Variations de la teneur en CO2 de l’atmosphère

La prévision d’éventuels changements du climat, induits par les activités humaines, passe par une connaissance approfondie du système climatique et des multiples interactions existant entre ses différentes composantes. Le climat et le cycle du carbone sont en particulier étroitement liés, la teneur en dioxyde de carbone (CO2) de l’atmosphère étant le témoin privilégié de cette connexion. En effet, la quantité de CO2 présent dans l’atmosphère reflète la dynamique des échanges de carbone avec les autres réservoirs : océans et continents. Rappelons que les archives polaires à l’origine de ce travail donnent accès à la composante atmosphérique du cycle du carbone. Il est donc essentiel de bien comprendre les interactions possibles entre les différents réservoirs pour interpréter les variations du CO2 atmosphérique mesurées dans les enregistrements glaciaires.

Depuis la révolution industrielle (vers 1850), les activités humaines consomment de plus en plus d’énergie. Celle-ci est majoritairement extraite des sous-sols de notre planète sous forme de gaz, de pétrole ou de charbon. La combustion de ces produits induit en particulier le rejet de dioxyde de carbone (CO2) vers l’atmosphère. Les mesures effectuées sur la teneur en CO2de l’atmosphère à partir des archives glaciaires portant sur le dernier millénaire, ont mis en évidence une grande stabilité de celle-ci: 280 ±10 ppmv (partie par million en volume) (Barnola et al., 1995, Etheridge et al., 1996). Elles ont également montré que les rejets anthropiques de CO2 ont fait passer la concentration de ce gaz dans l’atmosphère à 365 ppmv environ à l’heure actuelle en atmosphère non polluée. Cette augmentation est à mettre en parallèle avec les variations naturelles de la concentration de ce gaz lors des transitions glaciaire-interglaciaires, qui atteignent environ 100 ppmv en quelques milliers d’années. Ceci signifie que la modification anthropique de la composition de l’atmosphère en CO2 est équivalente en amplitude, mais 10 à 20 fois plus rapide que les changements naturels les plus importants. Le CO2 fait partie de la famille des gaz dits “à effet de serre” (comme la vapeur d’eau, le méthane (CH4) ou encore le protoxyde d’azote (N2O)), ce qui signifie que ces molécules possèdent la propriété de capter l’énergie émise par la surface de la Terre dans les grandes longueurs d’ondes (InfraRouge) et d’en restituer une partie en direction de la surface. L’effet de serre, majoritairement assuré par la vapeur d’eau, est essentiel à la vie puisqu’on peut montrer par le calcul que, sans lui, la température qui régnerait à la surface de la Terre serait en moyenne de –19° C au lieu des +15° C observés.

DESCRIPTION DU CYCLE DU CARBONE ACTUEL

Le carbone est l’une des molécules fondamentales à l’élaboration de la vie, combiné à d’autres atomes il existe également sur Terre sous forme inorganique. On rencontre en fait du carbone sous différentes formes dans tous les compartiments qui composent le système planétaire, à savoir, les sous-sols, l’atmosphère, les continents et les océans. Comme nous l’avons vu plus haut, la teneur de l’atmosphère en CO2 reflète la répartition du carbone au sein des différents réservoirs Etant donnée la stabilité de la teneur en CO2 de l’atmosphère avant la révolution industrielle (avant 1800), on considère que les échanges de carbone entre les différents réservoirs étaient, à cette époque, en équilibre dynamique. De nos jours, cet équilibre est perturbé par l’action de l’homme via l’utilisation massive des combustibles fossiles (pétrole, charbon, gaz naturel) et les modifications apportées aux écosystèmes continentaux (agriculture, déforestation). La situation actuelle est pourtant celle que l’on peut décrire avec le plus de précision même si l’évaluation des stocks et des flux de carbone est difficile et que par conséquent ces estimations sont encore entachées d’incertitudes. Nous nous appuierons ici principalement sur la description du cycle du carbone pour la décennie 1980-1989 basée sur les estimations des stocks et flux compilés par le “Intergovernmental Panel on Climatic Change” (IPCC dans la suite de ce chapitre) en 1995. Comme le montre le schéma suivant, les réservoirs de carbone sont de tailles très inhomogènes (données en giga tonnes (10⁹ t ou 10¹⁵ g) de carbone (GtC)) et les flux de carbone échangés entre deux réservoirs (exprimés en GtC/an) sont également très disparates.

L’ATMOSPHERE

Dans ce réservoir, le carbone est essentiellement présent sous forme de dioxyde de carbone (CO2) puisque seul 1 % du stock de carbone de l’atmosphère correspond aux autres gaz : le méthane (CH4) et autres hydrocarbures et le monoxyde de carbone (CO). Dans les budgets de carbone de l’atmosphère ces composés sont négligés (IPCC, 1995). Actuellement le CO2 représente environ 0.036 % du volume de l’atmosphère, c’est à dire une masse équivalente à 750 GtC. L’atmosphère ne constitue en fait pas un réservoir de carbone très important, par contre cette quantité augmente à cause de la combustion des énergies fossiles et de la production de ciment au rythme de 3.3 GtC/an sur la décennie 80. En fait, seulement 50 % environ des 7 GtC engendrées chaque année en moyenne par les activités humaines, s’accumulent dans l’atmosphère. Le reste est stocké par les écosystèmes continentaux ou dans l’océan. Au total, la quantité de carbone anthropique accumulée dans l’atmosphère se monte à environ 160 GtC, ce qui signifie que plus de 20 % du contenu en carbone de l’atmosphère est aujourd’hui une conséquence des activités humaines.

LES ECOSYSTEMES CONTINENTAUX

Au total, près de 2 200 GtC sont stockées sur les terres émergées, mais cette quantité est répartie entre deux sous réservoirs de tailles inégales. A la surface de la planète, la végétation constitue un réservoir d’environ 610 GtC, qui échange activement son carbone avec l’atmosphère (~60 GtC/an). Les 75 % de carbone continental restant (~ 1 600 GtC) sont présents dans les sols et l’humus. On peut calculer que le temps de renouvellement de ce carbone vis à vis de l’atmosphère est approximativement de 40 ans, c’est à dire que des modifications de la quantité mais aussi de la qualité de la biomasse végétale terrestre sont assez rapidement répercutées sur la teneur en CO2 de l’atmosphère. Les échanges de carbone entre ces deux réservoirs sont assurés par trois processus : la photosynthèse, la respiration et la biodégradation et ils sont régis par l’équilibre chimique suivant :
CO2 + H2O ⇄ CH2O + O2

La photosynthèse, prédominante en présence de radiations solaires, implique la consommation d’une molécule de CO2 pour le rejet d’une molécule d’oxygène et la synthèse d’une molécule de matière organique. Au contraire la respiration consomme de l’oxygène et rejette du gaz carbonique dans l’atmosphère. La matière organique stockée dans la plante est oxydée à la mort de cette derniè re, restituant ainsi du carbone à l’atmosphère. Il est difficile de quantifier l’impact de l’action humaine sur les interactions entre les écosystèmes continentaux et l’atmosphère, mais depuis la révolution industrielle les écosystèmes continentaux auraient perdu 120 GtC (Siegenthaler et Sarmiento, 1993). Plusieurs processus sont en fait en compétition : d’une part la déforestation qui tend à restituer du carbone à l’atmosphère et d’autre part l’augmentation anthropique du CO2 dans l’atmosphère qui peut avoir un effet stimulant sur la végétation (phénomène de fertilisation) et par là même augmenter le stockage du carbone dans ce réservoir. Ajoutons à cela le reboisement actuel de l’hémisphère Nord. Ces phénomènes ainsi que la fertilisation par l’azote (déposé directement par l’homme pour fertiliser les sols ou par l’intermédiaire de l’atmosphère en tant que résidu de combustion des fuels fossiles) ou encore les effets des changements climatiques sont difficiles à quantifier, mais il semble que le résultat net attribue aux écosystèmes continentaux un rôle de puits global pour les dernières décennies vis à vis du CO2 anthropique.

Le rapport de stage ou le pfe est un document d’analyse, de synthèse et d’évaluation de votre apprentissage, c’est pour cela chatpfe.com propose le téléchargement des modèles complet de projet de fin d’étude, rapport de stage, mémoire, pfe, thèse, pour connaître la méthodologie à avoir et savoir comment construire les parties d’un projet de fin d’étude.

Table des matières

CHAPITRE I:INTRODUCTION
I-1 CONTEXTE
I-2 DESCRIPTION DU CYCLE DU CARBONE ACTUEL
I-2.1 La lithosphère
I-2.2 L’atmosphère
I-2.3 Les écosystèmes continentaux
I-2.4 Les océans
I-3 PRESENTATION DE LA THESE
I-3.1 Objectifs
I-3.2 Organisation du document
CHAPITRE II: TECHNIQUES EXPERIMENTALES
II-1 QUELQUES NOTIONS DE CHROMATOGRAPHIE EN PHASE GAZEUSE
II-1.1 Principe
II-1.2 Les colonnes de séparation
II-1.3 Les détecteurs
II-1.3.1 Détecteur de conductibilité thermique (TCD)
II-1.3.2 Détecteur à ionisation de flamme (FID)
II-2 LA LIGNE D’ANALYSE
I.2.1 Ligne initiale
II-2.2 Modifications apportées
II-2.3) Caractéristiques techniques des composants et paramètres courants d’utilisation du chromatographe
II-3 SEQUENCE DE MESURE
II-3.1 Ligne d’extraction
II-3.2 Préparation des échantillons
II-3.3 Séquence de mesure
II-3.4 Présentation d’un chromatogramme caractéristique
II-4 DIFFERENTS TYPES D’ETALONNAGE
II-5 CONCLUSIONS
CHAPITRE III : LES ARCHIVES GLACIAIRES : VALIDITE DES ENREGISTREMENTS
III-1 PIEGEAGE DES GAZ DANS LA GLACE
III-1.1 Formation des bulles d’air
III-1.2 Différence d’âge air-glace
III-1.3 Altération du signal atmosphérique au cours du transport et du piégeage des gaz
III-1.4 Formation des clathrates
III-1.5 Conclusions
III-2 COMPARAISON DES ENREGISTREMENTS CO2 ANTARCTIQUE ET GROENLAND
III-3 MESURE DU RAPPORT O2/N2
III-3.1 Intérêt théorique de la mesure de O2/N2
III-3.2 Représentativité du rapport O2/N2 : l’Holocène
III-3.2.1 Description des échantillons utilisés
III-3.2.2 Profils obtenus par extraction sèche
III-3.2.3 Hypothèses sur la divergence des enregistrements dans la partie basse des profils
III-3.2.4 Mesures du rapport O2/N2 par micro-spectrométrie Raman
III-3.2.5 Evolution du δ(O2/N2) obtenu par fusion-regel
III-3.2.6 Mesure des variations du δ(O2/N2) dans l’air du névé
III-3.2.7 Conclusion sur la représentativité des mesures du rapport O2/N2
III-3.3 Mesures du δ(O2/N2) sur la période 420 000 – 150 000 ans BP
III-3.3.1 Comparaison des variations simultanées du CO2 et du δ(O2/N2). Extraction sèche
III-3.3.2 Mesure du δ(O2/N2) extrait par fusion-regel
III-3.4 Conclusions sur la mesure du δ(O2/N2) dans les glaces polaires, conséquences sur celle du CO2
CHAPITRE IV : QUATRE CYCLES CLIMATIQUES A VOSTOK
IV-1 HISTOIRE DU CLIMAT DE LA TERRE
IV-2 LE FORAGE DE VOSTOK
IV-2.1 Présentation
IV-2.2 Les différents paramètres et espèces mesurés le long de la carotte et leur signification climatologique
IV-2.3 Datation de la carotte
IV-3 LE CLIMAT EN ANTARCTIQUE AU COURS DES DERNIERS 420 000 ANS
IV-4 LES VARIATIONS DE LA TENEUR ATMOSPHERIQUE EN CO2 AU COURS DES 4 DERNIERS CYCLES CLIMATIQUES
IV-4.1 Description détaillée du profil de CO2
IV-4.1.1 Description des mesures
IV-4.1.2 Les variations du CO2
IV-4.2 Comparaison des données CO2 de Vostok avec d’autres données existantes
IV-4.2.1 Comparaison avec d’autres enregistrements sur le premier cycle climatique
IV-4.2.2 Comparaison avec une autre série de mesures pour les transitions climatiques II et III
IV-4.2.3 Conclusion
CONCLUSION