Pourquoi le CO2 dans l'air atteint-il son maximum chaque mois de mai ?
― En haut d'une montagne à Hawaï, un homme a mesuré sans relâche la « respiration » de la Terre
Le dioxyde de carbone dans l'air n'est pas en quantité constante toute l'année. Il atteint son maximum vers mai et son minimum vers octobre, chaque année. C'est parce que les forêts et les prairies de l'hémisphère nord absorbent le CO2 en été et le relâchent en hiver. Cette « respiration de la Terre » a d'abord été mesurée grâce à un appareil fabriqué à la main par un jeune chercheur.
Quand les journaux annoncent « la concentration de dioxyde de carbone a atteint un record », c'est étrangement souvent entre le printemps et le début de l'été.
En automne, on entend rarement ce genre de nouvelle. Pourtant, les émissions de CO2 ne chutent pas brusquement à cette saison.
Ce n'est pas une impression : l'air lui-même augmente et diminue chaque année selon le même rythme.
Deux raisons seulement expliquent le pic de mai et le creux d'octobre
Quand les feuilles s'ouvrent au printemps, les plantes captent une grande quantité de CO2 par photosynthèse. De mai à septembre, la quantité dans l'air diminue rapidement.
Quand les feuilles tombent, l'absorption s'arrête presque entièrement. Mais les petits organismes et champignons qui décomposent les feuilles mortes continuent à émettre du CO2, même en hiver.
Or la majeure partie des terres émergées se trouve dans l'hémisphère nord. C'est pourquoi le rythme respiratoire de toute la planète suit les saisons de l'hémisphère nord. Commençons par l'histoire de la personne qui l'a prouvé la première.
Le jeune homme qui vivait sous tente pour mesurer l'air
Au début des années 1950, personne ne savait encore mesurer précisément la quantité de dioxyde de carbone dans l'air. Selon qui mesurait, les valeurs variaient énormément, et l'on pensait qu'elles différaient fortement selon le lieu et le jour.
Le jeune chercheur américain Charles Keeling construisit lui-même un appareil capable de mesurer le CO2 avec une grande précision. Vers 1955, il aurait campé dans une forêt côtière de Californie, collectant de l'air dans des flacons toutes les quelques heures.
Il fit alors une découverte étrange. Près de la forêt, les valeurs montaient la nuit et baissaient le jour. Mais l'après-midi, quand le vent circulait bien, l'air se stabilisait presque à la même valeur, quel que soit l'endroit mesuré. Keeling en conclut qu'il existait une « valeur de fond » de la Terre, encore inconnue de tous.
Une respiration lente, visible depuis le sommet d'une montagne à Hawaï
Pour mesurer cette « valeur de fond », il fallait un lieu loin de toute forêt ou usine. L'observatoire choisi fut celui du Mauna Loa, à environ 3400 mètres d'altitude, sur l'île d'Hawaï, au milieu du Pacifique. Les mesures commencèrent en mars 1958.
Une fois une année complète de données réunie, la valeur montait vers le printemps, atteignant son maximum en mai. Elle redescendait ensuite jusqu'à un minimum vers octobre, puis remontait. Déplacez le curseur de la figure 1 pour observer les variations mois par mois.
Keeling y vit la preuve que les plantes de l'hémisphère nord absorbaient le dioxyde de carbone en été. L'air en altitude se mélange bien, incluant même ce qu'absorbent les forêts continentales situées à des milliers de kilomètres. Ainsi, un seul observatoire suffisait à révéler la respiration de toute la moitié de la planète.
Les dents de scie de la respiration reposaient sur une pente ascendante
En poursuivant les mesures, on découvrit autre chose : chaque pic de mai était légèrement plus haut que celui de l'année précédente. Le creux d'octobre, lui aussi, était plus élevé que l'année d'avant.
Regardez la figure 2. Tout en répétant ces dents de scie respiratoires, la courbe grimpe dans son ensemble. La valeur d'environ 315 ppm en 1958 a dépassé 420 ppm dans les années 2020. C'est la part du dioxyde de carbone émis par la combustion du charbon et du pétrole que les forêts et les océans n'ont pas pu absorber, et qui reste dans l'air.
Cette courbe ascendante porte son nom : la « courbe de Keeling ». Elle est considérée comme le premier enregistrement chiffré clair montrant que l'activité humaine modifie l'air.
Une recherche qui consiste à mesurer sans cesse la même chose, année après année, donne souvent l'impression qu'« on a déjà compris », ce qui rend difficile l'obtention de financements. L'observatoire du Mauna Loa aurait lui aussi failli s'arrêter plusieurs fois par manque de fonds. C'est grâce à sa persistance que l'on a pu observer à la fois les dents de scie respiratoires et la pente ascendante. Les mesures se poursuivent encore aujourd'hui, après la mort de Keeling en 2005.
Des mesures sont également effectuées depuis la même époque au pôle Sud, mais les variations saisonnières y seraient très faibles. L'hémisphère sud est en effet couvert en grande partie par les océans, avec peu de forêts. À l'inverse, en Alaska, proche des forêts de l'Arctique, l'amplitude des variations serait plus de deux fois supérieure à celle du Mauna Loa.
En résumé
Le dioxyde de carbone dans l'air atteint son maximum en mai parce que les plantes de l'hémisphère nord cessent d'absorber pendant l'hiver, laissant s'accumuler ce que rejette la décomposition. En été, quand les feuilles sont abondantes, les forêts absorbent de nouveau, et la quantité atteint son minimum vers octobre. Le rythme de l'hémisphère nord, riche en terres émergées, devient ainsi la respiration de toute la planète. Keeling a été le premier à la mesurer, en haut d'une montagne à Hawaï. Et ce même enregistrement montre aussi que l'air change d'année en année, dents de scie respiratoires comprises.
L'air du printemps est le plus concentré, chargé du souffle rejeté par la forêt en hiver.
Et sous cette respiration, la pente monte, un peu plus haut chaque année.
Le mécanisme par lequel l'océan absorbe le CO2 est expliqué dans « L'océan absorbe le dioxyde de carbone ― mais après ? », et la raison pour laquelle une quantité infime de CO2 peut changer la température est traitée dans « Pourquoi le dioxyde de carbone, qui ne représente que 0,04 % de l'air, change-t-il la température ? ». De même, comment un petit observatoire en Antarctique a découvert quelque chose avant les satellites est raconté dans « Pourquoi le trou de la couche d'ozone a-t-il été découvert dans un petit observatoire antarctique avant les satellites ? ».
- Ouvrez la page « Évolution annuelle de la concentration de CO2 » de l'Agence météorologique japonaise et regardez les graphiques mensuels de stations d'observation japonaises comme Ryori, dans la préfecture d'Iwate.
- Cherchez le mois le plus haut et le mois le plus bas de l'année. Comme au Mauna Loa, ce devrait être haut au printemps et bas de la fin de l'été à l'automne.
- Notez la date où les arbres d'un parc proche bourgeonnent et celle où leurs feuilles tombent. Comparez ces dates avec le début de la baisse et de la hausse sur le graphique.
Plus une station d'observation est située au nord, plus l'amplitude des variations tend à être grande. Comparer l'île de Yonaguni, à Okinawa, avec Ryori est aussi instructif.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules, liens avec les manuelsDu collège à l'université, le niveau de chaque partie est indiqué clairement
- CollègeProgramme de sciences du collège
- LycéeProgramme de « biologie » ou « sciences de la Terre » du lycée
- Lycée+Contenu avancé du lycée, ou encadré de manuel
- UniversitéNon enseigné au lycée, matière spécialisée universitaire (écologie, chimie atmosphérique, géochimie)
- RecherchePas encore enseigné comme « établi » même à l'université : sujet encore étudié par les chercheurs
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Courbe de Keeling : graphique de la quantité de dioxyde de carbone dans l'air, mesurée sans interruption depuis 1958 à l'observatoire du Mauna Loa.
- Variation saisonnière : oscillation qui se répète sur un cycle annuel. Au Mauna Loa, le maximum est en mai, le minimum vers octobre.
- Photosynthèse, respiration et décomposition : l'action par laquelle les plantes captent le CO2, et celle par laquelle les êtres vivants en rejettent. La saison détermine laquelle domine.
CollègeLycéeVérification par le calcul : combien de carbone la forêt estivale a-t-elle absorbé ?
À partir de l'amplitude annuelle observée au Mauna Loa, on peut estimer la quantité de carbone nette absorbée en été par les plantes de l'hémisphère nord. L'air étant bien mélangé, il suffit de multiplier la variation de concentration par le « nombre total de molécules de l'air » pour obtenir la quantité de carbone gagnée ou perdue.
| En notation symbolique | ΔC = Δx × (M ÷ m) × 12 |
| En mots | Quantité de carbone perdue = variation de concentration × quantité de matière de l'air total (masse de l'atmosphère ÷ masse d'une mole d'air) × masse d'une mole de carbone |
| D'où vient cette formule | Du simple concept de quantité de matière. La concentration indique « combien parmi un million de molécules d'air », donc en multipliant par le nombre total de molécules d'air, on obtient le nombre de molécules de CO2, chacune contenant un atome de carbone. |
| Signification des symboles | Δx : variation de concentration (en ppm), M : masse totale de l'atmosphère (environ 5,1×10¹⁸ kg), m : masse d'une mole d'air (environ 0,029 kg), 12 : masse d'une mole de carbone (en grammes) |
| Valeur calculée pour 1 ppm avec la formule ci-dessus | environ 21 milliards de tonnes de carbone |
| Amplitude annuelle au Mauna Loa | environ 6 ppm |
| Le CO2 pèse, par rapport au carbone, | 44 ÷ 12, soit environ 3,67 fois plus |
| CO2 émis par l'homme en un an (combustibles fossiles, etc.) | environ 37 milliards de tonnes |
| Valeur en 1958 et vers 2024 | environ 315 ppm et environ 420 ppm (écart de 66 ans) |
| Carbone absorbé en été (milliards de tonnes) | 6 × 21 = 126 |
| Converti en poids de CO2 (milliards de tonnes) | 126 × 3,67 ≈ 462 |
| Comparé aux émissions humaines annuelles (fois) | 462 ÷ 370 ≈ 1,25 |
| Hausse de concentration en 66 ans (ppm) | 420 − 315 = 105 |
| Hausse moyenne par an (ppm) | 105 ÷ 66 ≈ 1,6 |
À partir des seules variations observées au Mauna Loa, les plantes de l'hémisphère nord absorbent, en net, environ 46 milliards de tonnes de dioxyde de carbone en été. C'est plus que ce que l'homme émet en un an. Mais de l'automne à l'hiver, presque la même quantité est rejetée. Le bilan annuel de la respiration est presque nul ; ce sont les émissions humaines qui font monter la pente. Notez que l'absorption réelle des plantes est bien plus importante : ce que l'on voit ici n'est que la différence entre « absorber » et « rejeter ».
LycéeLycée+Pourquoi l'hémisphère nord domine-t-il, et pourquoi mai ?
LycéeLa photosynthèse moins la respiration des plantes donne la « production nette primaire » ; si l'on soustrait en plus la part libérée par la décomposition des feuilles mortes et du sol, on obtient la « production nette de l'écosystème ». En hiver, la photosynthèse s'arrête presque entièrement alors que la décomposition continue, donc cette valeur devient négative. Le CO2 continue de s'accumuler jusqu'à ce que les feuilles s'ouvrent au printemps et que la valeur redevienne positive. Le maximum arrive donc à la fin du printemps, en mai.
Lycée+Environ deux tiers des terres émergées se trouvent dans l'hémisphère nord. Les saisons de l'hémisphère sud, inversées, s'annulent en partie, mais comme les forêts du nord sont bien plus étendues, c'est leur rythme qui domine. De plus, le mélange de l'air entre le nord et le sud prend environ un an, ce qui lisse encore davantage les variations observées dans l'hémisphère sud, les rendant plus faibles.
UniversitéLe dispositif de mesure de haute précision et le cycle du carbone
Keeling a déterminé la quantité de dioxyde de carbone à l'aide d'un « manomètre » mesurant précisément le volume et la pression du gaz, qu'il a utilisé comme référence pour étalonner un analyseur à « absorption infrarouge non dispersive ». Cette méthode exploite la capacité du CO2 à absorber l'infrarouge à une longueur d'onde spécifique. Les valeurs mesurées sont devenues la base des estimations du « cycle du carbone », les échanges de carbone entre l'atmosphère, les océans et les écosystèmes terrestres. La fraction du CO2 émis par l'homme qui reste dans l'air est appelée « fraction atmosphérique résiduelle », estimée à environ la moitié.
📖 Dérivation des formules et approfondissements : Courbe de Keeling (Wikipédia, japonais) / Cycle du carbone (Wikipédia, japonais)
RechercheCe qui n'est pas encore clairement établi
- Pourquoi l'amplitude de la respiration augmente-t-elle ? Aux hautes latitudes de l'hémisphère nord, l'amplitude des variations saisonnières serait plus grande qu'au cours des années 1960. Le débat continue sur la part due à l'allongement de la saison de croissance des forêts boréales ou à l'augmentation de la production agricole.
- Jusqu'à quand les forêts et les océans continueront-ils d'absorber ? Aujourd'hui, les forêts et les océans absorbent environ la moitié des émissions humaines. Savoir si cette proportion diminuera avec le réchauffement est l'une des plus grandes incertitudes des projections futures.
- Les irrégularités annuelles de la hausse. Les années El Niño, la hausse de concentration dans l'air tend à s'accélérer. On étudie encore en détail la part respective de la sécheresse des forêts tropicales et des feux de forêt.
Autrement dit, le contenu de cet article reste « l'explication valable en l'état actuel des connaissances ». Les relevés d'un seul observatoire continuent de soulever de nouvelles questions.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Partie de l'article concernée |
|---|---|---|
| Collège | Sciences « structure et fonction des plantes », « nature et activité humaine » | Photosynthèse, respiration, rôle des décomposeurs |
| Lycée | Biologie de base « écosystèmes et cycles de matière », chimie de base « quantité de matière » | Production nette, vérification par le calcul |
| Lycée+ | Sciences de la Terre « circulation atmosphérique » | Différence d'amplitude entre nord et sud |
| Université | Chimie atmosphérique, écologie, géochimie | Mesure par absorption infrarouge, cycle du carbone, fraction atmosphérique résiduelle |
| Recherche | Sciences du système terrestre | Élargissement de l'amplitude saisonnière, avenir de l'absorption |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Pourquoi les records sont annoncés au printemps, bourgeonnement et chute des feuilles des arbres du voisinage |
- Agence météorologique japonaise (気象庁), « Évolution annuelle de la concentration de dioxyde de carbone »
- NOAA Global Monitoring Laboratory, « Trends in Atmospheric Carbon Dioxide »
- Scripps Institution of Oceanography, « The Keeling Curve »
- Keeling, C. D. (1960). The concentration and isotopic abundances of carbon dioxide in the atmosphere. Tellus, 12(2), 200–203.
- Keeling, C. D. (1998). Rewards and penalties of monitoring the Earth. Annual Review of Energy and the Environment, 23, 25–82.
※Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Les valeurs présentées sont des ordres de grandeur destinés à faciliter la compréhension du mécanisme. Les courbes des figures sont des formes approximatives fondées sur les tendances observées ; pour les valeurs mensuelles réelles, consultez les données publiées par l'Agence météorologique japonaise ou la NOAA.