Contributions naturelles et anthropiques actuelles et passées

Un inventaire des émissions naturelles et anthropiques est compilé au niveau de chaque pays, le cumul permettant d’estimer les sources globales de méthane. La base de données EDGAR montre une augmentation d’environ 260 Tg de CH₄ en 1970 à environ 350 Tg en 2005. Cette tendance est associée à une modeste augmentation annuelle pour la période 1970-1992, à une stabilisation pendant la période 1993-2000, suivie d’une reprise de l’augmentation des émissions de méthane. Celles-ci sont dominées par l’agriculture, l’extraction de combustibles fossiles et le stockage des déchets. Après l’an 2000, la production mondiale de charbon a augmenté rapidement, ce qui explique le flux croissant de CH₄. En parallèle aux émissions anthropiques, il est aussi nécessaire de cartographier les zones humides naturelles (tourbières, marais, etc.) afin d’estimer leur production. Cette approche montante (bottom-up) d’agrégation des émissions de CH₄converge vers un flux global de CH₄ d’environ 550 Tg/an.

En parallèle, il est possible de calculer les flux de CH₄ en suivant une approche descendante (top-down) qui utilise des modèles numériques de transport et de chimie atmosphérique. Les entrées des modèles sont les observations des teneurs en CH₄ (et ¹³CH₄) ainsi que les inventaires d’émissions. Les entrées sont discrétisées en fonction du temps et de l’espace, et les modèles sont utilisés en mode inverse pour en déduire les champs de flux de CH₄ (en fait les affiner par rapport aux inventaires a priori).

Les cartes saisonnières des émissions de CH₄ permettent de localiser et de quantifier finement les sources comme les zones humides et les feux de savanes en Afrique, ou les régions d’agriculture et d’élevage en Asie. Les zones d’extraction du charbon sont aussi bien visibles au nord de la Chine ou en Afrique du Sud.

Les résultats de l’inversion des flux peuvent être considérés par bandes de latitudes. Depuis le milieu des années 1980, les calculs montrent que la variabilité interannuelle globale est expliquée essentiellement par des fluctuations en zone tropicale. Les variations ont été marquées par deux excursions majeures au début et à la fin des années 1990. Cette dernière est liée à l’événement El Niño extrême de 1998, pendant lequel une sécheresse a intensifié les feux de forêt en Asie engendrant un flux important de CH₄ pyrogénique.

L’anomalie de 1991-1992 est liée d’une part à l’éruption majeure du volcan Pinatubo en 1991 et d’autre part à l’effondrement de l’économie soviétique. L’éruption du Pinatubo permet d’étudier la complexité des phénomènes agissant sur la production et la destruction de CH₄. En effet, les aérosols volcaniques ont conduit à une diminution des UV et donc à une diminution de la production de radicaux ·OH, ce qui a limité la destruction du CH₄ par oxydation. Par ailleurs, le refroidissement estival lié au forçage climatique de l’éruption a induit une diminution des sources tropicales humides de CH₄.

Les calculs d’inversion des sources permettent de dresser un bilan temporel par processus. Les zones inondées sont à l’origine des plus fortes variations interannuelles des flux alors que les feux de biomasse y contribuent nettement moins. Les émissions anthropiques diminuent depuis le début des années 1990, ce qui a conduit à la baisse du taux de croissance atmosphérique pendant cette décennie. En plus de la chute de l’économie soviétique avec sa baisse de l’extraction des fiouls fossiles, plusieurs pays développés ont pris des mesures pour réduire les émissions liées au stockage des déchets. Au début des années 2000, les émissions anthropiques ont recommencé à augmenter, ce qui serait lié à la croissance chinoise associée à une intense production de charbon.

Une approche montante complémentaire provient de la simulation du méthane en modélisant explicitement les flux avec un modèle numérique représentant les processus du cycle du carbone. Ces flux modélisés sont ensuite utilisés comme entrées d’un modèle de transport et de chimie atmosphérique.

Les modèles dynamiques de végétation globale (DGVM) représentent la biosphère terrestre avec une dizaine de types fonctionnels de plantes (PFT). La biosphère est discrétisée sur les continents à l’échelle globale. Des lois empiriques, macroscopiques, paramétrisent les processus biologiques et physiologiques : par exemple la respiration des plantes en fonction de la température ou de l’humidité, les effets de la pCO₂ atmosphérique sur la productivité végétale…

Des modules numériques spécifiques traitent des processus de formation et de dégradation du CH₄. Les mécanismes locaux sont multiples et complexes depuis la dégradation de la matière organique des sols par les bactéries méthanogènes jusqu’à la diffusion du CH₄ gazeux vers l’atmosphère. Néanmoins, ces processus peuvent être approximés par des lois simples au niveau des écosystèmes : par exemple, la sensibilité à la température des flux de méthane suit globalement une loi d’Arrhenius. L’intercomparaison des simulations des flux de CH₄ par ces modèles fait encore apparaître de nombreux désaccords, notamment au niveau des zones humides. L’intérêt de ces modèles est aussi de permettre d’étudier leur réponse à des perturbations importantes de la température, de l’humidité et de la pCO₂.

La synthèse des approches montantes (bottom-up) et descendantes (top-down) permet de montrer la compatibilité des estimations, au niveau régional et pour les différents types de processus conduisant aux émissions de CH₄ : zones humides, combustion de biomasse, fiouls fossiles, agriculture, décharges…

Le bilan général pour la décennie 2000 fait état de sources naturelles d’environ 347 Tg/an et de sources anthropiques pour environ 315 Tg/an. L’estimation du « puits » atmosphérique de dégradation du CH₄ par les ·OH et d’autres mécanismes est d’environ 632 Tg/an, ce qui ne compense pas totalement les émissions annuelles (total de 662 Tg/an). Ce déséquilibre est à l’origine de l’augmentation de la teneur atmosphérique décrite précédemment.