![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/b1/CH4_mm.png/260px-CH4_mm.png)
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/b6/AtmosphericMethane.png/260px-AtmosphericMethane.png)
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/b5/Augmentation_mondiale_mensuelle_du_methane.png/220px-Augmentation_mondiale_mensuelle_du_methane.png)
Le méthane atmosphérique désigne la quantité de méthane présent dans l'atmosphère terrestre. C'est un indicateur environnemental important car le méthane est l'un des gaz à effet de serre les plus puissants. Comme le dioxyde de carbone, il est en hausse régulière depuis plusieurs décennies, passant de 722 ± 25 parties par milliard (ppb) à l'époque préindustrielle à 1 922,53 ± 0,62 ppb en 2023. Sa quantité dans l'air a été multipliée par 2,6 ; elle n'a jamais été aussi élevée depuis au moins 800 000 ans. Cette augmentation participe au changement climatique actuel. Elle est provoquée par diverses activités humaines, comme l'élevage du bétail, l'exploitation d'énergies fossiles et la riziculture, et elle est amplifiée par le réchauffement climatique d'origine anthropique.
Sa source naturelle principale est la méthanogenèse ayant lieu dans les zone humides. Son puits principal est la réaction avec les radicaux hydroxyles dans la troposphère.
Effets du méthane sur l'atmosphère
Méthane comme gaz à effet de serre
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Le méthane présent dans l'atmosphère terrestre est un puissant gaz à effet de serre dont le potentiel de réchauffement global (PRG) est 84 fois supérieur à celui du CO2 sur une période de 20 ans[2],[3]. C'est-à-dire que sur une période de 20 ans, il piège 84 fois plus de chaleur par unité de masse que le dioxyde de carbone (CO2) et 105 fois plus si l'on tient compte des interactions avec les aérosols[4].
Le méthane n'est pas un gaz aussi persistant dans l'atmosphère que le CO2 (en supposant que les taux de piégeage du carbone ne changent pas) et son PRG est d'environ 28 sur une période de 100 ans[5],[6],[7]. C'est-à-dire que sur une période de 100 ans, il piège 28 fois plus de chaleur par unité de masse que le CO2, en supposant que les taux de piégeage du carbone restent constants.
Le méthane a un effet important mais pendant une période relativement brève. La durée de vie moyenne d'une molécule de méthane dans l'atmosphère est estimée à 11,8 ans par la Environmental Protection Agency[8], et à 9,1 ans par le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC)[9]. La durée de vie moyenne des perturbations provoquée par une molécule de méthane dans l'atmosphère est elle estimée par le GIEC à 12,4 ans.
En plus de l'effet de chauffage direct et des rétroactions normales, le méthane se décompose en dioxyde de carbone et en eau. Cette eau est souvent au-dessus de la tropopause où peu d'eau arrive habituellement. Les nuages d'eau et de glace, lorsqu'ils se forment à des températures stratosphériques inférieures froides, sont extrêmement efficaces pour renforcer l'effet de serre atmosphérique. Il existe une possibilité que de fortes augmentations du méthane puissent conduire à un réchauffement, à venir, qui augmenterait de manière non linéaire avec la concentration de méthane[10].
En 2016, le méthane contribue au forçage radiatif de 0,62 ± 14 % W/m2[11], soit environ 20 % du forçage radiatif total de tous les gaz à effet de serre à longue durée de vie, mélangés au niveau mondial[3].
Effet sur la couche d'ozone
Le méthane pourrait aussi ralentir la résorption de la dégradation de la couche d'ozone. En effet, quand le méthane est oxydé dans la stratosphère, de l'eau y est produite[12]. Ce phénomène est responsable d'un tiers de l'augmentation en concentration en eau observée dans la couche d'ozone, le réchauffement climatique étant responsable du reste. L'eau est ensuite dégradée, relâchant des molécules pouvant détruire l'ozone[13].
La concentration du méthane dans la stratosphère a augmenté de 13,4 ± 3,6 entre 1978 et 2003[14].
Concentration de méthane dans l'atmosphère
Concentration actuelle
Selon la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), la concentration moyenne mondiale de méthane dans l'atmosphère en 2023 est de 1 922,53 ± 0,62 ppb[15]. Elle est plus élevée que la concentration enregistrée depuis 800 000 ans[16].
Tendances de la concentration au fil du temps
Tendances préhistoriques
Au début de l'histoire de la Terre, alors que le soleil est plus petit et moins chaud, le dioxyde de carbone et le méthane produisent un effet de serre : le dioxyde de carbone était produit par les volcans et le méthane par les premiers microbes quand apparaissaient les premières traces de vie sur terre[17]. Ces paléobactéries ajoutent à la concentration de méthane en convertissant l'hydrogène et le dioxyde de carbone en méthane et en eau. D'après cette chronologie, l'oxygène ne devient une partie essentielle de l'atmosphère terrestre qu'après l'évolution d'organismes photosynthétiques, plusieurs millions d'années plus tard. Sans oxygène, le méthane stagne dans l'atmosphère plus longtemps et à des concentrations plus élevées qu'aujourd'hui[18].
Tendances historiques
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Les cycles d'insolation du méthane de la carotte de glace sont restés stables et prévisibles jusqu'à il y a environ 5 000 ans, très probablement en raison d'un effet anthropique[19]. Ruddiman suggère que la transition des humains des chasseurs-cueilleurs vers l'agriculture a été le premier cas d'humains affectant la concentration de méthane dans l'atmosphère. L'hypothèse de Ruddiman est étayée par le fait que l'irrigation précoce du riz s'est produite il y a environ 5 000 ans, au même moment où les cycles des carottes de glace ont perdu leur prévisibilité. En raison de l'inefficacité des humains à apprendre d'abord à cultiver le riz, de vastes rizières auraient été nécessaires pour nourrir même une petite population. Celles-ci, inondées et remplies de mauvaises herbes, auraient abouti à d'énormes zones humides émettant du méthane[19].
Depuis les années 1800, les concentrations atmosphériques de méthane ont augmenté annuellement à un taux moyen d'environ 0,9 %[20]. La concentration moyenne mondiale de méthane dans l'atmosphère terrestre a augmenté d'environ 150 %, passant de 722 ± 25 ppb en 1750 à 1 803,1 ± 0,6 ppb en 2011[21],[22].
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Les mesures atmosphériques à long terme du méthane par la NOAA montrent que l'accumulation de méthane atmosphérique s'est stabilisée au cours de la décennie 1995-2005, après avoir presque triplé depuis l'époque préindustrielle[23]. Bien que les scientifiques n'aient pas encore déterminé ce qui a causé cette réduction du taux d'accumulation de méthane atmosphérique, il semble que cela pourrait être dû à la réduction des émissions industrielles et à la sécheresse dans les zones humides.
Des exceptions à cette baisse du taux de croissance se sont produites en 1991 et 1998 lorsque les taux de croissance ont soudainement augmenté à 14-15 nmol/mol par an pour ces années, presque le double des taux de croissance des années précédentes[24].
Le pic de 1991 serait dû à l'éruption volcanique du mont Pinatubo en juin de la même année. Les volcans affectent les émissions atmosphériques de méthane lorsqu'ils entrent en éruption, libérant des cendres et du dioxyde de soufre dans l'air. En conséquence, la photochimie des plantes est affectée et l'élimination du méthane via le radical hydroxyle troposphérique est réduite. Cependant, ce taux de croissance a rapidement chuté en raison de la baisse des températures et de la réduction mondiale des précipitations.
La cause du pic de 1998 n'est pas intégralement comprise, mais les scientifiques l'attribuent actuellement à une combinaison d'émissions accrues depuis des zones humides et rizières d'une part, ainsi qu'à une quantité accrue de combustion de la biomasse d'autre part. 1998 fut également l'année la plus chaude depuis le début de l'enregistrement des températures de surface, ce qui suggère que des températures anormalement élevées peuvent induire une émission naturelle plus élevée de méthane[25].
Entre 2000 et 2006, les concentrations de méthane atmosphérique ont cessé d'augmenter[26].
De 2007 à 2009, les niveaux de méthane ont recommencé à augmenter. Après une décennie de croissance quasi nulle des niveaux de méthane, « la moyenne mondiale du méthane atmosphérique a augmenté d'environ 7 nmol/mol par an en 2007 et 2008. Au cours de la première moitié de 2009, la moyenne mondiale du CH4 atmosphérique était [approximativement] 7 nmol/mol supérieure à ce qu'elle était en 2008, suggérant que l'augmentation se poursuivra en 2009 »[27].
De 2015 à 2019, des hausses plus fortes des niveaux de méthane atmosphérique sont enregistrées[28].
Selon la NOAA, la concentration de méthane dans l'atmosphère a continué d'augmenter pour atteindre une concentration moyenne mondiale de 1 895,1 ± 0,6 ppb en 2021[15].
Les niveaux d'émissions de méthane varient considérablement en fonction de la géographie locale. Pour les sources naturelles et anthropiques, des températures plus élevées et des niveaux d'eau plus élevés entraînent l'environnement anaérobie nécessaire à la production de méthane.
Cycles naturels du méthane
Les émissions de méthane dans l'atmosphère sont directement liées à la température et à l'humidité. Ainsi, les changements environnementaux naturels des changements saisonniers agissent comme un contrôle majeur des émissions de méthane. De plus, même les changements de température pendant la journée peuvent affecter la quantité de méthane produite et consommée.
Par exemple, les usines qui produisent du méthane peuvent émettre jusqu'à deux à quatre fois plus de méthane pendant la journée que de nuit[20]. Ceci est directement lié au fait que les plantes ont tendance à dépendre de l'énergie solaire pour mettre en œuvre leurs processus chimiques complexes.
De plus, les émissions de méthane sont affectées par le niveau des sources d'eau. Les inondations saisonnières au printemps et en été augmentent naturellement la quantité de méthane rejetée dans l'air.
Variations des concentrations
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Les concentrations de méthane varient géographiquement. Elles sont plus élevées dans l'hémisphère nord, car la plupart des sources (naturelles et humaines) y sont situées, et l'hémisphère nord contient plus de terres émergées[29].
Les concentrations de méthane varient aussi en fonction de la saison, principalement en raison de sa transformation saisonnière par le radical hydroxyle. Dans le tropique du Cancer, la concentration est maximale en novembre et minimale et avril-mai[30].
Émissions et puits de méthane
Émissions naturelles
Tout processus qui aboutit à la production de méthane et à son rejet dans l'atmosphère peut être considéré comme une source. Les deux principaux processus responsables de la production de méthane sont les microorganismes anaérobies qui convertissent des composés organiques en méthane (méthanogénèse), très répandus dans les écosystèmes aquatiques, et les ruminants.
Méthanogenèse
La plupart des émissions naturelles de méthane sont directement liées aux méthanogènes qui produisent du méthane dans des sols chauds et humides ainsi que dans le tube digestif de certains animaux.
Les méthanogènes sont des microorganismes produisant du méthane. Afin de produire cette énergie, ils utilisent un processus anaérobie appelé méthanogénèse. Ce processus est utilisé en lieu et place de processus aérobies — c'est à dire avec oxygène — car les méthanogènes sont incapables de métaboliser en présence de concentrations d'oxygène, même faibles.
La méthanogenèse, désignant la production de méthane, se produit principalement dans des conditions anaérobies en raison du manque de disponibilité d'autres oxydants. Dans ces conditions, des archées utilisent l'acétate et l'hydrogène pour décomposer les ressources essentielles dans un processus appelé fermentation.
Il existe deux métabolismes utilisés par les archées résultant en la production de méthane :
- la méthanogenèse acétoclastique, lors de laquelle certaines archées divisent l'acétate produit pendant la fermentation anaérobie pour produire du méthane et du dioxyde de carbone :
- H3C-COOH → CH4 + CO2
- la méthanogenèse hydrogénotrophique, lors de laquelle les archées oxydent l'hydrogène avec du dioxyde de carbone pour produire du méthane et de l'eau :
- 4 H2 + CO2 → CH4 + 2 H2 O
Alors que la méthanogenèse acétoclastique et la méthanogenèse hydrogénotrophique sont les deux principales réactions source de méthane atmosphérique, d'autres réactions mineures de source biologique de méthane se produisent également. Par exemple, la cire foliaire exposée à un rayonnement UV en présence d'oxygène est une source aérobie de méthane[31].
Termites
Les termites contiennent également des microorganismes méthanogènes dans leur intestin. Cependant, certains de ces micro-organismes sont si spécifiques qu'ils ne vivent nulle part ailleurs que dans le troisième intestin des termites. Ces micro-organismes décomposent également les composants biotiques pour produire de l'éthanol, ainsi que des sous-produits du méthane.
Cependant, contrairement aux ruminants qui perdent 20 % de l'énergie des plantes qu'ils mangent, les termites ne perdent que 2 % de leur énergie dans ce processus[32]. Ainsi comparativement, les termites n'ont pas à manger autant de nourriture que les ruminants pour obtenir la même quantité d'énergie, et dégagent proportionnellement bien moins de méthane.
Végétaux
Les plantes vivantes (par exemple les forêts) sont une source potentiellement importante de méthane, pouvant être responsables d'environ 10 à 30 % du méthane atmosphérique[24]. Un article de 2006 a calculé des émissions de 62 à 236 Tg/an, et « cette source nouvellement identifiée peut avoir des implications importantes[33],[34] ». Cependant, les auteurs soulignent que « [leurs] conclusions sont préliminaires en ce qui concerne la quantité d'émission de méthane »[35].
Ces résultats ont été remis en question dans un article de 2007 qui a révélé « qu'il n'y a aucune preuve d'émission substantielle de méthane aérobie par les plantes terrestres, au maximum 0,3 % des valeurs précédemment publiées »[36].
Bien que les détails des émissions de méthane des plantes n'aient pas encore été confirmés, la prise en compte du rôle des plantes aiderait à combler les lacunes des précédents décomptes mondiaux de méthane et expliquerait les grands panaches de méthane qui ont été observés au-dessus des tropiques[24],[37].
Dans les zones humides, où le taux de production de méthane est élevé, les plantes aident le méthane à se déplacer dans l'atmosphère, agissant comme des paratonnerres inversés en dirigeant le gaz à travers le sol et dans l'air. Ils sont également soupçonnés de produire eux-mêmes du méthane, mais comme les plantes devraient utiliser des conditions aérobies pour produire du méthane, le processus lui-même n'est toujours pas clairement identifié[38].
Clathrates de méthane
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À des pressions élevées, comme celles que l'on trouve au fond de l'océan, le méthane forme un clathrate solide avec l'eau, connu sous le nom d'hydrate de méthane. Une quantité inconnue mais peut-être très importante de méthane est piégée sous cette forme dans les sédiments océaniques. La libération de grands volumes de méthane de ces sédiments dans l'atmosphère est suggérée comme participant probablement à des événements occasionnels de réchauffement climatique rapide dans le passé lointain de la Terre, tels que le maximum thermique Paléocène-Éocène d'il y a 55 millions d'années[39], et la grande extinction du Permien-Trias[40].
Les théories suggèrent que si le réchauffement climatique les chauffait suffisamment, tout ce méthane pourrait à nouveau être libéré dans l'atmosphère. Étant donné que le gaz méthane est vingt-cinq fois plus fort (pour un poids donné, en moyenne sur 100 ans) que le CO2 comme gaz à effet de serre ; cela amplifierait grandement l'effet de serre. Cependant, la majeure partie de ce réservoir d'hydrates semble isolée des changements du climat de surface, de sorte qu'une telle libération est susceptible de se produire sur des échelles de temps géologiques d'un millénaire ou plus[41].
Écosystèmes aquatiques
Les émissions de méthane naturelles et anthropiques des écosystèmes aquatiques contribuent à environ la moitié des émissions mondiales totales[42]. L'urbanisation et l'eutrophisation devraient entraîner une augmentation des émissions de méthane des écosystèmes aquatiques[42].
Pergélisol
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Le pergélisol contient presque deux fois plus de carbone que l'atmosphère[43], avec environ 20 Gt de méthane associé au pergélisol piégé dans des clathrates de méthane[44].
Le dégel du pergélisol entraîne la formation de lacs thermokarstiques dans les dépôts de yedoma riches en glace[45]. Le méthane gelé dans le pergélisol est lentement libéré à mesure que le pergélisol fond.
La datation au radiocarbone des traces de méthane dans les bulles des lacs et le carbone organique du sol conclu que 0,2 à 2,5 Pg de carbone du pergélisol ont été libérés sous forme de méthane et de dioxyde de carbone au cours des 60 dernières années[46]. La vague de chaleur de 2020 a peut-être libéré une quantité importante de méthane provenant des dépôts de carbonate dans le pergélisol sibérien[47].
Les émissions de méthane par la « rétroaction du carbone du pergélisol » — amplification du réchauffement de surface due au forçage radiatif accru par la libération de carbone du pergélisol — pourraient contribuer à environ 205 Gt d'émissions de carbone, conduisant à 0,5 °C de réchauffement supplémentaire d'ici la fin du XXIe siècle[48]. Cependant, des recherches fondées sur la composition isotopique du carbone du méthane atmosphérique piégé dans des bulles dans la glace antarctique suggèrent que les émissions de méthane du pergélisol et des hydrates de méthane étaient mineures lors de la dernière déglaciation, ce qui suggère que les émissions futures de méthane du pergélisol pourraient être inférieures aux estimations précédentes[49].
Émissions anthropiques
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Entre 50 et 65 % des émissions totales de méthane sont dus à l'activité humaine[16]. Depuis la révolution industrielle, les humains ont eu un impact majeur sur les concentrations de méthane atmosphérique, augmentant les concentrations atmosphériques d'environ 250 %[51].
Selon le rapport 2021 du GIEC, 30 à 50 % de l'augmentation actuelle des températures sont causées par les émissions de méthane[52] et la réduction du méthane est un moyen rapide d'atténuer le changement climatique[53].
Une alliance de 107 pays, dont le Brésil, l'UE et les États-Unis, a rejoint le pacte connu sous le nom de Global Methane Pledge, s'engageant à un objectif collectif de réduction des émissions mondiales de méthane d'au moins 30 % par rapport aux niveaux de 2020 d'ici 2030[54],[55].
Conversion écologique
La conversion des forêts et des milieux naturels en parcelles agricoles augmente la quantité d'azote dans le sol, ce qui inhibe l'oxydation du méthane, affaiblissant la capacité des bactéries méthanotrophes du sol à agir comme des puits[56]. De plus, en modifiant le niveau des nappes phréatiques, les humains peuvent affecter directement la capacité du sol à agir comme source ou puits. La relation entre les niveaux d'une nappe phréatique et les émissions de méthane est expliquée dans la section sur les sources naturelles.
Élevage
La décomposition de plantes par des bactéries dans le système digestifs de ruminants produit du méthane. Ce processus s'appelle la fermentation entérique. Selon l'Organisation des Nations unies pour l'alimentation et l'agriculture (FAO), la fermentation entérique est responsable de 30 % des émissions de méthane anthropogéniques[57]. Le bétail est responsables de 75 % des émissions de méthane liées à la fermentation entérique[58].
La digestion anaérobique du fumier est responsable de 4,5 % des émissions de méthane anthropogéniques.
Un rapport de la FAO signale en 2006 que le bétail génère plus de gaz à effet de serre mesurés en équivalents CO2 que l'ensemble du secteur des transports[réf. nécessaire].
Des recherches mises en avant par la NASA ont confirmé le rôle vital de la fermentation entérique chez le bétail sur le réchauffement climatique. « Nous prenons en compte que d'autres gaz à effet de serre que le dioxyde de carbone sont importants pour le changement climatique aujourd'hui », a déclaré Gavin Schmidt, l'auteur principal de l'étude et chercheur au Goddard Institute for Space Studies à New York et au Center for Climate Systems de l'université Columbia[59]. D'autres recherches de la NASA évaluées par des pairs et publiées dans la revue Science ont également indiqué que la contribution du méthane au réchauffement climatique a été sous-estimée[60].
Nicholas Stern, l'auteur de la publication Stern de 2006 sur le changement climatique écrit que « les gens devront devenir végétariens si le monde veut vaincre le changement climatique[61] ».
Le président de l'Académie nationale des sciences, Ralph Cicerone, indique par ailleurs que la contribution du méthane par les flatulences et les éructations du bétail au réchauffement climatique est un « sujet sérieux ». Cicerone déclare : « Le méthane est actuellement le deuxième gaz à effet de serre le plus important dans l'atmosphère. La population de bovins de boucherie et de vaches laitières a tellement augmenté que le méthane des vaches est désormais important. Ce n'est pas une mince affaire[62] ».
Environ 5 % du méthane est libéré via les flatulences, tandis que les 95 % restants sont libérés via l'éructation. En 2004, des vaccins sont en cours de développement pour réduire la quantité introduite par l'éructation[63]. L'algue asparagopsis en tant qu'additif alimentaire pour le bétail a réduit les émissions de méthane de plus de 80 %[64].
Riziculture
Selon la FAO, la riziculture est responsable de 8 % des émissions de méthane anthropogénique. Les rizières étant des zones inondées, le sol y est plongé en conditions anaérobiques. Le carbone organique provenant des racines ou de la paille de riz est fermenté et produit du méthane. Le méthane contenu dans le sol est ensuite transporté par l'aérenchyme du riz pour atteindre l'atmosphère[57].
Un article écrit par William Ruddiman explore la possibilité que les émissions de méthane ont commencé à augmenter en raison d'une vague de sédentarisation il y a 5 000 ans, lorsque l'agriculture devient, avec l'irrigation du riz en particulier, la principale source de nourriture[19].
Traitement des déchets
Le traitement des déchets peut être la source de méthane atmosphérique. Aux États-Unis, en 2020, ce secteur émettait 130 millions de tonnes d'équivalent CO2 en méthane[8].
Décharges
Aux États-Unis, en 2020, les décharges émettent 109,3 millions de tonnes d'équivalent CO2 en méthane, soit 16,8 % des émissions anthropogéniques de méthane du pays. Il s'agit du troisième secteur le plus émetteur de méthane[8].
Lorsque les déchets sont d'abord ajoutés à une décharge, l'oxygène est abondant et subit donc une décomposition aérobie ; période pendant laquelle très peu de méthane est produit. Cependant, généralement sous un an, les niveaux d'oxygène sont épuisés et les conditions anaérobies dominent la décharge, permettant aux méthanogènes de prendre le contrôle du processus de décomposition. Ces méthanogènes émettent du méthane dans l'atmosphère et même après le remplissage et la fermeture de la décharge, la quantité massive de matières en décomposition permet aux méthanogènes de continuer à produire du méthane pendant de nombreuses années[65].
Traitement des eaux usées
En 2020, aux États-Unis, le traitement des eaux usées est responsable de 18,3 millions de tonnes d'équivalent CO2 en méthane[8].
Ces systèmes utilisent des microorganismes pour dégrader les matières organiques présentes dans l'eau. Lorsque cette dégradation se fait en condition anaérobique, elle produit du méthane. Les systèmes d'égouts sont aussi favorables à la formation de méthane[8].
Compostage
En 2020, aux États-Unis, le compostage est responsable de 4,3 millions de tonnes d'équivalent CO2 en méthane[8].
Le compostage se fait normalement dans des conditions aérobies, dans lesquelles le carbone organique est transformé en CO2. Cependant, si le compost n'est pas suffisamment aéré, ou qu'il est trop humide, le carbone organique est dégradé en méthane[8].
Digestion anaérobique
La digestion anaérobique des déchets organique est parfois utilisée pour produire du biogaz. Ce gaz contient 65 % de méthane. Entre 0 et 10 % du gaz se retrouve dans l'atmosphère à cause de fuites.
Combustion de la biomasse
La combustion incomplète des matières organiques vivantes et mortes entraîne l'émission de méthane. Alors que les incendies de forêt naturels peuvent contribuer aux émissions de méthane, la majeure partie de la combustion de la biomasse est causée par les humains, des feux accidentels par des civils aux brûlis utilisées pour nettoyer les terres, jusqu'aux combustions de la biomasse résultant de la destruction de déchets[37].
Énergie
En 2020, aux États-Unis, le secteur de l'énergie émet 269,1 millions de tonnes d'équivalent CO2 en méthane[8].
Selon le GIEC, 30 % des émissions totales de méthane proviennent du secteur des énergies fossiles[16].
Gaz fossile et pétrole
Le méthane est un composant principal du gaz fossile[66]. Lors de l'exploration, l'extraction, le transport et le raffinage du gaz fossile, du méthane s'échappe et arrive dans l'atmosphère. En 2020, aux États-Unis, ces fuites représentent 164,9 millions de tonnes d'équivalent CO2 en méthane, dont 86,4 millions de tonnes d'équivalent CO2 en méthane lors de la production[8].
Par exemple, les pipelines qui transportent le gaz fossile sont sujets à des fuites. Près de Yamburg et Urengoy se trouvent des gisements de gaz fossile composé de plus de 97 % de méthane[67]. Le gaz qui en est extrait est transporté jusqu'à l'Europe occidentale via un vaste réseau de gazoduc. En 2001, 1 % du gaz fossile produit était émit dans l'atmosphère[67]. En 2005, c'est 0,7 % du gaz fossile qui est émis dans l'atmosphère[67].
En 2020, aux États-Unis, les fuites liées à l'exploration, l'extraction, le transport et le raffinage du pétrole représentent 40,2 millions de tonnes d'équivalent CO2 en méthane, dont 38,9 millions de tonnes d'équivalent CO2 en méthane lors de la production[8].
Les puits de pétrole et de gaz fossile abandonnés émettent aussi du méthane[8].
Le gaz fossile et le pétrole émettent aussi du méthane lorsqu'ils sont brûlés[8].
Mines de charbon
En 2014, des chercheurs de la NASA ont signalé la découverte d'une surface de 6 500 kilomètres carrés d'un nuage de méthane flottant au-dessus de la région des Four Corners au sud-ouest des États-Unis. La découverte était basée sur les données de l'instrument Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Chartography de l'Agence spatiale européenne de 2002 à 2012[68].
Le rapport conclut : « la source provient probablement de l'extraction et du traitement établis de gaz, de charbon et de méthane houiller ». Entre 2002 et 2012, la région a émis 590 000 tonnes métriques de méthane chaque année, soit près de 3,5 fois les estimations largement utilisées dans la base de données sur les émissions de l'Union européenne pour la recherche sur l'atmosphère mondiale[68]. En 2019, l'Agence internationale de l'énergie a estimé que les émissions de méthane qui s'échappent des mines de charbon à travers le monde réchauffent le climat mondial au même rythme que les industries du transport maritime et de l'aviation combinées[69].
Impact du réchauffement climatique sur le méthane arctique
L'Arctique est une source importante de méthane[70]. Si au long terme, la libération du méthane piégé dans les pergélisols arctiques est un phénomène naturel, ce dernier est accéléré par le réchauffement climatique d'origine anthropique[71].
Les pergélisols et l'hydrate de méthane sous-marin sont dégradés par le réchauffement climatique, provoquant d'importants rejets de méthane[72],[73],[74],[75]. D'autres sources de méthane arctique comprennent les taliks sous-marins, le transport fluvial, le retrait glaciaire, le pergélisol sous-marin et les dépôts d'hydrates de gaz en décomposition[76].
Industrie
Divers processus industriels sont émetteurs de méthane. C'est le cas de la production pétrochimique, la production et la consommation de carbures, la production de ferroalliages, et la production de fer et d'acier[8].
Puits de méthane
Réaction avec le radical hydroxyle
Dans la troposphère et la stratosphère, le méthane réagit avec le radical hydroxyle (•OH). C'est le principal puits de méthane, responsable de 90 à 96 % de la consommation du méthane atmosphérique[57].
cette réaction crée le radical méthyle (•CH3) et de la vapeur d'eau. C'est l'une des plus importantes sources de vapeur d'eau dans la haute atmosphère. À la suite de la réaction du méthane avec le radical hydroxyle, il existe deux phases principales d'oxydation du méthane[77] :
En présence d'oxyde nitrique (NO), il y a une production nette d'ozone :
CH4 + 4O2 → HCHO + 2O3 + H2O
En présence du radical hydroperoxyle (HO2•) :
CH4 + O2 → HCHO + H2O
Ces deux types d'oxydation conduisent à une production nette de formaldéhyde et de vapeur d'eau. Le formaldéhyde peut à son tour réagir avec un radical hydroxyle pour former du dioxyde de carbone et davantage de vapeur d'eau. Les chaînes latérales dans ces réactions peuvent interagir avec des composés azotés qui pourront produire de l'ozone, supplantant ainsi les radicaux nécessaires à la réaction initiale[78].
Pour la deuxième réaction, il y a une perte nette de radicaux dans le cas où CH3O2H se perd par dépôt humide avant de pouvoir subir une photolyse de sorte que : CH3O2H + H2O → dépôt humide.
La durée de vie moyenne du méthane dans l'atmosphère était estimée à 9,6 ans en 2001 ; cependant, l'augmentation des émissions de méthane au fil du temps réduit la concentration du radical hydroxyle dans l'atmosphère[37]. Avec moins de radical hydroxyle pour réagir, la durée de vie du méthane pourrait également augmenter, entraînant de plus grandes concentrations de méthane atmosphérique[79].
Réaction avec le chlore libre
La réaction du méthane atmosphérique avec le chlore agit comme un puits de méthane[77].
- CH4 + Cl → CH3 + HCl
Le chlorure d'hydrogène produit dans cette réaction conduit à la destruction catalytique de l'ozone dans la stratosphère[14].
L'élimination du méthane dans la basse troposphère peut être réalisée par les radicaux chlore produits par les aérosols de sels de fer, qui pourraient être augmentés artificiellement sans risque pour l'ozone stratosphérique[14].
Méthanotrophes dans les sols
Les sols agissent comme un puits majeur pour le méthane atmosphérique grâce aux bactéries méthanotrophes qui y résident. Ce puits est responsable de 4 à 10 % des consommations de méthane atmosphérique[57].
Deux types de bactéries différents en sont responsable : Les bactéries méthanotrophes « à haute capacité et à faible affinité » se développent dans des zones à forte concentration de méthane, telles que les sols gorgés d'eau dans les zones humides et autres environnements humides ; les bactéries méthanotrophes à « faible capacité et haute affinité » se trouvent plutôt dans les zones à faible concentration de méthane. Elles utilisent le méthane atmosphérique pour se développer, plutôt que de dépendre du méthane dans leur environnement immédiat[80].
Les sols forestiers agissent comme de bons puits pour le méthane atmosphérique parce que leur humidité est optimale pour l'activité méthanotrophe et que le mouvement des gaz entre le sol et l'atmosphère (diffusivité du sol) est élevé[80]. Avec une nappe phréatique plus basse, tout méthane dans le sol doit traverser les bactéries méthanotrophes avant de pouvoir atteindre l'atmosphère.
Cependant, les sols des zones humides sont souvent des sources de méthane atmosphérique plutôt que des puits car la nappe phréatique est beaucoup plus élevée et le méthane peut être diffusé assez facilement dans l'air sans avoir à entrer en compétition avec les méthanotrophes du sol.
Les bactéries méthanotrophes qui résident dans le sol réalisent l'oxydation du méthane, produisant du dioxyde de carbone et de l'eau[80] :
- CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O
L'ajout d'azote dans les sols réduit la capacité de ce puits de méthane[57].
Équilibre entre émissions et puits
L'équilibre entre les sources et les puits de méthane n'est pas encore totalement compris. Le groupe de travail I du GIEC a déclaré au chapitre 2 du quatrième rapport d'évaluation qu'il existe « de grandes incertitudes dans les estimations ascendantes actuelles des composantes de la source mondiale », et que l'équilibre entre les sources et les puits n'est pas encore bien connu.
Le puits le plus important dans le cycle du méthane est la réaction avec le radical hydroxyle, qui est produit photochimiquement. La production de ce radical n'est pas entièrement comprise et a un effet important sur les concentrations atmosphériques.
Cette incertitude s'illustre par des observations qui suggèrent qu'entre 2000 et 2006, les augmentations de la concentration atmosphérique de méthane ont cessé, pour des raisons encore en étude en 2013[26].
Des groupes de recherche donnent les valeurs suivantes pour l'impact des émissions et des puits de méthane :
Référence : | Fung et al. (1991) | Hein et al. (1997) | Lelieveld et al. (1998) | Houweling et al. (1999) | Bousquet et al. (2006)[82] | Saunois et al. (2016)[83],[84] | Saunois et al. (2020)[85] |
---|---|---|---|---|---|---|---|
Année : | 1980s | – | 1992 | – | – | 2003–2012 | 2008-2017 |
Émissions naturelles (sources) | |||||||
Zones humides | 115 | 237 | 225[nb 1] | 145 | 147 ± 15 | 167 (127–202) | 181 (159–200) |
Termites | 20 | – | 20 | 20 | 23 ± 4 | 64 (21–132) | 37 (21–50) |
Océan | 10 | – | 15 | 15 | 19 ± 6 | ||
Hydrates | 5 | – | 10 | – | – | ||
Émissions anthropogéniques | |||||||
Énergie | 75 | 97 | 110 | 89 | 110 ± 13 | 105 (77–133) | 111 (81–131) |
Décharge | 40 | 35 | 40 | 73 | 55 ± 11[nb 2] | 188 (115–243) | 217 (207–240) |
Ruminants (bétail) | 80 | 90[nb 3] | 115 | 93 | |||
Traitement des déchets | – | [nb 3] | 25 | – | [nb 2] | ||
Riziculture | 100 | 88 | [nb 1] | – | 31 ± 5 | ||
Combustion de la biomasse | 55 | 40 | 40 | – | 50 ± 8 | 34 (15–53) | 30 (22–36) |
Autres | – | – | – | 20 | 90 ± 14[nb 4] | ||
Puits | |||||||
Sols | 10 | 30 | 40 | 21 ± 3 | 33 (28–38) | 38 (27–45) | |
OH troposphérique | 450 | 489 | 510 | 448 ± 1 | 515 | 518 (474–532) | |
Pertes stratosphériques | 46 | 40 | 37 ± 1 | ||||
Déséquilibre entre les sources et les puits | |||||||
Total source | 500 | 587 | 600 | 525 ± 8 | 558 (540–568) | 576 (550–594) | |
Total puits | 460 | 535 | 580 | 506 | 548 | 556 (501–574) |
Techniques de gestion du méthane atmosphérique
Dans un effort d'atténuation du réchauffement climatique, les humains ont à disposition des méthodes de gestion du méthane atmosphérique.
Par exemple, afin de contrer la quantité de méthane émise par les ruminants, un type de médicament appelé monensine (commercialisé sous le nom de rumensine) a été développé. Ce médicament est classé comme un ionophore, qui est un antibiotique produit naturellement par une souche bactérienne inoffensive. Ce médicament améliore non seulement l'efficacité alimentaire, mais réduit également la quantité de méthane émis par l'animal et son fumier[86].
En plus des médicaments, des techniques spécifiques de gestion du fumier ont été développées pour contrer les émissions provenant du fumier du bétail. Des ressources pédagogiques ont commencé à être fournies aux petites exploitations. Les techniques de gestion comprennent le ramassage et le stockage quotidiens du fumier dans une installation de stockage complètement fermée qui empêchera le ruissellement de se rendre dans les plans d'eau. Le fumier peut ensuite être entreposé jusqu'à ce qu'il soit réutilisé comme engrais ou emporté et entreposé dans un compost hors site. Les niveaux de nutriments de divers fumiers d'animaux sont fournis pour une utilisation optimale comme compost pour les jardins et l'agriculture[87].
Afin de réduire les effets sur l'oxydation du méthane dans le sol, plusieurs mesures peuvent être prises. Le contrôle de l'utilisation d'engrais azotés et la réduction de la quantité de pollution azotée dans l'air peuvent à la fois réduire l'inhibition de l'oxydation du méthane. De plus, l'utilisation de conditions de croissance plus sèches pour des cultures telles que le riz et la sélection de souches de cultures qui produisent plus de nourriture par unité de surface peuvent réduire la quantité de terres présentant des conditions idéales pour la méthanogénèse. Une sélection soigneuse des zones de conversion des terres (par exemple, labourer les forêts pour créer des champs agricoles) peut également réduire la destruction des principales zones d'oxydation du méthane.
Pour contrer les émissions de méthane provenant des décharges, le , l'Environmental Protection Agency (EPA) a ajouté la « Landfill Rule » au Clean Air Act. Cette règle exige que les grandes décharges qui ont déjà accepté des déchets solides municipaux, ont été utilisées à compter du , peuvent contenir au moins 2,5 millions de tonnes de déchets d'un volume supérieur à 2,5 millions de mètres cubes, et/ou avoir des émissions de composés organiques non méthaniques (NMOC) d'au moins 50 tonnes métriques par an pour collecter et brûler les gaz d'enfouissement émis[88]. Cet ensemble d'exigences exclut 96 % des décharges aux États-Unis. Alors que le résultat direct est que les décharges réduisent les émissions de composés non méthaniques qui forment le smog, le résultat indirect est également la réduction des émissions de méthane.
De plus, pour tenter d'absorber le méthane qui est déjà produit à partir des décharges, des expériences dans lesquelles des nutriments ont été ajoutés au sol pour permettre aux méthanotrophes de prospérer ont été menées. Il a été démontré que ces décharges enrichies en nutriments agissent comme un puits de méthane à petite échelle, permettant à l'abondance de méthanotrophes d'éponger le méthane de l'air pour l'utiliser comme énergie, réduisant ainsi efficacement les émissions de la décharge[89].
Pour réduire les émissions des industries du gaz naturel, l'EPA a développé le programme Natural Gas STAR. Ce programme a permis en 2020 d'éviter l'émission de 242,033 tonnes de méthane dans l'atmosphère[8].
Un autre programme a également été développé par l'EPA pour réduire les émissions provenant de l'extraction du charbon. Le Coalbed Methane Outreach Program (CMOP) aide et encourage l'industrie minière à trouver des moyens d'utiliser ou de vendre le méthane qui serait autrement rejeté par la mine de charbon dans l'atmosphère[90].
Législation
En 2024, le Parlement européen a adopté[nb 5] une nouvelle loi imposant au secteur de l'énergie de diminuer ses émissions de méthane issues des secteurs du pétrole, du gaz fossile, du charbon et du biométhane, afin d'aligner les engagements environnementaux de l'industrie de l'énergie avec les objectifs climatiques et de qualité de l'air dans l'Union européenne. À partir de 2027, les exigences porteront aussi sur le pétrole, le gaz et le charbon importés.
Surveillance des émissions de méthane
Un détecteur de méthane portable a été développé qui, monté dans un véhicule, peut détecter les niveaux excessifs de méthane dans l'atmosphère ambiante et différencier le méthane naturel de la végétation en décomposition ou du fumier et des fuites de gaz. En 2013, la technologie était déployée par Pacific Gas & Electric[91].
L'instrument de surveillance troposphérique à bord du vaisseau spatial Sentinel-5P de l'Agence spatiale européenne lancé en octobre 2017 fournit la surveillance des émissions de méthane la plus détaillée accessible au public. Il a une résolution d'environ 50 kilomètres carrés[92].
MethaneSat a été lancé en 2024 par l'Environmental Defense Fund en partenariat avec des chercheurs de l'Université de Harvard, pour surveiller les émissions de méthane avec une résolution améliorée de un kilomètre. MethaneSAT est conçu pour surveiller 50 grandes installations pétrolières et gazières, et pourrait également être utilisé pour la surveillance des décharges et de l'agriculture. Il reçoit un financement du projet Audacious (une collaboration de TED et de la Fondation Gates)[92],[93],[94].
Mesure du méthane atmosphérique
Chromatographie des gaz
Le méthane est généralement mesuré par chromatographie en phase gazeuse. La chromatographie en phase gazeuse est un type de chromatographie utilisé pour distinguer des composés chimiques. Elle est généralement moins chère que les méthodes plus avancées, mais elle demande plus de temps et de main-d'œuvre.
Méthode spectroscopique
Les méthodes spectroscopiques sont la méthode préférée pour les mesures de gaz atmosphériques en raison de sa sensibilité et de sa précision. De plus, les méthodes spectroscopiques sont le seul moyen de détecter à distance les gaz atmosphériques. La spectroscopie infrarouge couvre un large spectre de techniques, dont l'une détecte les gaz à partir de la spectroscopie d'absorption. Il existe différentes méthodes pour les méthodes spectroscopiques, y compris la spectroscopie d'absorption optique différentielle, la fluorescence induite par laser et l'infrarouge à transformée de Fourier.
Spectroscopie annulaire de cavité
La spectroscopie à cavité annulaire est la technique d'absorption IR la plus largement utilisée pour détecter le méthane. C'est une forme de spectroscopie d'absorption laser qui détermine la fraction molaire de l'ordre de parties par billion[95].
Articles connexes
- Réchauffement climatique
- Émissions de méthane des zones humides
- Pergélisol
- Relargage du méthane de l'Arctique
Notes et références
Notes
- (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Atmospheric methane » (voir la liste des auteurs).
- Rizières incluses dans les zones humides.
- Le total des décharges comprend les eaux usées domestiques et les déchets animaux.
- Traitement des déchets inclus dans les ruminants.
- Contient une petite quantité d'émissions naturelles provenant de ruminants sauvages.
- Texte adopté le 11 avril avec 530 voix pour, 63 contre et 28 abstentions.
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Liens externes
- Évaluation mondiale du méthane : avantages et coûts de l'atténuation des émissions de méthane par le Programme des Nations unies pour l'environnement, 2021.
- "Le méthane dans la toundra et les océans sera rejeté dans l'atmosphère"
- "Stabilité de l'hydrate de méthane et changement climatique anthropique" Biogeosciences Discussions, 4, 993–1057, 2007
- "Methane: A Scientific Journey from Obscurity to Climate Super-Stardom" Rapport de septembre 2004 du Goddard Institute for Space Studies (GISS) de la NASA
- Le rôle du méthane dans le changement climatique : Que le gaz naturel soit un sauveur ou un destructeur du climat dépend de la quantité qui s'échappe dans l'atmosphère, Par Jeff Johnson, Chemical & Engineering News.
- Une étude suggère que l'EPA pourrait sérieusement sous-estimer les émissions de méthane
- Les niveaux de méthane augmentent et les scientifiques ne savent pas pourquoi, par Roni Dengler | 6 juin 2019
- Très forte croissance du méthane atmosphérique sur les 4 années 2014-2017 : implications pour l'Accord de Paris, 5 février 2019.
- Pourquoi le méthane monte-t-il ?, Julia Fahrenkamp-Uppenbrink, 7 juin 2019.
- Les émissions de méthane provenant de l'exploration pétrolière et gazière sont sous-déclarées le 26 juin 2019.