CO2 atmosphérique (1/3)

Influence de la latitude sur la concentration

par J.C. Maurin, professeur agrégé de physique

Les mesures en continu de la concentration du CO2 dans l’atmosphère démarrent en 1957 au pôle Sud, puis en 1958 à Mauna Loa. La concentration dans l’atmosphère est déduite par la différence d’absorption IR (infra-rouges) avec un étalon (précision ≈ ± 0,05%) [1]. L’agence américaine d’observation océan/atmosphère (NOAA/ESRL) dispose désormais de données de concentration issues de plus de 150 observatoires, dont quelques dizaines de séries presque complètes sur plusieurs décennies [2].

Grâce aux mesures satellitaires, on dispose également, depuis ≈ 1980, d’indicateurs globaux (RSS et UAH) [3] pour la « température » (température de brillance déduite de la luminance via satellite, précision < 0,1%). Ces observations modernes entre 1980 et 2020, vont permettre d’explorer les influences que peuvent avoir latitude et « température » sur le CO2 atmosphérique (concentration et vitesse de croissance).

Cet article comportera 3 parties :

– Avec les données de 13 observatoires, cette première partie 1/3 étudie prioritairement l’influence de la latitude sur la concentration notée [CO2].

– Avec les mêmes données, la deuxième partie 2/3 examinera principalement l’influence de la « température » sur la vitesse de croissance notée d[CO2]/dt.

– La dernière partie 3/3 discutera des interprétations possibles, puis traitera de l’influence des zones chaudes océaniques.

La concentration du CO2 dans l’atmosphère s’exprime en ppm = partie par million (1 ppm = 0,0001%), et on a la correspondance suivante avec l’ensemble de l’atmosphère : 1 ppm→ 7,8 1012 kg de CO2 = 7,8 Gt-CO2 → 2,1 1012 kg de carbone = 2,1 Gt-C.

Pour s’abstraire des influences saisonnières (exemple à Point Barrow) sur la concentration, on doit systématiquement utiliser des moyennes sur 12 mois. De même, les flux d’échange de carbone avec l’atmosphère seront exprimés en ppm/an ou Gt-C/an. Pour un observatoire qui effectue une dizaine de mesures de concentration par jour, la moyenne sur 12 mois concerne plusieurs milliers de mesures.

1. Différence de concentration Nord/Sud

1.1. La concentration décroît légèrement du Nord au Sud

 Le tableau ci-dessous rapporte, tous les 10 ans, la moyenne sur 12 mois, de la concentration [CO2] mesurée depuis 1980 dans 4 observatoires de référence .

Figure 1a : Concentrations et croissances sur 40 ans du CO2 atmosphérique dans 4 observatoires (NOAA GML ESRL). [4] A noter que l’observatoire de référence usuel = MLO = Mauna Loa représente imparfaitement les valeurs globales : sa concentration et sa croissance sur 40 ans sont supérieures à la moyenne des 4 observatoires.

En 2020, la concentration est maximale en Alaska (Point Barrow), alors qu’elle est ≈ 1,3% inférieure au pôle Sud.

Ce faible écart de 1,3 % correspond aussi à un décalage de l’ordre de 2 à 3 ans : on mesure ≈ 410 ppm (0,041%) au pôle Sud (SPO) en 2020, mais dès 2017, on observe ≈ 410 ppm à Point Barrow (PTB).

Figure 1b : Concentrations mesurées en 2020 dans les 4 observatoires de référence NOAA/ESRL.[4] Avec cette représentation, le très faible écart de concentration (≈ 1,3 % entre PTB et SPO) est à peine visible. Une autre représentation sera donc utilisée par la suite.

1.2. Les observatoires

Afin de disposer de données représentatives de l’ensemble du globe, on sélectionne 13 observatoires (disposant de données quasi complètes), répartis du Nord au Sud, et qui sont pour la plupart éloignés de l’influence humaine. [3]

Figure 2 : Localisation de 13 observatoires : sur fond jaune, les 4 observatoires de référence de la NOAA. Les couleurs sur la carte indiquent la température de surface océanique (moyenne 1955-2017 ).

Par rapport à la latitude ≈ 20°N, on note que le principal observatoire de référence (5, MLO) se situe dans un environnement océanique légèrement plus froid.

2. Profil concentration/latitude

2.1. Concentrations observées dans les 13 observatoires

Pour caractériser la différence (gradient) de concentration Nord/Sud, on exploite les données [CO2] [4] des 13 observatoires. Le gradient est influencé principalement par la latitude ; cependant afin de tester une éventuelle influence secondaire de la « température », on examine 3 séquences de 12 mois consécutifs → 3 années dissemblables pour la « température ».

Le tableau ci-dessous, à 2 entrées, rapporte la concentration moyenne sur 12 mois, lors des 3 séquences.

Figure 3 : Concentration du CO2 atmosphérique pour 13 observatoires, lors de 3 séquences de 12 mois. Anomalie UAH6 : année froide en bleu → 0,434 K; année normale en vert →0,07 K; année chaude en rouge → +0,320 K.  La dernière ligne donne la moyenne globale sur les 13 observatoires, lors de chacune des 3 séquences de 12 mois.

2.2. Profils de concentration

On trace le profil concentration/latitude, c’est-à-dire l’écart de concentration d’un observatoire particulier avec la moyenne globale sur les 13 observatoires, lors de la même séquence. Ce procédé revient à aligner les 3 profils et à zoomer sur la zone utile de la figure. On obtient ainsi 3 profils, correspondant à 3 années de la décennie 1990 : une année froide, une année chaude et une année normale.

Figure 4 : Écart (avec la moyenne sur 13 observatoires) de [CO2] atmosphérique selon la latitude.[4] En bleu : année froide ; en vert : année normale ; en rouge : année chaude (voir anomalie UAH LT). L’ordonnée 0 correspond à la moyenne globale (13 observatoires), lors de chacune des 3 années.

2.3. Remarques

  • Les 3 profils montrent une diminution irrégulière de la concentration du Nord au Sud.
  • La « température » exerce une influence secondaire modeste sur le profil concentration/latitude. La deuxième partie de l’article montrera que la « température » exerce en revanche une influence considérable sur la vitesse de croissance=d[CO2]/dt.
  • La concentration mesurée à Mauna Loa (5 MLO) est toujours supérieure à la concentration moyenne des 13 observatoires, lors des 3 séquences. Si l’on souhaite refléter la concentration moyenne globale, il semble donc préférable d’utiliser une moyenne des concentrations mesurées dans les 2 hémisphères : à minima dans 2 observatoires comme MLO et SMO.
  • A l’intérieur des cercles polaires Nord et Sud (zones en jaune fig.4), l’écart avec la moyenne reste quasi-constant ou décroît légèrement. Pour ces zones circumpolaires, il est possible que les échanges de carbone (biosphère/atmosphère et hydrosphère/atmosphère) soient réduits (faible biomasse, surfaces océan/land en partie couvertes de glace).
  • L’année chaude accentue l’écart avec la moyenne pour 5MLO, mais pour 2PTB, cet écart diminue. L’influence secondaire « température » est bien plus grande pour 3 MHD que pour 4 LJO.
  • On en déduit que [CO2] dans l’atmosphère n’est pas influencé de la même façon par la « température »selon les observatoires. Ce sont bien les conditions locales qui prévalent : avec un autre choix d’observatoires, le profil serait légèrement modifié, comme le montrera la troisième partie de l’article.

2.4. La zone océanique chaude West Pacific

Dans le profil concentration/latitude, l’observatoire 7 CHR (Christmas Island/ Kiribati) se singularise pour chacune des 3 séquences. Cet observatoire est situé en bordure de la vaste zone océanique chaude WPWP = West Pacific Warm Pool (voir ici).

En bordure de cette zone, il existe quelques données [CO2] fragmentaires (11 mois) pour l’observatoire malaisien de Danum Valley, et des données plus complètes pour l’Observatoire de Guam. [3]

Figure 5 : Concentrations (moyenne [CO2] de nov 2009 à sept 2010) pour MLO et 3 observatoires situés en limite de WPWP (SST selon NOAA).

Située plus au Sud que MLO (19,53°N), Danum Valley (4,98°N) présente pourtant une concentration plus élevée. La zone océanique WPWP est-elle le siège d’un important dégazage de CO2 ? Ce serait une interprétation possible des valeurs [CO2] mesurées à 7 CHR qui s’écartent du profil général concentration/latitude (voir aussi figure 4 ici). La troisième partie de l’article traitera spécifiquement de cette zone chaude océanique « West Pacific ».

3.  Eléments d’interprétation du gradient

Il serait théoriquement possible de justifier le faible (1,3 %) gradient Nord/Sud si l’on disposait des valeurs exactes de tous les flux de carbone entrant/sortant de l’atmosphère ainsi que de leur répartition entre hémisphères. Malheureusement, les flux principaux = flux naturels sont mal connus : le GIEC reconnaît une incertitude supérieure à 20 % (légende fig. 6.1 AR5 WG1). 

3.1. Facteurs de répartition entre hémisphères

La figure ci-dessous propose quelques ordres de grandeurs : répartition continent/océan (flux naturels) et densité de population (flux anthropique) [3]

Figure 6 : Deux facteurs de répartition inter-hémisphère (densités de population et surfaces Land/Océan) ; Estimation des flux de carbone selon figure 5.12 AR6.

3.2. Une estimation de répartition pour le flux anthropique

Le flux anthropique (émissions anthropiques ≈ 11 Gt-C/an) peut être approximativement réparti en fonction de la population dans chaque hémisphère, soit : 11*0,8/(7+0,8) = 1,13 Gt-C/an au Sud contre 11*7/(7+0,8) = 9,87 Gt-C/an au Nord. Il existerait donc un écart de 9,87 – 1,13 = +8,7 Gt-C /an en faveur du Nord, ce qui constituerait une des causes possibles du gradient Nord/Sud.

Remarque : 

Les émissions anthropiques totales croissent entre 1980 (≈ 6 Gt-C/an) et 2020 (≈ 11 Gt-C/an) : la hausse est de +80 % en 40 ans. Lors de ces 40 ans, l’écart relatif de concentration Nord/Sud (Fig.1) croît depuis 1 % (1980) vers 1,3 % (2020), soit +30 %, une hausse 2,5 fois moindre que les émissions anthropiques.

3.3. Une tentative de répartition pour l’un des flux naturels

Il est instructif de proposer une estimation pour le flux atmosphère vers océan : selon la fig 5.12 de l’ AR6, l’absorption océanique serait de -79,5 Gt-C /an. La répartition en fonction des surfaces océaniques donnerait alors :

  • Au Nord :   -79,5* 1,55 / (1,55+2,06) = -34,1 Gt-C/an
  • Au Sud :  -79,5 * 2,06 / (1,55 +2,06) = -45,4  Gt-C/an, soit un écart Nord/Sud = -45,4 –(-34,1) = -11,3 Gt-C/an.

3.4. Causes multiples du gradient Nord/Sud

Si un surcroît d’émission de CO2 au Nord constitue une des causes du gradient Nord /Sud, il faut noter qu’un surcroît d’absorption dans l’hémisphère Sud est aussi une cause possible.
Les écarts Nord/Sud des 2 estimations précédentes sont comparables : +8,7 Gt-C au Nord (flux anthropique) ; -11,2 Gt-C/an au Sud (absorption océanique). Il semble donc que les flux naturels puissent aussi contribuer au faible (1,3 %) gradient de concentration Nord/Sud.

La partie 2/3 de l’article traitera principalement de l’influence de la « température » sur la vitesse de croissance du CO2 atmosphérique. Cette influence, si elle était plus grande au Nord qu’au Sud, favoriserait un gradient de concentration.

REFERENCES

1. Mesure de concentration : méthodes, incertitudes
Présentation générale :     http://gml.noaa.gov/ccl/co2_calsystem.html

How we measure background CO2 levels on Mauna Loa :   ‌‌http://gml.noaa.gov/ccgg/about/co2_measurements.html.
Incertitude :      http://gml.noaa.gov/ccl/ccl_uncertainties.html
‌‌‌Calibration :      http://gml.noaa.gov/ccl/co2_calsystem.html
Estimating uncertainty WMO mole fraction scale CO: http://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2005JD006003
Moyennes globales selon NOAA :  https://gml.noaa.gov/ccgg/trends/global.html

2. Mesure de concentration : données mensuelles

NOAA/ESRL :              https://www.gml.noaa.gov/dv/data/index.php?parameter_name=Carbon%2BDioxide
Scripps CO2 program : https://scrippsco2.ucsd.edu/data/atmospheric_co2/sampling_stations.html
World Data Center Greenhouse Gases : https://gaw.kishou.go.jp/search

3. Compléments

Anomalie de température UAH : https://www.nsstc.uah.edu/data/msu/v6.0/tlt/uahncdc_lt_6.0.txt
Température moyenne océan :   https://svs.gsfc.nasa.gov/3652
Indice ENSO Multivarié :             https://psl.noaa.gov/enso/mei/
Emissions anthropiques :            https://www.icos-cp.eu/science-and-impact/global-carbon-budget/2020
Carte 2 hémisphères :                 https://www.worldatlas.com/r/w960-q80/upload/ce/d4/a0/artboard-2.png
Carte densité de population :      https://www.datagraver.com/case/world-population-distribution-by-latitude-and-longitude-2015
AR5 WG1 :  https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/02/WG1AR5_all_final.pdf AR6 WG1    https://www.ipcc.ch/report/ar6/wg1/downloads/report/IPCC_AR6_WGI_FullReport.pd

4. Le tableur « Treize observatoires.xls » rapporte les données d’observations utilisées dans l’article.

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