Méthane et changements paléoclimatiques

La synthèse des approches montantes et descendantes permet d’évaluer les flux au cours des trois décennies caractérisées par une stabilisation dans les années 1990 puis par une reprise de l’augmentation des teneurs en CH₄ durant les années 2000. L’explication la plus probable serait une diminution transitoire des émissions de CH₄ liée à une baisse relative de l’extraction et de l’utilisation de combustibles fossiles.

Les bulles d’air occluses dans les glaces polaires permettent de remonter au-delà de la période industrielle récente pendant laquelle la teneur atmosphérique de CH₄ a presque triplé. En comparaison, les variations de la période de l'Holocène (11 500 dernières années avant le présent [BP]) sont nettement plus faibles, quoique bien réelles et cohérentes entre les deux hémisphères. On observe une diminution d’environ 100 ppb de 11 000 à 6 000 ans BP suivie d’une croissance depuis environ 4 000 ans BP. Les teneurs en CH₄ des bulles d’air au Groenland sont un peu supérieures à celles mesurées pour l’Antarctique, ce qui indique des flux en provenance de la biosphère continentale.

Pour mieux comprendre la variabilité holocène, il est utile de considérer les variations du CH₄ à beaucoup plus long terme. Au cours du dernier million d’années, les teneurs atmosphériques présentent une cyclicité d’environ 20 000 ans. Les maxima de CH₄ correspondent à des épisodes de forte insolation aux latitudes subtropicales de l’hémisphère nord. La périodicité de ces phases est liée aux cycles de la précession des équinoxes.

La comparaison des teneurs en CH₄ pendant les différentes phases interglaciaires, fait apparaître une particularité de l’Holocène. C’est en effet, la seule période interglaciaire pendant laquelle les teneurs en CH₄ divergent notablement par rapport à un forçage astronomique d’insolation décroissante. En supposant que la teneur en CH₄ devrait suivre l’insolation, il est possible d’estimer le début de la divergence vers 5 000 ans BP et l’amplitude de l’anomalie à plus de 200 ppb avant la perturbation récente de l’ère industrielle.

Le paléoclimatologue Bill Ruddiman attribue cette singularité de l’Holocène à une influence anthropique préhistorique. C’est en effet pendant l’Holocène que les sociétés humaines néolithiques se sont développées en inventant l’agriculture et l’élevage dans plusieurs foyers au Proche-Orient, en Asie et en Amérique. Ces inventions ont ensuite diffusé à l’échelle du globe et les pratiques agricoles et pastorales ont été optimisées progressivement.

La culture du riz en Asie est probablement à l’origine de la divergence observée pour les teneurs de CH₄ vers 5 000 ans BP. Les premières cultures ont été réalisées sous la forme de riz « pluvial » cultivé en plein champ sans être immergé. Par la suite, les sociétés protohistoriques ont développé une riziculture inondée (où le niveau d’eau n’est pas contrôlé), puis une riziculture irriguée (où la présence d’eau et son niveau sont contrôlés par les cultivateurs). Cette révolution agricole et la croissance démographique associée sont responsables d’une méthanogénèse intense, comme l’illustre la cartographie actuelle de pCH₄ par les satellites.

Les données archéologiques et archéobotaniques permettent d’étudier la diffusion de la culture du riz à partir des foyers chinois et indien du milieu de l’Holocène. Des flux de CH₄ peuvent être estimés en faisant quelques hypothèses sur la démographie et les pratiques agricoles. Il y a un millénaire, les rizières asiatiques représentaient environ 35 % des surfaces cultivées d’aujourd’hui. Le flux de CH₄ correspondrait à environ 30 Tg/an, ce qui expliquerait environ 70 ppm de l’anomalie observée par rapport à l’évolution naturelle liée à la modulation cyclique de l’insolation.

En parallèle à la riziculture, d’autres pratiques agricoles néolithiques ont contribué à l’augmentation du méthane. Une part importante serait due à l’extension des brûlis pour défricher et fertiliser les sols. En outre, les populations néolithiques, de l’Afrique jusqu’en Asie, ont domestiqué plusieurs espèces de ruminants dont la production de CH₄ aurait participé depuis 7 000 ans BP à l’anomalie atmosphérique observée.

Pour la période historique des derniers 2 000 ans, les carottes de glace du Groenland et de l’Antarctique donnent accès à un enregistrement à haute résolution de la teneur en CH₄. La gamme de variations est relativement faible (< 100 ppb), avec une augmentation d’environ 50 ppb vers l’an 1000 et quelques baisses transitoires rapides (par exemple un peu après 1200 et un peu avant 1600 AD).

Pour localiser les sources de cette variabilité, il est utile de considérer les corrélations spatio-temporelles entre l’enregistrement de pCH₄ et les données paléoclimatiques spatialisées (températures, précipitations et index de sècheresse). Pour la période de 1300 à 1800 AD, on observe une correspondance entre la pCH₄ et l’index de sécheresse en Chine du Sud. En outre, certains minima de pCH₄ correspondraient à des événements socio-économiques, comme les invasions mongoles et manchoues qui ont perturbé transitoirement la production agricole chinoise.

Une technique complémentaire pour identifier les sources est de mesurer la composition isotopique du CH₄, notamment son rapport ¹³C/¹²C. La période historique se caractérise par des maxima du rapport ¹³C/¹²C centrés vers les années 200, 1000 et 1400 AD, puis d’une baisse marquée jusqu’à l’année 1800, suivie d’une montée rapide et continue jusqu’à présent.

Comme pour le CO₂ atmosphérique (voir cours des années précédentes), il est possible de procéder à une déconvolution des principales sources (feux de biomasses, CH₄ biogénique et fiouls fossiles) en utilisant un modèle de réservoir atmosphérique simulant le mélange et la dégradation du CH₄.

Les calculs montrent que des sources naturelles et anthropiques sont susceptibles d’avoir contribué aux changements de CH₄ et ¹³CH₄ observés avant la période industrielle récente. Les feux de biomasse auraient été à leur maximum pour les périodes autour des années 200, 1000 et 1500 AD. La diminution observée après l’an 200 serait liée à la baisse démographique qui a suivi les effondrements de l’Empire romain et de l’empire des Hans en Chine (avec une baisse notable des émissions liées au charbon de bois utilisé pour la métallurgie). Les variations pendant la période médiévale seraient liées aux conditions climatiques qui ont affecté la productivité des zones humides et les feux de forêts, ainsi qu’à des causes démographiques ayant entraîné une réduction des feux de biomasses et une augmentation des émissions de CH₄ par la riziculture et l’élevage.

Le monoxyde de carbone (CO) analysé dans les bulles d’air des glaces polaires est un traceur de combustion complémentaire. Son enregistrement pour la période historique confirme la baisse générale des feux de biomasse après le Moyen Âge. Un découplage entre CO et ¹³CH₄ après 1500 AD pourrait être lié à l’effondrement démographique des Amérindiens qui pratiquaient des feux de prairies systématiques.