Variations spatiales des concentrations et des sources de CH4

À l’échelle de la planète, les sources de méthane, naturelles et anthropiques, sont multiples et disséminées. Pour essayer de les distinguer et de les quantifier, il est d’abord crucial de mesurer les teneurs atmosphériques en CH₄ à l’échelle régionale avec une résolution suffisante pour étudier la saisonnalité des flux. Cette tâche est réalisée grâce à un réseau mondial de plusieurs dizaines de stations situées du pôle Sud au Groenland.

Les enregistrements de pCH₄ montrent des augmentations similaires au cours des dernières décennies, mais avec une différence marquée entre les deux hémisphères. L’excès dans l’hémisphère nord (> 50 ppb) est lié au fait que les principales sources naturelles et anthropiques sont situées au nord. Le bilan des émissions dans l’hémisphère nord et de la dégradation du CH₄ dans l’atmosphère, notamment par les radicaux ·OH, montre que l’accumulation annuelle dans l’hémisphère nord est d’environ 275 Tg ce qui correspond au gradient interhémisphérique de pCH₄.

Les enregistrements des stations situées sur les continents montrent une variabilité de haute fréquence qui contraste avec les tendances régulières, pluriannuelles et saisonnières des stations proches de l’océan. Cette variabilité continentale suggère l’existence de puissantes sources de CH₄ liées à la biosphère terrestre et aux activités humaines.

Les variations du taux d’augmentation annuel (en ppb/an) montrent une tendance à la baisse depuis le milieu des années 1980 à laquelle se superposent des variations interannuelles marquées pour certaines années. Par exemple, l’étude des concentrations en CH₄ et autres gaz (CO₂, ¹³CO₂, CO, H₂) dans la zone ouest-Pacifique, montre que la nette augmentation observée en 1998-1999 est due à des feux de biomasse. Ceux-ci sont liés au phénomène El Niño qui entraîne une sécheresse sur les continents, notamment dans la zone intertropicale à l’ouest du Pacifique.

Depuis le début des années 2000, les mesures du CH₄ en stations sont complétées par une cartographie par les satellites, notamment ENVISAT avec son instrument SCIAMACHY (Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Chartography) qui a produit des données de 2003 à 2012. Ce spectromètre réalise une analyse passive du rayonnement solaire réfléchi, transmis et rétrodiffusé par l’atmosphère, ce qui permet la mesure globale des gaz atmosphériques à l’état de traces.

La cartographie SCIAMACHY des concentrations de CH₄ confirme l’excès de l’hémisphère nord où se trouvent la plupart des sources. Les maxima régionaux sont localisés au-dessus des zones humides naturelles ou cultivées (comme les rizières), des régions peuplées (en particulier celles avec de l’élevage), ainsi que des zones d’extraction d’hydrocarbures et de charbon. Les satellites détectent même les fuites de CH₄ liées à la fracturation hydraulique réalisée pour extraire les hydrocarbures et gaz de schiste.

La mesure de la composition isotopique du CH₄ atmosphérique permet de préciser l’identification des sources. À cause de multiples fractionnements cinétiques, le rapport ¹³C/¹²C peut varier de plus de 60 ‰ pour des méthanes d’origines variées, biogénique à thermogénique. La mesure des isotopes de l’hydrogène (rapport D/H) en parallèle au ¹³C/¹²C ajoute encore à la possibilité de discriminer les sources. On constate une forte saisonnalité du ¹³C/¹²C du CH₄ atmosphérique aux hautes latitudes de l’hémisphère nord. La baisse estivale du rapport ¹³C/¹²C traduit l’influence du CH₄issu de la dégradation microbienne des zones humides.

En outre, les réactions d’oxydation du CH₄ conduisent aussi à des fractionnements isotopiques : les molécules à isotopes légers sont oxydées préférentiellement, ce qui entraîne un enrichissement en isotopes lourds du méthane résiduel de l’atmosphère. Les valeurs de ¹³C/¹²C et de D/H dans l’hémisphère sud sont systématiquement plus élevées que celles de l’hémisphère nord. Ce gradient est lié au fait que les sources majoritaires sont dans l’hémisphère nord et que cet excès de CH₄ a moins le temps de réagir que le CH₄ de l’hémisphère sud. Après quelques débats récents sur le sujet, les enregistrements pour les deux dernières décennies ne montrent pas d’évolution marquée des gradients isotopiques entre les deux hémisphères, ce qui traduit une certaine stabilité temporelle des différentes sources de CH₄.

Pour étudier les échanges de méthane, il est utile de considérer sa teneur en ¹⁴C qui est un isotope radioactif avec une demi-vie de 5 700 ans. Pour un réservoir particulier du cycle du carbone, le rapport ¹⁴C/¹²C dépend de sa taille et de la vitesse des échanges avec l’atmosphère. Le méthane a le même rapport ¹⁴C/¹²C que la matière organique dont il est issu par dégradation bactérienne. Le CH₄ d’origine fossile est quant à lui dépourvu de ¹⁴C, cet isotope ayant disparu par radioactivité depuis la formation par photosynthèse des carbones fossiles, il y a des millions d’années.

Le carbone récent est affecté par deux perturbations anthropiques transitoires qui ont perturbé l’équilibre naturel du rapport ¹⁴C/¹²C du CO₂ atmosphérique : la combustion de fiouls fossiles qui dilue le ¹⁴C atmosphérique, et le ¹⁴C artificiel produit par les essais thermonucléaires atmosphériques des années 1960. Pour le CH₄ atmosphérique, il faut aussi tenir compte d’un flux anthropique de ¹⁴CH₄produit directement par les réacteurs nucléaires à eau pressurisée (REP).

Depuis la fin des années 1980, les mesures directes du rapport ¹⁴C/¹²C du CH₄atmosphérique montrent une augmentation continue liée à la superposition de ces différentes causes (notamment aux REP). Une modélisation numérique simplifiée du rapport ¹⁴C/¹²C atmosphérique moyen à l’échelle mondiale permet de simuler le cumul et la dégradation des différentes contributions en méthane (fossile, biogénique et thermogénique), ainsi qu’en ¹⁴CH₄ provenant des réacteurs nucléaires. Cette modélisation permet d’estimer à environ 20 à 30 % la fraction fossile du flux global de CH₄ vers l’atmosphère.