Les fluctuations de la Courbe de Keeling // The fluctuations of the Keeling Curve

Je fais très souvent référence à la courbe de Keeling pour justifier la hausse des concentrations de CO2 dans l’atmosphère. Ces mesures sont effectuées sur le volcan Mauna Loa qui culmine à 4200 mètres sur la Grande Ile d’Hawaii.

On m’a demandé à plusieurs reprises pourquoi la courbe de Keeling prend des allures de montagnes russes quand on observe son évolution au cours de l’année. L’explication est relativement simple et logique.

Pour comprendre ces variations, il faut commencer au printemps qui représente pour les plantes terrestres la transition entre les branches dénudées de l’hiver et les feuillages abondants de l’été.

Après la chute des feuilles à l’automne, la litière formée par les feuilles et d’autres matières végétales mortes se décompose tout au long de l’hiver sous l’effet des microbes et bactéries. Au cours de cette décomposition, il y a production de CO2 et donc une hausse de ce gaz dans l’atmosphère au cours de l’hiver. Cela se traduit par une hausse de la courbe de Keeking.

Au printemps, les feuilles reviennent sur les arbres et la photosynthèse s’opère, ce qui entraîne une diminution du CO2 dans l’atmosphère et donc une décroissance de la courbe qui se poursuit en été..

Ce décalage entre les mois d’automne et d’hiver d’une part, le printemps et l’été d’autre part, se traduit par le tracé en dents de scie de la courbe de Keeling. Chaque année, il y a une diminution du CO2 pendant les mois de photosynthèse des plantes terrestres et une augmentation du CO2 pendant les mois sans photosynthèse et avec une décomposition importante.

Ma référence à la courbe de Keeling concerne avant tout les très importantes concentrations de CO2 que l’on observe actuellement dans l’atmosphère (environ 415,51 ppm le 26 mars 2020 !) Ce sont bien sûr les activités humaines qui sont responsables de ce niveau très élevé et très inquiétant pour notre planète.

Comme je l’ai fait remarquer précédemment, les concentrations de CO2 enregistrées sur le Mauna Loa n’ont pas varié ces derniers temps, en dépit de la baisse des émissions de gaz polluants par les industries chinoises à cause du coronavirus. Cela confirme bien ce je ne cesse de le répéter : à supposer que nous arrêtions – comme par un coup de baguette magique – nos émissions de gaz à effet de serre, il faudra des décennies avant que l’atmosphère commence à retrouver un semblant d’équilibre.

Source : NOAA.

Avec l’épidémie de coronavirus et les mesures de confinement, les médias ne cessent de nous répéter que la qualité de l’air n’a jamais été aussi bonne, en particulier en Ile-de-France. C’est bien et on ne peut que s’en réjouir. La forte réduction du trafic aérien et routier y est sûrement pour beaucoup.

Il faut toutefois pousser l’observation un peu plus loin. En effet, si les émissions de CO2 (entre autres) sont en baisse, les concentrations de ce gaz dans l’atmosphère restent à un niveau très élevé. Il ne faudrait pas oublier que des usines polluantes continuent à fonctionner dans des pays comme l’Inde, la Chine et les Etats Unis. Les concentrations de CO2 dans l’atmosphère atteignent en ce moment plus de 415 pp, ce qui est considérable et la Courbe de Keeling ne cesse de grimper.

IL faudrait plusieurs épidémies de coronavirus (je ne le souhaite pas, bien sûr !) et de gros efforts des gouvernements à la tête des pays pollueurs pour que les concentrations de CO2 montrent un certain fléchissement. Comme me le faisait remarque Jean-Louis Etienne il y a quelque temps, même si on arrêtait par un coup de baguette magique les émissions de gaz à effet de serre, il y aurait un effet de latence et il faudrait plusieurs décennies avant que l’on observe une amélioration dans l’atmosphère.

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 I very often refer to the Keeling Curve to justify the increase in CO2 concentrations in the atmosphere. These measurements are made on the Mauna Loa volcano, which rises 4,200 metres on Hawaii Big Island.
I have been asked several times why the Keeling Curve looks like a roller coaster over the year. The explanation is relatively simple and logical.
To understand these variations, it is necessary to start in spring, which represents for terrestrial plants the transition between the bare branches of winter and the abundant foliage of summer.
After the leaves fall in autumn, the litter formed by the dead leaves and other plant matter breaks down throughout the winter as a result of microbes and bacteria. During this decomposition, there is production of CO2 and therefore an increase of this gas in the atmosphere during the winter. This results in an increase in the Keeking Curve.
In spring, the leaves return to the trees and photosynthesis takes place, which results in a reduction of CO2 in the atmosphere and therefore a drop in the curve that goes on in summer.
This shift between the autumn and winter months on the one hand, and spring and summer on the other, is reflected in the jagged shape of the Keeling curve. Each year, there is a decrease in CO2 during the months of photosynthesis of terrestrial plants and an increase in CO2 during the months without photosynthesis and with significant decomposition.
My reference to the Keeling Curve concerns above all the very large concentrations of CO2 that we currently observe in the atmosphere (around 415,51 ppm at the beginning of March 26th, 2020!) Human activities are responsible for this very high and very worrying level for our planet.
As I pointed out earlier, the CO2 concentrations recorded on Mauna Loa have not changed in recent times, despite the reduction in the emission of polluting gases by Chinese industries due to the coronavirus. This confirms what I keep repeating: assuming that we stop – as if by a magic wand – our greenhouse gas emissions, it will take  the atmosphere decades to begin to regain a semblance of balance.
Source: NOAA.

With the coronavirus epidemic and the curret lockdown, the media keep telling us that air quality has never been so good, especially in Ile-de-France. It’s good and we can only be pleased. The sharp reduction in air and road traffic is surely a big factor.
However, we must take the observation a little further. Indeed, if CO2 emissions (among others) are dropping, the concentrations of this gas in the atmosphere remain at a very high level. It should not be forgotten that polluting factories continue to operate in countries such as India, China and the United States. CO2 concentrations in the atmosphere currently reach more than 415 pp, which is considerable and the Keeling Curve keeps climbing.
It would take several coronavirus epidemics (I do not wish it, of course!) And great efforts of governments at the head of the polluting countries for the CO2 concentrations to show some decline. As Jean-Louis Etienne pointed out to me some time ago, even if we stopped greenhouse gas emissions with a magic wand, there would be a latency effect and it would take several  decades before an improvement in the atmosphere can be observed.

Courbe de Keeling sur un an (Source: Scripps / NOAA)

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)

 

Le lac de lave du Nyiragongo (République Démocratique du Congo // The lava lake at Nyiragongo Volcano (DRC)

Le Nyiragongo fait partie des volcans les plus actifs au monde et il possède un lac de lave permanent. Lors d’une conférence à la réunion annuelle de la Seismological Society of America en mai 2018, des scientifiques ont présenté les différentes méthodes de surveillance du niveau du lac de lave.
Les chercheurs analysent les signaux sismiques et infrasonores générés par le volcan ainsi que les données recueillies par les satellites pour mesurer les fluctuations du niveau du lac de lave du Nyiragongo. Lors de l’éruption de 2002, qui a provoqué une crise humanitaire majeure, le lac s’est vidangé et la profondeur du gouffre laissé par l’évacuation de la lave a été estimée entre 600 et 800 mètres. Environ quatre mois après l’éruption, le cratère a recommencé à se remplir de nouveau. De nos jours, le plancher du cratère se trouve à environ 400 mètres en dessous de la lèvre et le lac de lave reste à un niveau élevé.
Le niveau du lac de lave est, entre autres, lié aux variations de pression à l’intérieur du système magmatique sous le volcan. En ce sens, le lac de lave représente une fenêtre sur ce système magmatique et les fluctuations de son niveau fournissent des informations sur les variations de l’alimentation.
Différentes techniques sont utilisées pour observer le lac de lave. Les données sismiques et infrasonores, collectées en continu, permettent aux chercheurs de mesurer les variations de pression dans l’activité magmatique. Au cours des dernières années, les nouvelles technologies ont permis à l’Observatoire Volcanologique de Goma de mettre en place l’un des systèmes de surveillance télémétrique en temps réel les plus performants d’Afrique. Grâce aux techniques de traitement modernes, ces nouvelles bases de données offrent des possibilités sans précédent pour étudier le comportement de ce système magmatique unique. En plus des données sismiques et infrasonores, les scientifiques utilisent les images radar à synthèse d’ouverture (RSO) à haute résolution capturées par des satellites lors de leur passage au-dessus du volcan pour mesurer directement les variations de niveau du lac de lave. Ces images mesurent la longueur de l’ombre projetée par le bord du cratère sur la surface du lac, ce qui permet de calculer la profondeur de la lave.
Source: Science Daily.

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Nyiragongo is among the world’s most active volcanoes, with a persistent lava lake. In a talk at the 2018 Seismological Society of America annual meeting, there was a discussion about the multiple methods to monitor lava lake levels at the volcano.

The researchers analyze seismic and infrasound signals generated by the volcano as well as data collected during satellite flyovers to measure Nyiragongo’s lake level fluctuations. During the eruption in 2002, which caused a major humanitarian crisis, the lava lake was drained and the depth of the remaining crater was estimated between 600 and 800 metres. About four months after the eruption, the crater started filling up again. Nowadays, the inner crater floor is about 400 metres below the rim and the lava lake remains at high level.

The lava lake level is, among other things, related to the variations of the pressure inside the magmatic system underneath the volcano. In that sense, the lava lake represents a window into the magmatic system, and its level fluctuations provide information on the recharge and drainage of the magmatic system.

Different techniques are used to observe the lava lake. The seismic and infrasound data, collected continuously, help researchers gauge pressure changes in magmatic activity. Over the past few years, new technologies allowed the Goma Volcano Observatory to deploy one of the densest modern real-time telemetered monitoring systems in Africa. Combined with modern processing techniques, these newly acquired datasets provide unprecedented opportunities to investigate the behaviour of this unique magmatic system. In combination with seismic and infrasound data, the scientists are using high resolution synthetic-aperture radar (SAR) images captured by satellites passing over the volcano to directly measure the rise and fall of the lava lake level. These images measure the length of the shadow cast by the crater’s edge on the lava lake surface, which can be used to calculate the lava depth.

Source : Science Daily.

Lac de lave du Nyiragongo (Crédit photo: Wikipedia)