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)

 

Pluie, neige et leur impact sur la Faille de San Andreas // The impact of rain and snow on the San Andreas Fault

Selon deux chercheurs de l’Université de Californie à Berkeley, les séismes le long de la faille de San Andreas sont influencés par les pluies et chutes de neige de l’hiver. La découverte est importante car elle permet de mieux comprendre ce qui provoque les séismes et à quel moment ils sont plus susceptibles de se produire. Les résultats de cette étude sont publiés dans la revue Science.
Les deux scientifiques travaillent sur l’ « impact saisonnier » sur les systèmes de failles On entend par impact saisonnier la façon dont la neige et la pluie pèsent sur le sol  pendant les mois d’hiver, ce qui le fait se comprimer. Quand la sécheresse revient, le poids se retire et le sol rebondit en quelque sorte. Selon les scientifiques, ce processus modifie le stress exercé sur la structure tectonique de l’État de Californie, en poussant et tirant sur les lignes de failles, y compris la Faille de San Andreas.
La Faille de San Andreas se trouve à la limite tectonique entre les plaques Pacifique et nord-américaine, et s’étire sur 1280 km à travers la Californie. En septembre 2016, on a enregistré un essaim d’environ 200 petits événements dans le secteur de la Salton Sea, juste au sud de la Faille. Cela a fait naître les craintes qu’un séisme de plus grande ampleur puisse avoir lieu dans le court terme. La zone de faille où l’essaim s’est produit n’a pas bougé depuis plus de 300 ans. Comme de puissants séismes se produisent normalement le long de la faille tous les 150 à 200 ans, les scientifiques pensent qu’un «Big One» est en retard.
Dans leur dernière étude, les deux chercheurs ont mesuré le mouvement vertical le long des lignes de faille en Californie pour observer les changements résultant de l’impact saisonnier. Ils ont pris en compte neuf années de données GPS sur la déformation verticale pour identifier les modifications de contraintes qui produisent de petits séismes le long des lignes de failles. A partir de ces résultats, ils ont calculé le délai de contrainte saisonnier pour chaque faille afin de calculer un cycle de contrainte moyen. Les résultats montrent que la faille de San Andreas connaît une hausse de petits séismes à la fin de l’été et au début de l’automne, alors que les failles situées le long de la bordure orientale de la Sierra Nevada enregistrent plus de séismes à la fin du printemps et au début de l’été. Les scientifiques précisent que cela ne signifie pas forcément qu’il y a une «saison sismique», mais que l’« impact saisonnier » joue un rôle. Même si la neige et les précipitations annuelles n’augmentent que légèrement le risque sismique, leur découverte fournit de nouvelles informations sur la façon dont les failles se rompent et pourquoi elles se rompent, ainsi que les contraintes qui sont mises en jeu.
L’étude ne prend pas directement en compte les séismes majeurs, mais les chercheurs ont examiné des événements historiques de magnitude supérieure à M 5.5 jusqu’en 1781. Ils ont constaté une légère augmentation de la sismicité lorsque l’impact saisonnier est plus élevé. L’étude ne prend pas en compte, et ne donne donc pas d’explications, sur l’essaim sismique enregistré sur la faille de San Andreas en septembre 2016.
Au début de l’année 2017, les scientifiques de l’Université de Stanford ont déclaré que la Californie connaîtrait à l’avenir plus d’inondations hivernales et de sécheresses estivales en raison du changement climatique. Les auteurs de l’étude disent qu’ils ne savent pas si des conditions météorologiques plus extrêmes entraîneront davantage de séismes dans les années à venir car ils n’ont pas exploré les tendances sur le long terme.
Les scientifiques prévoient maintenant d’affiner leur modèle d’impact saisonnier pour mieux comprendre «ce qui déclenche les séismes». Ils vont continuer d’examiner l’impact saisonnier et les cycles sismiques en Alaska. Dans cet Etat, il y a davantage de précipitations tout au long de l’année, ce qui entraîne un impact saisonnier plus important. En explorant un environnement tectonique différent avec différents modèles d’impact, ils espèrent mieux comprendre la fréquence des séismes en fonction des variations de contraintes saisonnières.
Adapté d’un article paru dans Newsweek.

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According to two researchers from the University of California, Berkeley, earthquakes along the San Andreas Fault in California are being triggered by winter rain and snowfall. The finding is important as it helps us understand what triggers earthquakes—and when they are more likely to strike. Their findings are published in the journal Science.

The scientists were investigating what impact seasonal loading has on fault systems. Seasonal loading refers to how snow and rain over the winter months acts as a weight, causing the land to depress. However, when it dries up, the weight is removed and the ground rebounds. This process, the scientists found, changes the stress placed on California’s state tectonics, pushing and pulling on the fault lines, including the San Andreas Fault.

The San Andreas Fault forms part of the tectonic boundary between the Pacific and North American Plate, stretching 1280 km through California. In September last year, there was a swarm of around 200 small earthquakes in the Salton Sea, just south of the fault. This raised concerns that a much larger earthquake could soon take place. The region of the fault where the swarm occurred had not ruptured for over 300 years. Large earthquakes normally occur along the fault every 150 to 200 years, so scientists think a “Big One” is overdue.

In the latest study, the two researchers measured vertical movement along the state’s fault lines to track changes resulting from seasonal loading. They used nine years’ worth of GPS data on vertical deformation to identify the stress changes on the fault lines that produce small earthquakes. From this, they calculated the seasonal stress time for each fault location to calculate an average stress cycle. Findings showed that the San Andreas Fault has an increase in small earthquakes in late summer and early fall, while the faults along the eastern edge of the Sierra Nevada see more earthquakes in late spring and early summer. The scientists indicate that this does not mean there is an “earthquake season,” but that seasonal loading plays a role. While the annual snow and rainfall increases the chance of earthquakes by a small amount, their discovery provides new information on how and why faults rupture, including the different stresses involved.

The study does not look at large earthquakes directly, but the researchers did look at historic events bigger than M 5.5 going back to 1781. They found there was a slight increase in earthquakes when seasonal loading was high compared to when it was low. However, the current findings do not explain the swarm of earthquakes at the San Andreas Fault in September 2016 which was not taken into account in the study.

Earlier this year, Stanford University scientists said California will experience more winter flooding and summer droughts in the future as a result of climate change. The authors of the study say it is not clear whether more extreme weather would lead to more earthquakes in the future as they did not explore longer-term trends.

Next, the scientists plan to refine their seasonal loading model to better understand “what makes earthquakes go.” They are continuing to look at seasonal loading and the earthquake cycle in Alaska. In that State there is more precipitation throughout the year that results in larger loads. By exploring a different tectonic environment with different loading patterns, they hope to learn more about the timing of the earthquakes with respect to the seasonal stress changes.

Adapted from an article in Newsweek.

Dans la faille de San Andreas… (Photos: C. Grandpey)