Le travail de chimiste de l’atmosphère lors d’un hivernage à Dumont d’Urville ?

Le travail de chimiste de l’atmosphère consiste tous les jours (et à des heures fixes) à faire des prélèvements atmosphèriques de différents composés et par la suite de les quantifier. Nous nous intéressons tout particulièrement aux composés soufrés et à leurs dérivés.
Ce programme a été instauré par Michel LEGRAND, chercheur au Laboratoire de Glaciologie et de Géophysique de l'Environnement (LGGE), situé à Grenoble, au début des années quatre-vingt dix. L’un des précurseurs des composés soufrés est le diméthylsulfure (DMS). Ce dernier est rejeté par le phytoplancton présent dans les océnas. Une fois relargué dans l’atmosphère celui-ci va réagir avec différentes molécules chimiques pour former du sulfate, du dioxyde de soufre (SO2), de l'acide méthane sulfonique (MSA) et du diméthyl sulfoxide (DMSO). Le sulfate et le MSA vont former des aérosols.
A Dumont d'Urville, nous mesurons aussi certains composés comme le brome, le nitrate, l'ozone (et bien d'autres) qui sont susceptibles de réagir avec ces éléments soufrés par oxydation ou réduction.


chimie du soufre

Mais pourquoi s'intéresser au soufre et pourquoi en Antarctique?

J’expliquerai cela en trois grandes parties :


Les différentes sources du soufre

Les océans

Ils sont la principale source naturelle de soufre dans l'atmosphère. Ce dernier est émis sous la forme de diméthylsulfure (DMS ou CH3SCH3).Il est bien établi que le DMS provient du Dimethyl SulfonioPropionate (DMSP). Pour certaines espèces de phytoplanctons (algues microscopiques qui errent au grès des courants), le DMSP agit comme régulateur pour maintenir la pression osmotique interne des cellules en cas de changement de salinité. Il semble être relargué dans l’océan après la mort de l’organisme. Une fois dans l’eau, différents processus physico-chimiques vont conduire à la formation du DMS. Le DMS produit dans l’eau va alors être en sursaturation par rapport à l’atmosphère (la nature à horreur des déséquilibres) et aura tendance à s’échapper dans le but de compenser ce déséquilibre.
Le flux de soufre provenant des océans est estimé par les modèles entre 10 et 40 milliards de grammes par an (TgS/an).


Les volcans

On estime le flux de soufre rejeté par les volcans à environ 10,4 TgS/an. Néanmoins, les grandes éruptions volcaniques n’ont pas lieu fréquemment mais certaines peuvent rejetées 20 Tg de dioxyde de soufre (SO2). Comme, par exemple, celle du Pinatubo (Philippines) en 1991. On verra par la suite que ces grandes éruptions peuvent fortement influencer le climat.
Pour parler glaciologie, l’analyse des carottes de glace en Antarctique permet d’estimer la quantité de SO2 rejetées par les grandes éruptions volcaniques du passé. Puisque le soufre projeté s'élève très haut dans l’atmosphère, il va être transporté par les vents stratosphériques un peu partout sur la planète (dont l’Antarctique) et va se déposer à la surface de la calotte polaire et suite aux accumulations de neige, il va se retrouver piégé entre deux couches de neige et au final conservé dans la glace.


Le sol et la biosphère continentale

Le soufre est un élément essentiel à la croissance des végétaux et son flux est estimé entre 0,3 et 3 TgS/an.


Les feux de biomasse

Les modèles ne font pas la distinction entres les feux d’origines naturelles ou humaines. Le flux est estimé entre 2 et 3 TgS/an.


Les sources anthropiques du soufre

Elles sont dues aux différentes combustions ainsi qu’aux activités industrielles.
Pour donner un exemple, on estime qu'en 1980 les combustions et les activités industrielles ont rejeté au total 77,6 TgS dont 69,8 pour l’hémisphère nord et 7,8 pour l’hémisphère sud. Aujourd’hui, ces chiffres sont très différents vu que les teneurs en soufre des combustibles utilisés en Europe de l’ouest et en Amérique du nord sont contrôlées (le fameux sans soufre que l’on trouve dans les stations services) tandis que de nouvelles aires géographiques fortement émettrices se sont développées. Néanmoins, l’hémisphère nord rejette toujours plus de soufre que l’hémisphère sud.
Toujours en 1980, environ 85% des émissions totales de SO2 se faisaient dans l’hémisphère nord et 90% de émissions anthropiques de SO2 se faisaient aussi dans l’hémisphère nord. A cela deux raisons. La première est géographique car si l’on prend un planisphère, l’hémisphère nord contient beaucoup plus de terres émergées que l’hémisphère sud et que jusqu’à preuve du contraire, les Hommes vivent sur terre. La seconde raison est induite par la première.
Actuellement, sur l’ensemble des émissions soufrées (hémisphères nord et sud confondus), 60 à 70% sont dues aux activité humaines.


Différentes sources du soufre

Pourquoi étudier le soufre dans l’atmosphère et pourquoi ici ?

L’étude du soufre est capitale si l’on veut comprendre la dynamique du climat. Une fois rejeté dans l’atmosphère, il va subir différents processus physico-chimqiues pour aboutir à la formation d'aérosols. Il s'agit de particules microscopiques en suspension dans l'atmosphère. Les aérosols soufrés sont parmis les plus connus, du fait par exemple qu’ils étaient responsables, il y a de ça quelques décennies, des pluies acides qui endommagèrent les forêts européennes et nord-américaines. De plus, leur lien direct avec le climat n’est plus à prouver puisqu’ils jouent un rôle majeur sur le bilan radiatif terrestre : ils refroidissent le climat. Ce sont (si je peux m'exprimer ainsi) les opposés des gaz à effet de serre.
Comme je l'ai mentionné précédemment, les composés soufrés de l’hémisphère nord sont principalement rejetés par les activités humaines. C’est l'inverse dans l’hémisphère sud car ce dernier est beaucoup moins anthropisé. Ce sont les émissions naturelles qui dominent. L’Antarctique est loin de toutes terres (excepté au niveau la péninsule) donc la plupart des composés émis par les activités humaines retombent à la surface avant même d’avoir atteint le continent.
En plus d'être isolé géographiquement le continent est isolé, en hiver, climatiquement du reste de la planète. Ceci est dû à la mise en place d'un fort vent d’ouest appelé le courant circumpolaire qui « isole » le continent chimiquement et thermiquement limitant ainsi l’apport de composés lointains. Tous ces facteurs font que « seul » le soufre d’origine naturelle est observé en Antarctique et c’est l’unique lieu de la planète où l’on peut étudier ce composé « sans » perturbation anthropique.

Ces différentes caractéristiques permettent donc plusieurs axes de recherche.
Voici les plus essentiels :


Salle blache du laboratoire de glaciologie

Mais pourquoi s’intéresser aux aérosols ?

Tout d'abord, il existe deux types d’aérosols:

Chaque année, ces sont des milliards de tonnes d’aérosols naturels et anthropiques qui sont émis dans l’atmosphère. Mais contrairement aux gaz à effet de serre (dioxyde de carbone, méthane, protoxyde d’azote, eau, etc) ils restent relativement peu de temps dans l’atmosphère : quelques jours dans la troposphère (couche de l’atmosphère comprise entre 0 et 10 kms d’altitude) et environ une année dans la stratosphère (au-dessus de 10 kms).


Quels rôles jouent-ils ?

Les aérosols naturels sont indispensables au bon fonctionnement du système climatique et de la biosphère. D'une part, parce qu'ils transportent certains nutriments nécessaires aux écosystèmes marins et terrestres avec l’apport par exemple du fer et du phosphore et d'autre part parce qu'ils renvoient une partie du rayonnement solaire vers l’espace. Ce dernier, dit « effet direct » des aérosols contribue à refroidir la planète.
De plus, les aérosols sont étroitement liés avec les nuages puisqu’ils servent de noyaux de condensation aux gouttelettes d’eau. Plus les aérosols sont concentrés, plus les gouttelettes sont nombreuses et plus le nuage qui en résultera sera réfléchissant (albédo élevé). Ce premier « effet indirect » contribue aussi à refroidir la Terre. Cependant, un second « effet indirect » favorise le réchauffement. Si les gouttelettes d’eau constituant le nuage se multiplient tout en rapetissant, la durée de vie du nuage augmente (étant donné que les gouttes d’eau ne sont plus assez grosses pour précipiter sous l’effet de la gravité) et « bloque » ainsi le rayonnement infrarouge émis par la surface. Le même principe que les gaz à effet de serre.
Tout comme les particules d’origines naturelles, les aérosols émis par les activités humaines influencent le système climatique directement et indirectement.
Ce qu’il faut retenir c’est qu’à l’échelle du globe, en prenant en compte les effets directs et indirects, c’est l’effet refroidissant des aérosols qui domine.


Parlons un peu chiffre

La Terre reçoit énergétiquement en moyenne 340 Watts/m2 grâce au soleil. Seuls 168 Watts/m2 arrivent à la surface alors que le reste est réfléchi ou absorbé par les nuages, les aérosols et les molécules de l’atmosphère (eau, ozone, oxygène méthane, dioxyde de carbone, …).
Actuellement, les gaz à effet de serre ont un pouvoir de réchauffement légèrement inférieur à +3 Watts/m2. Par contre, le forçage radiatif des aérosols (leur pouvoir refroidissant) est bien moins connu et les chiffres sont compris entres -0,1 et -2 W/m2.
Cette incertitude pose un certains nombres de questions pour la suite et sur les conséquences réelles du réchauffement climatique. La question plus importante que les climatologues se pose est : puisque les aérosols ont un effet refroidissant sur le climat, dans quelle proportion ont-ils pu masquer une partie du réchauffement climatique que l’on connaît aujourd’hui. Si la véritable valeur est proche du dixième de watt par mètre carré, cela signifie que les aérosols n’ont que peu compensé le réchauffement induit par l‘accroissement des gaz à effet de serre et dans ce cas pas trop de surprise pour la suite. Mais à l’inverse, il se pourrait qu’ils aient masqué une proportion bien plus importante du réchauffement et là, que va t-il réellement se passer pour la suite. C’est pour cela que l’on entend souvent parler de scénarios optimistes ou pessimistes quand on évoque les modèles climatiques qui sont censés prédire le climat pour les années à venir.


La réduction des émissions d’aérosols peut-elle aggraver le réchauffement ?

La baisse des rejets d’aérosols a diminué dans les années 1980. A l’origine, il s’agissait de diminuer l’émission de particules soufrées afin de lutter contres les pluies acides. Aujourd’hui, on souhaite leur réduction en raison de leurs effets sur la santé. Il semble que ce soit les particules les plus petites (inférieures à 2,5 micromètres) qui soient les plus dangereuses pour la santé. Or, ce sont ces particules qui réfléchissent le mieux le rayonnement solaire et qui constituent les meilleurs noyaux de condensation. L’amélioration progressive de la qualité de l’air atténue ainsi l’effet filtrant et réfléchissant des aérosols.
Cette tendance devrait se poursuivre. Ainsi, le réchauffement climatique risque fort de s’accélérer au-dessus des régions industrialisées. Il en va de même pour les pays en développement qui devraient suivre le même chemin.
Ainsi, le rôle des aérosols sera donc moindre au XXIème siècle qu’il ne l’a été durant le XXème siècle.


Exemple concret des effets du soufre sur le climat : cas de l’éruption du Pinatubo en 1991

Le 9 juin 1991, le volcan du mont Pinatubo, sur l’île du Luzon dans les Philippines, sort de son sommeil après six siècles d’inactivité.
Les éruptions explosives culminent les 15 et 16 juin. Le panache volcanique est propulsé dans la stratosphère jusqu’à 40 km d’altitude.Le nuage d’aérosols est rapidement transporté vers l’ouest par les vents stratosphériques et fait le tour du globe en 22 jours. La plus grande partie du nuage reste entre 30°N et 20°S, ce qui représente 42% de la surface du globe. Au mois d’août les aérosols situés à moins de 20 km d’altitude se sont déplacés vers le nord, jusqu’à 70°N.
Les effets de ces aérosols sur le climat sont principalement dus à des fines gouttelettes d’acide sulfurique (H2SO4) provenant de l’oxydation du dioxyde de soufre (SO2). Ce nuage stratosphérique a provoqué un accroissement de l’albédo planétaire de 1.3% induisant une décroissance de 1.8W/m2 du flux radiatif net (c'est-à-dire du flux d’énergie solaire) au niveau de la tropopause (séparation entre la troposphère et la stratosphère située à environ 10 km d’altitude).
Pour faire plus claire, la réduction du flux solaire reçue en surface entraîne une diminution des températures. Cette éruption a provoqué un refroidissement global atteignant un maximum de 0.5°C à la fin de 1992 qui s’est peu à peu dissipé au fur et à mesure que les aérosols retombaient de l’atmosphère.


Ma petite touche personnelle

Ce qui va suivre me fait bien "sourire" car cela montre à quel point nous avons pris conscience du réchauffement climatique bien tard. Il a malheureusement fallu attendre que des gens médiatisés (c’est très bien ce qu’ils ont fait) se mettent à parler de ce problème pour que les gouvernements se décident (à commencer) à agir. Mais bon c’est toujours la même chose : si un problème n’est pas médiatisé et donc peu connu de la majorité de la population alors inutile de bouger. Néanmoins, je pense que cela fait longtemps que les dirigeants étaient au courant.
Il est écrit dans un rapport sur le volcan Pinatubo datant de 1992, ceci : « le refroidissement provoqué par les aérosols du Pinatubo aurait pour conséquence de différer de plusieurs année la perception du réchauffement global dû à l’augmentation des gaz à effet de serre ». En 1992, j’avais 7 ans et donc l’actualité...mais je sais que l’on ne prend réellement conscience du problème que depuis quelques années. J’ai lu aussi une autre publication, paru dans la revue scientifique Nature, datant de 1987, où déjà les scientifiques parlaient sérieusement des conséquences des gaz à effet de serre sur le climat.
Je me demande bien pourquoi les scientifiques ayant publié ces travaux il y a plus de vingt ans, n’ont pas été pris au sérieux ou mieux écoutés plus tôt. Si cela avait été le cas nous aurions pu prendre en main le problème 20 ans plus tôt et ainsi mieux limiter les conséquences du réchauffement, qui d’après les modèles du GIEC (Groupe Intergouvernementale d’experts sur l’Évolution du Climat), même les plus optimistes, nous font savoir qu’il y a aura réellement des conséquences pour les décennies à venir. Mais bon, il vaut mieux tard que jamais. J’espère que les pouvoirs publiques prendront les bonnes décisions et écouteront les « bonnes » personnes car elles sont nombreuses à proposer concrètement des solutions (économiquement faisable je parle) pour limiter la casse. L'économiste anglais Nicholas STERN a rendu un rapport en 2006 suite à la commission Stiglitz, intitulé Review on the Economics of Climate Change, montrant que cela coûterait moins cher (même si cela se compte en plusieurs milliers de milliards d’euros) de changer notre mode de fonctionnement que de subir les conséquences du changement climatique. Mais plus que le problème financier, le problème concernera aussi l’aspect humain. Il faut penser aux réfugiés climatiques quittant leurs lieux d’habitations à cause de la montée des eaux, de la sécheresse, des maladies…
Encore faudrait-il déjà que les dirigeants acceptent de raisonner sur du long terme et pas seulement sur un mandat. Je pense que cela changera petit à petit (je suis de nature optimiste), mais j'espère pas trop tard..

Pour finir je vais aborder un dernier sujet qui fait tout autant réflechir. Maintenant, nous avons compris que « grâce » au soufre rejeté dans l’atmosphère (par exemple lors des éruptions volcaniques), le climat peut se refroidir. Certaines personnes, dont le prix Nobel de chimie Paul Crutzen (qui a fait énormément de travaux sur le trou de la couche d’ozone d’où son prix nobel de chimie en 1995), se sont dites pourquoi alors ne pas faire la même chose mais artificiellement. En d’autres termes, ils voudraient manipuler le climat (ce sont leurs mots) en injectant de grandes quantités de soufre dans la stratosphère afin de contrer le réchauffement climatique.
La plupart des chercheurs disent que les effets d’une telle manipulation sur le climat sont largement méconnus. Comment réagira la circulation atmosphérique ? Les conséquences sur les nuages ? Les écosystèmes s’adapteront-ils vite à une diminution du rayonnement solaire direct ?……..

Un autre exemple concerne la manipulation des océans. Le phytoplancton synthétise la grande majorité de l’oxygène que nous respirons et comme tout végétal il pompe le dioxyde de carbone (CO2) : principe de la photosynthèse. Le fer est un élément nutritif pour le phytoplancton et des missions scientifiques ont montré qu’à certains endroits des océans, l’apport de grandes quantités de fer (une sorte de fertilisation) augmente fortement l’activité biologique du phytoplancton et de se fait sa capacité à pomper le CO2 présent dans l’atmosphère. Cela part d’une bonne intention puisque le but étant de faire diminuer la quantité de CO2 de l’atmosphère et ainsi limiter les conséquences du réchauffement climatique. Néanmoins, dans cette manipulation de l’océan qui consiste à stocker du carbone, certains y voient la possibilité de récupérer des crédits de taxes carbone. Et puis, comme pour le soufre injecté volontairement dans l'atmosphère, quelles en seront les conséquences?

Ces deux exemples de manipulation font partie d’une nouvelle activité que l’on appelle la géoingénierie.

Personnellemnt, je suis pour qu’il y ait ce genre de recherche afin de mieux comprendre comment fonctionne notre planète mais de là à vouloir manipuler à grandes échelles l’atmosphère ainsi que les océans dans le but de lutter contre un phénomène dont nous sommes responsables, je suis contre. Je pense que les problèmes du passé (exemple des espèces introduites dans un milieu pour lutter contre un problème et qui au final causes plus de problèmes) et ce que nous allons vivre à cause du réchauffement climatique devraient nous faire prendre définitivement conscience que nous ne sommes pas en mesure de jouer aux apprentis sorciers car la plupart du temps ça merde (pardon). Se croire en mesure de pouvoir manipuler deux systèmes qui font parties des plus complexes de notre planète, je trouve ça hallucinant et au vue de nos grandes incertitudes sur ces milieux nous ne connaissons pas exactement les conséquences que cela pourrait engendrer et l’on risquerait probablement d’aggraver les choses.
Si un jour cela se réalise (ou alors dans très longtemps quand nous connaîtrons à 100% notre planète), il faut croire que rien ne nous aura servi de leçon. Il semble plus facile de vouloir lutter contre un problème en utilisant d'autres procédés, qui pourraient probablement à leur tour créer d’autres problèmes, plutôt que de se remettre en question. Une sorte de cadeau empoisonné fait aux générations futures, du moins autant que les rejets actuels de gaz à effet de serre. Mais j’ai quand même confiance en l’espèce humaine. Serions-nous assez bête pour scier la branche sur laquelle nous sommes assise ? A ma connaissance, nous serions la première espèce à le faire depuis que la Terre fut créée. Ce serait un comble pour l'espèce soit disant la plus évoluée que la Terre n'ait jamais porté…

Certaines informations de ces différents paragraphe sont issues de la thèses de Bruno JOURDAIN, chercheur au LGGE et d’un article rédigé par Olivier BOUCHER, chercheur au Met Office Hadley Centre (Royaume-Uni).


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