Catégorie : Science

Une histoire de CO2 // A story of carbon dioxide

Chaque année, des dizaines de volcans entrent en éruption à la surface de la Terre. D’autres volcans actifs envoient des gaz à effet de serre dans l’atmosphère. Les volcans en sommeil et les fractures à la surface de la Terre contribuent à enrichir notre atmosphère en dioxyde de carbone. Si nous voulons comprendre l’impact de l’Homme sur l’atmosphère, nous devons d’abord comprendre les causes naturelles.
De formidables progrès ont été accomplis dans la mesure de ces causes naturelles depuis les années 1990 et les scientifiques sont capables aujourd’hui de quantifier avec beaucoup plus de précision les effets de ces composants naturels.
Le carbone est un élément essentiel de notre planète; c’est le quatrième élément le plus abondant dans l’Univers ; il est essentiel pour la matière organique et, outre le Soleil, c’est le facteur le plus important dans la détermination de la température sur Terre. C’est aussi un élément essentiel dans deux des trois principaux gaz à effet de serre qui influent sur la température globale. Peu de gens réalisent que ce carbone est stocké non pas dans la croûte terrestre, mais beaucoup plus profondément, dans le manteau.
Pendant des milliards d’années, les processus géologiques comme les éruptions volcaniques ont déterminé la concentration de carbone dans l’atmosphère; en effet, les volcans constituent le principal moyen permettant au carbone de passer du manteau dans l’atmosphère. La majeure partie du carbone stocké dans le manteau se présente sous la forme de carbonate, mais il existe également d’énormes quantités de CO2 stockées profondément dans le manteau sous forme gaz dissous dans la roche liquide. Des recherches récentes sur les réserves de carbone découvertes sous les États-Unis ont conduit à une nouvelle estimation de la quantité de carbone dans le manteau supérieur de la Terre. Cette quantité s’élèverait à environ 100 mille milliards de tonnes. En revanche, il n’y a que 3 mille milliards de tonnes de CO2 (contenant environ 870 milliards de tonnes de carbone réel) dans l’atmosphère actuelle.
Les scientifiques ont mesuré avec précision et estimé la quantité de CO2 que les humains ont ajouté à l’atmosphère avec la combustion de combustibles fossiles, mais il est nécessaire de connaître le taux naturel d’émissions de CO2 pour comprendre l’impact humain. L’Homme émet environ 29 milliards de tonnes de CO2 chaque année, soit un peu moins de 1% du CO2 atmosphérique actuel.
Une impressionnante synthèse de données a été effectuée en 2013. Elle a révélé la quantité totale de CO2 émis de manière naturelle sur Terre. Voici les résultats:
– 33 volcans dont le dégazage a été mesuré émettent un total de 60 millions de tonnes de CO2 par an. On estime à environ 150 les volcans qui dégazent, ce qui représente un total de 271 millions de tonnes de CO2 émis annuellement.
– 30 volcans historiquement actifs émettent un total de 6,4 millions de tonnes de CO2 par an. Avec un total d’environ 550 volcans historiquement actifs, on estime qu’ils contribuent à hauteur de 117 millions de tonnes par an.
– Le total des émissions de CO2 par les lacs de cratères représente 94 millions de tonnes par an.
– Les autres émissions provenant des zones volcaniques, tectoniques ou hydrothermales, contribuent à environ 66 millions de tonnes de CO2 par an.
– Les émissions des dorsales océaniques sont estimées à 97 millions de tonnes de CO2 par an.
Si l’on fait la somme de tous ces éléments, on obtient une estimation d’environ 645 millions de tonnes de CO2 par an. Il y a, bien sûr, une marge d’erreur, mais cela donne une idée assez bonne de la situation à l’échelle de la planète.

Lorsque l’on réalise que les volcans émettent 645 millions de tonnes de CO2 par an contre 29 milliards de tonnes par an par les activités humaines, la cause de l’augmentation du dioxyde de carbone dans l’atmosphère terrestre depuis 1750 ne fait aucun doute.
Sans l’impact de l’Homme, le climat et les concentrations de dioxyde de carbone seraient stables.

La hausse du CO2 est un problème dont nous sommes responsables, et c’est à nous de le résoudre.
Source: Forbes.

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Every year, dozens of volcanoes erupt across the Earth’s surface. In addition, other active volcanoes continue to release greenhouse gases into the atmosphere, and even dormant volcanoes and other fissures in the Earth contribute to our overall carbon dioxide content. If we want to understand the effects that humanity is having on our atmosphere, we need to understand the natural contribution first.

Tremendous advances in measuring these natural contributions have occurred since the 1990s and scientists have now quantified to a much-improved precision the effects of these natural components.

Carbon is a tremendous part of our planet; it is the fourth most abundant element in the Universe, the essential element for organic matter and, other than the Sun, the most important factor in determining Earth’s temperature. It is also the essential element in two of the three major greenhouse gases playing a role in our global temperature. But most of that carbon is sequestered not in the Earth’s crust, but deep within the mantle.

For billions of years, geological processes like volcanic eruptions controlled the carbon concentration in the atmosphere; indeed, volcanism is the major way that carbon rises from the mantle into the atmosphere. Most of the carbon stored in the mantle is in the form of carbonate, but there are also huge stores of actual CO2 sequestered deep within the mantle as a dissolved gas within the liquid rock. Recent research about carbon reserves discovered underneath the United States has led to a new estimate of the amount of carbon in the Earth’s upper mantle: approximately 100 trillion tons. By contrast, there are only about 3.2 trillion tons of CO2 (containing about 870 billion tons of actual carbon) in the atmosphere today.

Scientists have accurately measured and estimated the amount of CO2 that humans have been adding to the atmosphere through our burning of fossil fuels, but it is vital to know what the natural rate of CO2 emission is to understand the impact humans are having. Humans emit around 29 billion tons of CO2 each year, a little less than 1% of present atmospheric CO2.

A tremendous synthesis of information took place in 2013, revealing the total amount of CO2 emitted from natural release events within Earth. Here are the results:

– 33 measured degassing volcanoes emit a total of 60 million tons of CO2 per year. There are a total of about 150 known degassing volcanoes, implying that a total of 271 million tons of CO2 are released annually.

– 30 historically active volcanoes are measured to emit a total of 6.4 million tons of CO2 per year. With about 550 historically active volcanoes total, they extrapolate this class of object contributes 117 million tons per year.

– The global total from volcanic lakes is 94 million tons of CO2 per year.

– Additional emissions from tectonic, hydrothermal and inactive volcanic areas contribute an estimated 66 million tons of CO2 per year.

– Emissions from mid-ocean ridges are estimated to be 97 million tons of CO2 annually.

Add all of these up, and you get an estimate of around 645 million tons of CO2 per year. Sure, there are uncertainties, but it gives a fairly good view of the global situation.

When you realize that volcanism contributes 645 million tons of CO2 per year compared to humanity’s 29 billion tons per year, it is extremely clear what has caused the carbon dioxide increase in Earth’s atmosphere since 1750.

 If not for the influence of humans, the climate and carbon dioxide concentrations would be stable. Rising CO2 is a problem that we are actively causing, and it’s up to us to fix it.

Source: Forbes.

La courbe de Keeling début juin 2017. Son évolution se passe de commentaires (Source: NOAA)

Mesure de la déformation du sol sur le Mauna Loa et le Kilauea (Hawaii) // Measuring ground deformation on Mauna Loa and Kilauea (Hawaii)

La déformation du sol est l’un des paramètres qui permettent de mieux comprendre l’activité volcanique. Il est particulièrement révélateur des modifications de volume du magma à l’intérieur d’un volcan. Par exemple, à Hawaii, les épisodes d’inflation et de déflation du Kilauea coïncident généralement avec le comportement du lac de lave dans le cratère de l’Halema’uma’u. L’élévation de la surface du sol correspond à  une accumulation de magma dans les zones de stockage en profondeur tandis que l’affaissement peut indiquer la vidange d’une poche ou chambre magmatique. Les variations rapides de déformation précèdent ou accompagnent souvent une nouvelle activité éruptive.
Sur la Grande Ile d’Hawaii, on mesure la déformation principalement à l’aide de trois techniques: les tiltmètres, le GPS (Global Positioning System) et l’InSAR (Interferometric Synthetic Aperture Radar).
– Une vingtaine de tiltmètres sont actuellement répartis sur les volcans Kilauea et Mauna Loa. Le HVO a mis en place des alarmes automatisées qui informent les scientifiques des variations inclinométriques en temps réel, celles susceptibles d’annoncer une éruption imminente.
– Environ 70 stations GPS sont réparties sur la Grande Île, mais elles se concentrent sur le Kilauea et le Mauna Loa, les deux volcans hawaïens les plus actifs. Ces stations GPS enregistrent continuellement le mouvement de la surface du sol en trois dimensions. Les positions quotidiennes moyennes et précises des sites GPS fournissent une bonne indication sur le long terme de la déformation au sol, et donc du comportement des réservoirs magmatiques.

– L’InSAR est une technique spatiale qui compare les données radar recueillies à partir de satellites à différents moments. Les variations de distance entre le satellite et le sol proviennent des déplacements de la surface entre les passages des satellites. Les données InSAR fournissent des « instantanés » exceptionnellement clairs et précis montrant la déformation du sol, mais seulement lorsque les satellites passent au-dessus de la zone concernée (en moyenne, environ une fois par semaine).
En utilisant cet ensemble de données, les scientifiques du HVO ont pu suivre les variations d’inflation du Kilauea et du Mauna Loa au cours des dernières années.
La chambre magmatique du Mauna Loa a commencé à se remplir – et donc à gonfler – immédiatement après le dernière éruption de 1984. L’inflation a ensuite montré des épisodes de hausse et de baisse au cours des 30 années suivantes. L’épisode d’inflation le plus récent et prolongé du Mauna Loa a commencé en 2014, accompagné d’un nombre conséquent de séismes superficiels.
Le Kilauea a également gonflé ces dernières années. Comme pour le Mauna Loa, l’inflation du Kilauea se produit principalement au niveau d’un système de stockage magmatique situé sous la caldeira sommitale et la partie supérieure de la zone de rift sud-ouest (SWRZ). Mais ce réservoir magmatique est plus circulaire et centré sous la partie sud de la caldeira du Kilauea. Comme je l’ai indiqué précédemment, de petits événements d’inflation et de déflation (DI events) sont enregistrés sur le Kilauea de manière assez fréquente ; ils viennent se superposer à l’inflation globale et entraînent des variations assez spectaculaires du niveau du lac de lave sommital, dans le cratère de l’Halema’uma’u.
Il convient de noter que le HVO a modifié son site Web pour que les visiteurs puissent suivre les variations sur les stations GPS et inclinométriques en quelques clics de souris.
https://volcanoes.usgs.gov/volcanoes/kilauea/monitoring_deformation.html

Source: USGS / HVO.

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Ground deformation is one of the parameters that help better understand volcanic activity. It is especially indicative of changes in the volume of magma within a volcano For instance, at Hawaii, the inflation and deflation episodes of Kilauea Volcano usually coincide with the behaviour of the lava lake within Halema’uma’u Crater. Uplift of the ground surface suggests accumulation of magma in underground storage areas, while subsidence can indicate magma drainage. Rapid changes in the rate of deformation often precede or accompany new eruptive activity.

On Hawaii Big Island, deformation is measured primarily with three techniques: tiltmeters, GPS (Global Positioning System), and InSAR (Interferometric Synthetic Aperture Radar).

– About 20 tiltmeters are currently installed on Kilauea and Mauna Loa volcanoes. The Hawaiian Volcano Observatory (HVO) has implemented automated alarms that notify scientists of real-time changes in tilt that might reflect the impending onset of an eruption.

– About 70 GPS stations are spread across the Big Island, but are focused on Kilauea and Mauna Loa, currently the two most active Hawaiian volcanoes. These GPS stations continuously record motion of the ground surface in three dimensions. Precise, daily average positions of GPS sites provide an important long-term record of ground deformation that indicates the locations and conditions of magma reservoirs.

– InSAR is a space-based technique that compares radar data collected from satellites at different times. Variations in the distance between the satellite and the ground are caused by surface displacements between the times of the satellite overpasses. InSAR data provide exceptionally clear “snapshots” of deformation, but only when satellites are overhead (on average, about once a week).

Using this combination of datasets, HVO scientists have tracked inflation of both Kilauea and Mauna Loa over the past several years.

Mauna Loa began refilling with magma – and inflating – immediately after the most recent eruption in 1984. Inflation then waxed and waned over the next 30 years. The most recent and ongoing episode of Mauna Loa inflation started in 2014, with significantly increased numbers of shallow earthquakes.

Kilauea has also been inflating in recent years. Similar to Mauna Loa, inflation of Kīlauea is mainly occurring in a magma storage system beneath the volcano’s summit caldera and upper Southwest Rift Zone. But this magma reservoir is more circular and centered beneath the south part of Kilauea’s caldera. As I put it above, small, deflation-inflation events in Kilauea tilt that occur over a few days to a week are superimposed on this overall inflation and result in rather dramatic fluctuations in the summit lava lake level.

It should be noted that HVO has modified its website sothat visitors can now track changes at any of HVO’s tilt and GPS stations on the island with a few mouse clicks.

https://volcanoes.usgs.gov/volcanoes/kilauea/monitoring_deformation.html

Source: USGS / HVO.

Exemples de données consultables sur le site Web du HVO.

La fonte du permafrost libérerait du protoxyde d’azote // It is feared the melting of permafrost may release nitrous oxide

Selon le site web de la chaîne d’information France Info, une quantité toujours plus importante de protoxyde d’azote – un gaz hilarant – risque d’être relâchée dans l’atmosphère de l’Arctique sous l’effet du réchauffement climatique. C’est ce que révèle une étude parue dans les Proceedings of the National Academy of Sciences . Ce protoxyde d’azote (N20) est enfermé dans le permafrost qui est en train de fondre à une vitesse impressionnante dans cette région du monde

Les chercheurs ont réalisé seize prélèvements de pergélisol en Laponie finlandaise, qu’ils ont congelés puis réchauffés. Selon leurs travaux, les émissions de protoxyde d’azote sont d’autant plus probables que la surface de la tourbe est vierge en végétation. En effet, les plantes absorbent l’azote du sol et réduisent le stock disponible pour la production de protoxyde d’azote. Les plantes sont donc très efficaces pour réduire les émissions de protoxyde d’azote.

Selon les auteurs de l’étude, les régions à forte probabilité d’émission de N2O couvrent un quart de l’Arctique. Ils ajoutent que ce gaz possède un pouvoir de réchauffement 300 fois plus important à celui du dioxyde de carbone. Pour l’heure, ce gaz n’est pas pris en compte dans les modèles des climatologues, car les quantités d’émission sont jugées négligeables, contrairement au méthane, qui inquiète beaucoup les scientifiques. Toutefois, le dégel croissant du permafrost pourrait changer la donne.

Un autre chercheur précise que cette étude ne peut livrer que des informations partielles à la compréhension du phénomène car les échantillons de pergélisol ont été congelés et réchauffés en laboratoire. Il existe donc une incertitude en raison des différences selon les spécificités du terrain, notamment l’étendue des tourbières.

De mon point de vue, cette émission de protoxyde d’azote ne viendra pas bouleverser la situation car elle est probablement minime est n’est pas généralisée. De toute façon, elle ne devrait pas avoir de conséquence pour la population locale qui est très disséminée. Les gaz les plus préoccupants sont le CO2 et surtout le méthane dont on connaît les effets extrêmement négatifs.

S’il y a quelqu’un que le protoxyde d’azote laisse indifférent, c’est bien le président des Etats-Unis qui vient d’annoncer que son pays sort de l’Accord de Paris sur le climat. La raison est que l’accord est mauvais pour les Etats-Unis et nuit à l’économie du pays. Une fois encore, on apprécie l’intelligence du personnage. La décision de Donald Trump sera approuvée par un grand nombre d’Américains qui ont été conditionnés à l’idée que le réchauffement climatique appartient à un cycle naturel et n’a rien à voir avec leurs activités industrielles. J’ai encore pu m’en rendre compte le mois dernier lors de discussions avec les personnes que j’ai rencontrées.

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According to the website of the France Info news channel, an increasing amount of nitrous oxide – a laughing gas – is likely to be released into the atmosphere of the Arctic as a result of global warming. This was revealed by a study published in the Proceedings of the National Academy of Sciences. Nitrous oxide (N20) is enclosed in the permafrost which is melting at an impressive speed in this region of the world
The researchers carried out sixteen permafrost samples in Finnish Lapland, which they froze and then heated. According to their work, emissions of nitrous oxide are all the more likely as the surface of the peat is devoid of vegetation. In fact, plants absorb nitrogen from the soil and reduce the stock available for the production of nitrous oxide. Plants are therefore very effective in reducing emissions of nitrous oxide.
According to the authors of the study, regions with a high probability of N2O emissions cover a quarter of the Arctic. They add that this gas has a heating capacity 300 times greater than that of carbon dioxide. For the time being, this gas is not taken into account in climate models, because the emission quantities are considered negligible, unlike methane, which worries scientists a lot. However, the increasing melting of permafrost could change the situation.
Another researcher says that this study can provide only partial information to understand the phenomenon because permafrost samples have been frozen and heated in a laboratory. There is therefore uncertainty due to differences with the characteristics on the field, particularly the extent of the peatlands.
From my point of view, this emission of nitrous oxide will not upset the situation because it is probably minimal and is not generalized. In any case, it should not have any consequences for the local population, which is very sparse. The gases of greatest concern are CO2 and especially methane whose effects are extremely negative.

The U.S. president is not preoccupied with the nitrous oxide emissions. He has just announced that his country would withdraw from the Paris climate Agreement. The reason is that the Agreement is bad for the United States and detrimental to its economy. Once again, one can admire the intelligence of this man. Donald Trump’s decision will be approved by a great number of Americans who have beeen conditioned to the idea that climate change belongs to a natural cycle and has nothing to do with their industrial activities. This was confirmed by talks with people I met in May during my journey across American West.

Modélisation 3D de la chambre magmatique du Stromboli // 3D model of Stromboli’s magma chamber

Les scientifiques de l’INGV (Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia) et du CNT (Centro Nazionale Terremoti) viennent de réaliser une modélisation 3D de la chambre magmatique du Stromboli, située entre 2 et 4 km de profondeur. Ils ont pu réaliser cette tâche grâce aux images acquise par technologie tomographique, semblable à celle utilisée dans les hôpitaux. Les résultats ont été publiés dans la revue Geophysical Research Letters.
Domenico Patane, chercheur à l’INGV explique que « le projet est né de la nécessité d’en savoir plus sur la structure interne du volcan.» Pour ce faire, les scientifiques ont installé 20 stations sismiques temporaires sur l’île, en plus du réseau de 13 stations permanentes, et ils l’ont complété par 10 sismomètres au fond de la mer (Ocean-Bottom Seismometers, OBS), ce qui a permis pour la première fois d’explorer la partie sous-marine du volcan.
« La surveillance géophysique et géochimique du Stromboli au cours des dernières années a été renforcée par l’INGV, surtout après la crise éruptive de 2002-2003, le tsunami du 30 décembre 2002 et le paroxysme du 5 avril 2003 ». Les recherches ont intégré les données acquises en 2006 à bord du navire de recherche Urania du CNR (Consiglio Nazionale delle Ricerche), en même temps que des enregistrements d’événements sismiques locaux effectués par le réseau permanent.
« Il a été possible de définir pour la première fois la géométrie de la chambre magmatique superficielle du Stromboli, qui s’étend depuis l’île proprement dite jusqu’au Strombolicchio. Ce dernier représente la cheminée centrale de l’ancien volcan, émergé il y a environ 200 000 ans au nord-est de Stromboli et aujourd’hui presque totalement érodé. »
Les images tomographiques montrent deux régions présentant des anomalies, à différentes profondeurs, là où est stocké le magma qui alimente l’activité permanente du Stromboli. De plus, grâce aux images tomographiques de la croûte de surface, les scientifiques possèdent maintenant un modèle physique en 3D de la géométrie de la chambre magmatique, ce qui devrait contribuer à l’avenir à effectuer de meilleures prévisions des phénomènes volcaniques.

Source : ANSA.it.

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Scientists from INGV (CNRS) and CNT (Centro Nazionale Terremoti) have just completed a 3D model of the magma chamber of Stromboli Volcano, located between 2 and 4 km deep. They were able to perform this task with images acquired by tomographic technology, similar to that used in hospitals. The results were published in the journal Geophysical Research Letters.
Domenico Patane, a researcher at INGV, explains that « the project was born of the need to know more about the internal structure of the volcano. » To do this, scientists installed 20 temporary seismic stations on the island, beside the network of 13 permanent stations, and completed it with 10 seismometers at the bottom of the sea (Ocean-Bottom Seismometers, OBS), allowing for the first time to explore the underwater part of the volcano.
« The geophysical and geochemical monitoring of Stromboli in recent years has been reinforced by INGV, especially after the eruptive crisis of 2002-2003, the tsunami of 30 December 2002 and the eruption of 5 April 2003 ». The research incorporated data acquired in 2006 on board the research vessel Urania of CNR (Consiglio Nazionale delle Ricerche), together with records of local seismic events carried out by the permanent network.
« It was possible to define for the first time the geometry of the shallow magma chamber of Stromboli, which extends from the island proper to Strombolicchio. The latter represents the central chimney of the ancient volcano, emerged some 200,000 years ago northeast of Stromboli and now almost totally eroded.  »
The tomographic images show two regions with anomalies at different depths, where the magma that supplies the permanent activity of Stromboli is stored. Moreover, thanks to the tomographic images of the surface crust, scientists now possess a 3D physical model of the geometry of the magmatic chamber, which should contribute in the future to better predictions of volcanic phenomena.
Source: ANSA.it.

Source: INGV / La Sicilia

Photo: C. Grandpey