Catégorie : Science

Les fluctuations saisonnières de la Courbe de Keeling // Seasonal fluctuations of the Keeling Curve

En voyant la courbe de Keeling telle qu’elle apparaissait dans ma note du 5 novembre 2019, plusieurs blogonautes m’ont demandé pourquoi la courbe montrait des fluctuations. La réponse est assez simple: la quantité de CO2 dans l’atmosphère varie au cours d’une année. Il ne faudrait pas oublier que les plantes absorbent plus de CO2 dans l’atmosphère pendant les mois les plus chauds où elles poussent le plus. Cela entraîne une diminution sensible des concentrations de CO2 dans l’atmosphère.
L’activité photosynthétique étant la cause des fluctuations saisonnières du CO2, les fluctuations sont plus marquées dans les régions où le nombre de plantes est plus important. Par exemple, au début des années 1990, Keeling avait remarqué que la fluctuation saisonnière du CO2 à Barrow, dans le nord de l’Alaska, était plus importante qu’au début de ses mesures.

Après la chute des feuilles à l’automne, la couche de feuilles mortes et d’autres matières végétales se décompose tout au long de l’hiver grâce à l’action des microbes. Au cours de cette décomposition, les microbes respirent et produisent du CO2, contribuant ainsi à l’élévation du niveau de CO2 atmosphérique. C’est pourquoi le CO2 dans l’atmosphère augmente régulièrement au cours de l’hiver.

Au printemps, les feuilles font leur réapparition sur les arbres et la photosynthèse s’intensifie considérablement, ce qui entraîne une diminution du CO2 dans l’atmosphère. Ce décalage entre les mois d’automne et d’hiver, entre le printemps et l’été, résulte en un schéma en dents de scie sur la courbe de Keeling. Chaque année, on observe une diminution du CO2 pendant les mois de photosynthèse des plantes terrestres et une augmentation du CO2 les mois sans quantités de photosynthèse et avec une décomposition significative.

Le mois de mai marque le tournant entre les décompositions qui ont lieu pendant les mois d’hiver et l’épanouissement de la photosynthèse qui survient avec le retour des feuilles aux arbres au printemps. Les mesures du CO2 effectuées dans le monde reflètent ce schéma de concentration maximale de CO2 à chaque mois de mai, quel que soit le niveau de ce pic de dioxyde de carbone.

Quand on est au printemps et en été dans l’hémisphère nord, on se trouve en automne et en hiver dans l’hémisphère sud. On peut se demander pourquoi les épisodes de photosynthèse ne s’annulent pas. D’une part, le mélange entre les hémisphères est trop lent pour provoquer une interaction significative entre leurs deux cycles. Il faut environ un an pour que l’air se mélange entre les hémisphères nord et sud. Le mélange dans chaque hémisphère, au contraire, ne dure que quelques semaines à quelques mois. C’est pourquoi un cycle similaire est observé dans toutes les stations d’observation de la Scripps Institution de l’hémisphère Nord, quelle que soit leur latitude. En outre, l’hémisphère nord compte beaucoup plus de terres, en particulier avec les vastes étendues forestières de Sibérie, alors que l’hémisphère sud est essentiellement occupé par l’océan. Toutefois, en raison de la lenteur du brassage, même s’il y avait autant de terres dans l’hémisphère sud que dans son homologue du nord, le cycle de la courbe de Keeling sur le Mauna Loa à Hawaii ne serait pas très différent.

Pour terminer, alors que la photosynthèse dans l’océan est également extrêmement importante pour la chimie de l’atmosphère, cette photosynthèse marine n’influe pas sur le pic annuel de CO2 atmosphérique car peu de ce CO2 est rejeté dans l’atmosphère.

Cela ne signifie pas que tout le pic de CO2 visible sur la courbe de Keeling dépend uniquement de la Sibérie. Bien que la Sibérie soit importante car elle abrite la plus grande superficie de forêts boréales et tempérées qui régissent le cycle saisonnier, les échanges de dioxyde de carbone en Amérique du Nord jouent également un rôle très important dans le cycle de CO2 mesuré sur le Mauna Loa.
Source: Scripps Institution of Oceanography.

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Seeing the Keeling Curve, several visitors of my blog have asked me why the curve fluctuates. The answer is quite simple: The amount of CO2 in the atmosphere varies over the course of a year. As a result, plants take more CO2 out of the atmosphere during the warm months when they are growing the most. This can lead to noticeably lower CO2 concentrations in the atmosphere.

Because photosynthetic activity is the cause of seasonal CO2 swings, regions with more plants will experience larger fluctuations. By the early 1990s, Keeling had noticed that the seasonal CO2 fluctuation at Barrow in northern Alaska was larger than when he started his measurements.

After the leaves on the trees drop in autumn, the leaf litter and other dead plant material break down throughout the winter thanks to the hard work of microbes.  During this decomposition, microbes respire and produce CO2, contributing to atmospheric CO2 levels in the process.  Thus over the course of the winter, there is a steady increase in CO2 in the atmosphere.

In the spring, leaves return to the trees and photosynthesis increases dramatically, drawing down the CO2 in the atmosphere.  This shift between autumn and winter months to the spring and summer results in the sawtooth pattern of the Keeling Curve measurement of atmospheric CO2 such that every year there is a decline in CO2 during months of terrestrial plant photosynthesis and an increase in CO2 in months without large amounts of photosynthesis and with significant decomposition.

May is the turning point between all the decomposition throughout the winter months and the burst of photosynthesis that occurs with the return of leaves to the trees in spring. CO2 measurements all over the globe reflect this pattern of peak CO2 concentration occurring each May, regardless of the level of that peak.

While it is spring and summer in the Northern Hemisphere, it is autumn and winter in the Southern Hemisphere. We may wonder why these signals of photosynthesis and respiration do not cancel one another out.  For one thing, the mixing between the hemispheres is too slow to cause much interaction between their two cycles.   It takes roughly a year for the air to mix between the Northern and Southern hemispheres.   The mixing within each hemisphere, in contrast is only weeks to months.  This is why a similar cycle is seen at all our Northern Hemisphere observing stations regardless of their latitude. Besides, there is a much larger amount of land in the Northern Hemisphere, particularly with huge forested areas in Siberia, while the Southern Hemisphere is dominated by ocean, but because of the slow mixing, even if there were as much land in the south, the Keeling Curve cycle on Hawaii Mauna Loa would not look very different.

At last, while photosynthesis in the ocean is also extremely important to atmospheric chemistry, this marine photosynthesis does not drive the annual peak in atmospheric CO2 because little of the CO2 goes into the atmosphere.

This does not mean that the entire peak depends on Siberia alone.  While Siberia is important because it is home to the largest area of boreal and temperate forests that drive the seasonal cycle, carbon dioxide exchange over North America is also very important to the cycle measured at Mauna Loa.

Source : Scripps Institution of Oceanography.

Vue d’ensemble de la Courbe de Keeling

(Source : Scripps Institution)

 

Cratères d’impact // Impact craters

Le mot « cratère » est généralement associé aux volcans. Il ne faudrait pourtant pas oublier les cratères d’impact laissés par le contact très violent entre les météorites et la surface de la Terre. Il y a environ 150 cratères d’impact sur notre planète. Vous trouverez la liste en cliquant sur le lien ci-dessous :

 https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_impact_craters_on_Earth

Le 23 septembre 2019, des chercheurs ont confirmé que le cratère Karla, situé au Tatarstan, en Russie, constituait lui aussi une structure d’impact. Le cratère, d’un diamètre de 10 km, fait désormais partie des autres grands cratères laissés par les météorites. Il est situé près de la frontière entre la République du Tatarstan et la République de Tchouvache, à environ 163 km de l’Université fédérale de Kazan. Cette confirmation du cratère d’impact a été possible grâce à l’analyse d’un certain nombre d’échantillons paléomagnétiques, pétromagnétiques et géochimiques. Les chercheurs proviennent de l’Université fédérale de Kazan, du CEREGE (France), de l’Institut Vernadsky de l’Académie des Sciences de Russie et de l’Institut de Minéralogie expérimentale de l’Académie des Sciences de Russie.

La France possède un cratère d’impact en Limousin, à une trentaine de kilomètres de mon domicile. Il s’agit de l’astroblème de Rochechouart-Chassenon, aussi surnommé « la météorite de Rochechouart », situé à la limite entre la Haute-Vienne et la Charente. Il s’agit d’un ensemble de marques laissées par l’impact d’un astéroïde tombé il y a environ 206,9 ± 0,3 millions d’années, soit environ 5,6 millions d’années avant la limite entre le Trias et le Jurassique. Cette datation remet en cause les conclusions de certaines études qui considéraient que la chute de cet astéroïde était contemporaine de l’extinction massive du Trias-Jurassique.

À cette époque, un astéroïde d’un kilomètre et demi de diamètre a percuté la Terre à une vitesse d’environ vingt kilomètres par seconde, au lieu-dit de La Judie, sur la commune de Pressignac en Charente. Il a laissé un cratère d’au moins 21 kilomètres de diamètre. Des éjectas sont retombés à plus de 450 kilomètres à la ronde.

Depuis cette époque lointaine, l’érosion a complètement effacé toute trace de l’événement dans le relief. Par contre, le sous-sol conserve de nombreuses roches fracturées et fondues appelées brèches. Ces roches particulières ont été utilisées pour la construction de Cassinomagus, autrement dit des superbes thermes de Chassenon dont je recommande fortement la visite. En se promenant dans les villages du secteur, on repère vite ces pierres à l’allure volcanique avec leurs vacuoles sur les murs des habitations et des monuments.

Source : Université fédérale de Kazan, Wikipedia.

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The word « crater » is usually associated with volcanoes. However, one should not forget the impact craters left by the very violent contact between the meteorites and the surface of the Earth. There are about 150 impact craters on our planet. You will find the list by clicking on the link below:
https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_impact_craters_on_Earth

Karla Crater, located in Tatarstan, Russia was confirmed to be an impact structure by researchers on September 23rd, 2019. The crater, which is 10 kilometres in diameter, is now one of about 150 other large impact structures on the planet. It is located near the border of the Republic of Tatarstan and Chuvash Republic, about 163 km from Kazan Federal University.

The confirmation of the crater was made possible by the analysis of a number of paleomagnetic, petromagnetic and geochemical samples. The researchers were from Kazan Federal University, CEREGE (France), Vernadsky Institute of the Russian Academy of Sciences, and Institute of Experimental Mineralogy of the Russian Academy of Sciences.

France has an impact crater in Limousin, about thirty kilometres from my home. This is the Rochechouart-Chassenon astrobleme, also called « Rochechouart meteorite »,on the border between Haute-Vienne and Charente. This is a set of marks left by the impact of an asteroid that fell about 206.9 ± 0.3 million years ago, or about 5.6 million years before the boundary between Triassic and Jurassic. This dating challenges the conclusions of some other studies that considered the fall of this asteroid was contemporary with the Triassic-Jurassic mass extinction.
At that time, an asteroid one kilometre and a half in diameter struck the Earth at a speed of about twenty kilometres per second, at a place called La Judie, in the botough of Pressignac in Charente. It left a crater at least 21 kilometres in diameter. Ejecta fell as far as 450 kilometres around.
Since that time, erosion has completely erased all the traces of the event in the relief. In contrast, the subsoil retains many fractured and melted rocks called breccias. These particular rocks were used for the construction of Cassinomagus, the beautiful thermal baths of Chassenon whose visit I strongly recommend. While walking in the villages of the area, one will quickly notice these volcanic stones with their vacuoles on the walls of houses and monuments.
Source: Federal University of Kazan, Wikipedia.

Aux Etats Unis, Meteor Crater (Arizona) est l’un des meilleurs endroits au monde pour observer le cratère d’impact d’une météorite. On y trouve de superbes échantillons de brèches ainsi que des impactites qui montrent bien les frictions, compressions et fortes chaleurs auxquelles ont été soumises les roches au moment de l’événement (Photos : C. Grandpey)

Une nouvelle technique pour essayer de prévoir les éruptions // A new technique to try to predict eruptions

Notre capacité à prévoir les éruptions est encore très faible aujourd’hui. Des progrès ont certes été réalisés au cours des dernières décennies avec de nouveaux instruments performants, mais les centaines de morts causées par les éruptions du Merapi (Indonésie) en 2010 et du Fuego (Guatemala) en 2018 montrent que nous sommes encore très loin de la prévision parfaite.
Une équipe de chercheurs de l’Illinois et du Michigan a testé une nouvelle technique qui, selon eux,  pourrait permettre de prévoir avec précision à quel moment une éruption volcanique se produira. La méthode utilise physique et statistique pour analyser la probabilité de modèles d’éruptions passées. Pour ce faire, les scientifiques ont étudié l’histoire éruptive du volcan Okmok en Alaska.
Un panache de cendre émis lors de l’éruption de l’Okmok en 2008 s’est étiré sur environ 1,6 km dans le ciel et a constitué un danger pour les moteurs d’avion. L’éruption fut une surprise. En effet, après une éruption en 1997, on avait observé des périodes de légère activité dans les années qui ont suivi, mais pratiquement pas de sismicité ou d’autres signes annonciateurs d’une éruption.
Selon les chercheurs, pour développer de meilleures prévisions, il est essentiel de comprendre les éruptions volcaniques qui s’écartent de la norme. Les éruptions sont généralement prévisibles au vu de la sismicité, de l’inflation de l’édifice volcanique et des émissions de gaz, ainsi que d’autres paramètres analysés au cours de la période précédant une éruption. Cependant, l’Okmok ne présentait aucun de ces paramètres.
L’équipe de chercheurs a utilisé le filtrage de Kalman – Ensemble Kalman Filter (EnKF) – une technique d’analyse de données statistiques qui a été améliorée après la Seconde Guerre mondiale. La version utilisée pour l’étude a été mise à jour en 1996 et a continué à être utilisée dans les prévisions météorologiques et climatiques, ainsi que dans l’océanographie physique. L’équipe de chercheurs a été la première à utiliser la méthode en volcanologie, en particulier pour l’étude de l’éruption de l’Okmok.
Les scientifiques ont constaté qu’il n’y avait pas eu d’augmentation de la sismicité avant l’éruption de l’Okmok en 2008. Cela pourrait s’expliquer par le fait que le réservoir magmatique sous le volcan avait conservé la même taille pendant qu’il se remplissait de gaz à haute température et de magma. Cela a entraîné une hausse de pression dans la chambre qui a provoqué le déplacement des roches environnantes, phénomène qui a fini par déclencher des séismes. Lors de l’éruption de 2008, il apparaît que la chambre magmatique s’est agrandie pour s’adapter à l’augmentation de pression, de sorte que l’activité sismique qui aurait dû normalement précéder l’éruption n’a pas eu lieu et n’a donc pas pu être détectée.
En regardant dans le passé grâce aux nouveaux modèles, les scientifiques ont pu constater que des contraintes s’étaient accumulées pendant des semaines dans les roches autour de la chambre magmatique et la croissance du système magmatique avait finalement entraîné sa rupture et l’éruption volcanique. La modélisation en amont et en aval a permis aux chercheurs d’observer l’évolution du système volcanique. Ils ont été en mesure de faire évoluer le nouveau modèle dans le temps et de prévoir le comportement éruptif de l’Okmok.
Cependant, l’équipe scientifique a ajouté que chaque volcan était différent et qu’un modèle spécifique devrait être élaboré  pour chacun d’eux.

Source: American Geophysical Union (AGU) – Geophysical Research Letters / The Watchers.

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Our capacity to predict eruptions is still very low today. Progress has been made in the past decades with new effective instruments but the hundreds of deaths caused by the eruptions of Mt Merapi (Indonesia) in 2010 and Mt Fuego (Guatemala) in 2018 show that we are still very far from the perfect prediction.

A research team from Illinois and Michigan has tested a new technique that could possibly forecast how a volcanic eruption will happen accurately. The method combined physics and statistics to capture the probability of past eruption patterns. The scientists studied the history of the eruption of the Okmok Volcano in Alaska.

An ash plume from the eruption of Okmok in 2008 extended about 1.6 km into the sky and posed a hazard to aircraft engines. The eruption came a a surprise. Indeed, after an eruption in 1997, there were periods of slight unrest, but very little seismicity or other eruption precursors.

According to the researchers, in order to develop better forecasting, it is crucial to understand volcanic eruptions that deviate from the norm. Eruptions are commonly predicted by studying seismicity, inflation of the volcanic edifice and gas emissions, and other established parameters analused during the period that precedes an eruption. However, Okmok did not display any of the patterns.

The research team used a statistical data analysis technique called Ensemble Kalman Filter (EnKF) or Kalman filtering, which was improved after World War II. The version used for the study was updated in 1996 and has continued to be used in weather and climate forecasting, as well as physical oceanography. The research team was the first group to use the updated method in volcanology, especially for Okmok’s eruption study.

The researchers noticed there was a lack of increased seismicity before the eruption. A hypothesis explains that the reservoir under the volcano remained the same size as it filled with hot gases and magma. This resulted in pressure in the chamber that triggered surrounding rocks to move, eventually leading to earthquakes. In the 2008 eruption, it appears that the magma chamber grew larger to accommodate the increasing pressure, so that the precursor seismic activity could not be detected.

By looking back in time with the new models, the scientists could observe that stress had been building up in the rocks around the chamber for weeks, and the growth of the magma system ultimately led to its failure and eruption. The backward and forward modelling enabled researchers to observe the evolution of the volcanic system. They were also able to propagate the new model forward in time and predict Okmok’s eruptive behaviour afterward.

However, the scientific team added that since every volcano is different, a model must be specifically made for each of them.

Source: American Geophysical Union (AGU) – Geophysical Research Letters / The Watchers.

Vue du cratère de l’Okmok le 15 septembre 2008 (Crédit photo : Alaska Volcano Observatory)

Californie : Inquiétude autour de la Faille de Garlock // California: Concern over the Garlock Fault

Quand on parle des failles qui cisaillent la Californie, on pense avant tout à celle de San Andreas qui est capable de déclencher un puissant séisme, comme celui qui a détruit San Francisco en 1906 et tué 3000 personnes. Toutefois, la San Andreas Fault n’est pas la seule à menacer la région.

Les scientifiques californiens du Jet Propulsion Laboratory de la NASA ont détecté il y a quelques jours des mouvements de la faille de Garlock. Longue de 250 km, elle s’étire le long de la bordure septentrionale du Mojave Desert, dans le sud de l’Etat. Les données fournies par les sismomètres et les images satellitaires ont révélé un soulèvement du sol visible depuis l’espace.

La faille de Garlock ne s’était pas manifestée depuis 500 ans et son comportement récent  pourrait être annonciateur d’un puissant séisme. Une étude publiée dans la revue Science alerte sur le mouvement de cette grande faille tectonique car elle a bougé de plusieurs centimètres en un an et de deux centimètres depuis le mois de juillet 2019. Ce réveil semble avoir été provoqué par des séismes enregistrés ces derniers mois à proximité de la ville de Ridgecrest. Certains d’entre eux ont atteint la magnitude M 7,1 et on redoute un séisme de M 8.0. On se souvient qu’un événement d’une telle magnitude a secoué la ville de Mexico en 1985 et causé de très graves dégâts.

Les sismologues savent que les mouvements des failles californiennes sont interdépendants. Ainsi, la faille de Garlock croise la faille de San Andreas qui s’étend sur plus de 1.300 km et passe notamment par San Francisco et Los Angeles. Un séisme provoqué par la faille de Garlock aurait des conséquences désastreuses sur l’agriculture, l’extraction pétrolière et les bases militaires de la région.

Les dernières observations concernant la faille de Garlock mettent à mal la théorie selon laquelle des séismes mineurs, en libérant de l’énergie, empêchent un séisme majeur de se produire. Dans le cas de la faille de Garlock, c’est plutôt le contraire qui risque de se produire : des séismes locaux peuvent perturber la faille et induire des mouvements de cette dernière, avec le risque d’un puissant séisme.

Source : NASA, presse californienne.

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When we talk about the California shearing faults, we think of San Andreas, which is capable of triggering a powerful earthquake, like the one that destroyed San Francisco in 1906 and killed 3000 people. However, the San Andreas Fault is not the only one to threaten the region.
A fewgo, Californian scientists at NASA’s Jet Propulsion Laboratory detected movements of the Garlock Fault. 250 km long, it stretches along the northern edge of the Mojave Desert, in the south of the State. The data provided by the seismometers and the satellite images revealed a bulge of the ground, visible from space.
The Garlock Fault had not been active for 500 years and its recent behaviour could be a harbinger of a powerful earthquake. A study published in the journal Science alerts to the movement of this great tectonic fault because it has moved several centimetres in one year and two centimetres since July 2019. This new activity seems to have been caused by earthquakes recorded in recent months near the city of Ridgecrest. Some of them reached the magnitude M 7.1 and scientists fear an M 8.0 earthquake. One should remember that an event of such magnitude shook Mexico City in 1985 and caused very serious damage.
Seismologists know that the movements of California faults are interdependent. For example, the Garlock Fault crosses the San Andreas Fault that stretches for more than 1,300 km, including San Francisco and Los Angeles. An earthquake caused by the Garlock Fault would have disastrous consequences for agriculture, oil industry and military bases in the region.
The latest observations about the Garlock Fault undermine the theory that minor earthquakes, by releasing energy, prevent a major earthquake from occurring. In the case of the Garlock Fault, the opposite is likely to happen: local earthquakes can disrupt the fault and induce motions of the latter, with the risk of a powerful earthquake.
Source: NASA, California Press.

Vue de la faille de Garlock proposée par la NASA d’après des images satellite. La faille, qui marque la limite nord-ouest du Mojave Desert, se situe au pied des montagnes. Elle part du coin inférieur droit et se dirige vers la partie centrale cette image.