barrow (Alaska) en ppmv.

Q7 : Comment expliquer les différentes variations que vous observez sur cette courbe ?

On vous donne ici les mesures de CO₂ atmosphérique (1, 2, 3) pour trois stations (A : Point Barrow (Alaska), B : Mauna Loa (Hawaii), en altitude., C : South Pole (Antarctique))

Figure 4. Variations de la concentration en CO₂ atmosphérique pour les trois station A, B et C.

Vert : station 1, Noir : station 2, Rouge : station 3.

Q8 : A vous de retrouver la courbe qui appartient à chaque station et d'expliquer les raisons de votre choix.

Figure 5. Variations saisonnières et à plus long terme du CO₂ en fonction de la latitude.

Cette figure est appelée « flying carpet » ou « tapis volant » par les scientifiques.

Q9 : Commentez les principales caractéristiques de la figure ci-dessus.

Vers la partie 1 du TD.

Vers la partie 2 du TD.