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Les variations atmosphériques du CO2 et de l'O2

Une démarche proposée par Ralph Keeling permet d'évaluer l'intensité des puits biosphérique et océanique...


 Mesure de concentration atmosphérique en CO2

Les mesures directes dans l'atmosphère ont débuté en 1958 à Mauna Loa (Charles Keeling). Elles ont montré clairement une augmentation importante de la concentration en CO2 passant en 1958 de 315 ppmv à 375 ppmv en 2003.


co2_9101.gif

Les variations sont clairement avec un cycle annuel. Les maxima se situent en mai et les minima en octobre. Ce cycle est lié au cycle annuel de la photosynthèse terrestre (belle saison de l' hémisphère nord) et de la respiration (saison froide de l' hémisphère Nord). Voir le démarche sur la photosynthèse étudiée au niveau globale.

 

L' augmentation pluriannuelle est d' une autre nature. Un ou plusieurs mécanismes apportent du CO2 dans le petit réservoir qu'est l'atmosphère.

 

Une augmentation des mécanismes de photosynthèse n'est pas envisageable car dans le cadre des échanges trophiques au sein d' un écosystème, une augmentation de la production primaire se traduit également par une augmentation des productions secondaires. Les mécanismes respiratoires et fermentaires devraient compenser l' augmentation de l' intensité de la photosynthèse.

 

Les sources envisageables sont la déforestation qui remplace l'écosystème forêt en un agrosystème . Cela se traduit par une baisse de la biomasse. Le carbone précédemment stockée dans cette biomasse se retrouve en partie dans l' atmosphère.

 

On peut également incriminé la combustion des carburants fossiles. Le carbone qui avait été retiré de l' atmosphère au moment de la mise à l' écart du cycle biologique de la biomasse à l' origine du charbon et du pétrole se retrouve par combustion dans l' atmosphère.Voir les arguments en faveur de l' origine anthropique du Carbone .

 
Reste enfin l' augmentation des mécanismes respiratoires et fermentaires suite à un réchauffement qui pourrait expliquer cette variation.
Les arguments sont difficiles à manier et la modélisation est une aide précieuse.

 

Mesure de concentration atmosphérique de l'O2

Les mesures directes dans l' atmosphère et continues ont débuté en 1991 à Mauna Loa (Ralph Keeling, fils de Charles Keeling).
Ces variations sont très faibles et étant donné la forte concentration du dioxygène dans l' atmosphère, mesurer de faibles variations relève de l'exploit technique. On mesure en fait un delta O2/N2 qui est le rapport du dioxygène (qui varie) par rapport au diazote (qui ne varie pas).
Les variations de concentration en O2 sont extrêmement faibles. Elles sont estimées par rapport à un standard. Comme pour les variations du d18O, elles sont exprimées par un d O2/N2

 d O2/N2 = [(O2/N2)échantillon/(O2/N2)standard -1]*106

 

 
Le résultat est exprimé en une nouvelle unité appelée "per meg". Dans ces unités, 1 / 0,2095 = 4,8 per meg est équivalent à une variation de 1 ppmv parce que l'air comporte 20,95 % d'O2 en volume. (Machta et Hughes, 1970).

 

o2_9103.gif

On observe une excellente corrélation négative avec les variations de CO2 avec les maxima en octobre et les minima en mai. On observe alors une baisse pluriannuelle significative.

 

Ces variations peuvent s' expliquer par la combustion des carburants fossiles .

 

Les quantités de carbone qui sont émises dans l' atmosphère par la combustion des carburants fossiles sont relativement bien estimées par les spécialistes (FF_global.xls).

 


Sachant que, en tenant compte de la nature des différents carburant utilisés, une mole de CO2 dégagé correspond à 1,4 moles d'O2 utilisé (Marland et all. 2002), il est possible de calculer les variations des concentrations en CO2 et du d O2/N2 sur la période 1991-2001.

 
Sur le même graphique, on peut représenter les variations mesurées à Mauna Loa.

 

o2n2gr2.gif

Les différences s' expliquent par l' existence de puits (Voir la démarche de modélisation).

 

Le CO2 étant un gaz très soluble dans l' eau , une partie s' est dissoute dans l'eau des océans (en 2001, la Concentration atmosphérique en CO2 réelle est inférieure à la concentration CO2 mesurée) sans modification du d O2/N2 car le dioxygène est un gaz peu soluble dans l' eau et les variations en cause sont extrêmement faibles par rapport à l'énorme quantité présente dans l' atmosphère.

 

Le CO2 a également été utilisé par les végétaux terrestres par photosynthèse (la concentration en CO2 réelle inférieure à la concentration CO2 mesurée) mais cela s' est traduit aussi par un dégagement de dioxygène ( le d O2/N2 mesuré supérieur au d O2/N2 calculé).

 
La mise en équation proposé par Ralph Keeling permet d' évaluer l' intensité de chacun des puits (système de deux équations à deux inconnues).

 o2n2gr5.gif

 

Ainsi, pour la période de 10 ans, sur les 64 Gt de C libérées par la combustion des carburants fossiles, 10,8 Gt de C ont été assimilées par les végétaux terrestres et 18,6 Gt de C se sont dissoutes dans les océans.

 

Bilan

 

L'analyse conjointe des variations des concentrations atmosphériques en CO2 et en O2 peuvent s' expliquer par la combustion des carburants fossiles associée à l' existence des puits. Un faisceau d' arguments va dans le même sens et un très large consensus existe parmi les experts du climat (GIEC). Les modèles actuels, de plus en plus complexes,ne remettent jamais en cause cette notion. Ils ne font que la préciser et tentent également de régionaliser les impacts de cette hausse.

 

 

 

Il est également intéressant de noter que l'on peut aujourd'hui mesurer la baisse de concentration en O2 consécutive à la remise en cicrculation  dans le cycle,  du carbone qui avait été immobilisé lors du stockage des roches carbonées .  Cette observation est à mettre en relation avec le phénomène inverse, c'est à dire l'accumulation de l'O2 dans l'atmosphère grâce au stockage du Carbone dans les roches carbonées. (Voir les cycles du Carbone et de l'Oxygène )