De nouveaux traceurs dans les carottes de glace dévoilent l'histoire des feux de végétation depuis 650 ans

Jeudi, 2 décembre 2010

Une équipe franco-américaine de chercheurs du Laboratoire de glaciologie et géophysique de l'environnement de Grenoble(1) (LGGE, CNRS / Université Joseph Fourier) et de l'Université américaine de Stony Brook vient de lever le voile sur l'évolution séculaire à grande échelle des feux de végétation dans l'hémisphère sud, grâce à une approche originale : la reconstruction de l'évolution du monoxyde de carbone et de ses isotopes stables dans deux carottes de glace forées en Antarctique. Leurs travaux publiés ce jour dans Science Express révèlent en effet qu'au cours des 650 dernières années, les émissions de ce gaz trace par les feux de végétation dans l'hémisphère sud ont connu de fortes variations, en lien avec l'évolution climatique. Par ailleurs, ces travaux remettent en question les inventaires disponibles de cette source depuis l'époque préindustrielle.

Qu'ils soient d'origine naturelle ou humaine, les feux de végétation constituent un élément essentiel du fonctionnement des enveloppes superficielles de la Terre. Ils affectent la composition de l'atmosphère par l'émission de nombreux gaz chimiquement réactifs comme les oxydes d'azote, le monoxyde de carbone et les composés organiques volatils, mais aussi par l'émission de suies à l'état particulaire. Ils contribuent également à l'évolution du bilan radiatif terrestre par l'émission de gaz carbonique, de méthane et indirectement d'ozone dans la troposphère. Enfin ils participent ou affectent le fonctionnement de certains écosystèmes naturels.

L'évolution temporelle des feux de végétation peut être reconstituée à l'échelle globale depuis 1995 grâce aux données satellites. Pour les dernières décennies, des bases de données existent qui compilent des inventaires nationaux.
Plus loin dans le temps, on peut reconstituer indirectement la fréquence et l'intensité de ces feux à l'échelle locale et sur des milliers d'années en observant les résidus de combustion (particules de suie) enregistrés par exemple dans les sédiments lacustres. Cependant, ces données demeurent très parcellaires et non représentatives à l'échelle régionale ou hémisphérique.

Vue générale du site de forage D47, en Antarctique, où le LGGE a foré une des deux carottes de glace utilisées dans cette étude. L'emploi d'un carottier thermique a permis l'obtention d'une carotte de gros diamètre (12 cm), rendant possible les analyses du CO et de ses isotopes qui requièrent 1 kg de glace par échantillon. © Jérôme Chappellaz, CNRS/LGGE. Pour tenter de pallier au moins partiellement ces lacunes, une petite équipe de chercheurs du LGGE et de l'université américaine de Stony Brook s'est intéressée à l'évolution au cours du temps de la concentration en monoxyde de carbone (CO) et des rapports isotopiques du carbone et de l'oxygène de ce gaz, mesurés dans les bulles d'air de deux carottes de glace forées en Antarctique (aux sites de D47 et de Pôle Sud).
Pourquoi un tel choix ? À l'état naturel, ce gaz trace est produit essentiellement par trois sources - l'oxydation du méthane, l'oxydation des hydrocarbures non-méthaniques dans l'atmosphère et les feux de végétation, dont les contributions relatives peuvent être évaluées indépendamment en utilisant les rapports isotopiques du carbone et de l'oxygène du CO produit. Les feux de végétation se distinguent en effet des deux autres sources par une proportion relativement plus importante de l'isotope stable 18 de l'oxygène du CO émis. Toute réduction de l'intensité des feux de végétation induira donc une baisse de la concentration de CO dans l'atmosphère, laquelle se traduira par un rapport isotopique oxygène-18 / oxygène-16 plus faible dans le CO atmosphérique résiduel. Un autre intérêt à ce choix est que les mesures dans cette région du globe reflètent au premier ordre l'évolution des sources de CO pour une large part de l'hémisphère sud.

En utilisant une nouvelle technique analytique originale et délicate, permettant d'extraire environ un milliardième de gramme de monoxyde de carbone piégé dans la glace de chaque échantillon (un kilo de glace est nécessaire pour chaque mesure), les chercheurs ont pu reconstituer pour la première fois et avec précision l'évolution combinée de la concentration et des deux rapports isotopiques oxygène-18 / oxygène-16 et carbone-13 / carbone-12 du monoxyde de carbone de l'atmosphère antarctique au cours des 650 dernières années et produire ainsi la première évaluation des changements d'intensité des feux de végétation à l'échelle de l'hémisphère sud durant cette période.

Les chercheurs ont ainsi fait plusieurs observations importantes. D'une part, la concentration de CO au-dessus de l'Antarctique a subi de larges variations tout au long de cette période de temps (jusqu'à 15 ppbv(2) autour d'une valeur moyenne de 45 ppbv), les valeurs les plus basses apparaissant du XVIe au XVIIIe siècle pendant la période du "Petit Âge de Glace", un refroidissement important surtout observé dans l'hémisphère nord. D'autre part, cette forte baisse s'accompagne d'une réduction du rapport isotopique oxygène-18 / oxygène-16 du CO. La réalisation d'un bilan isotopique précis a permis aux chercheurs de conclure que la source "feux de végétation" dans l'hémisphère sud a considérablement diminué, d'environ 50%, durant cette période de refroidissement. Ces travaux démontrent ainsi un fort couplage entre l'évolution climatique et l'ampleur des feux de végétation, au moins pour l'hémisphère sud.

Enfin, alors que l'augmentation du méthane au cours des derniers 150 ans (due aux activités humaines) devrait avoir induit un accroissement important du CO en Antarctique, ces nouvelles analyses indiquent que la concentration actuelle de CO est tout à fait comparable à celle du XIXe siècle. En revanche, le rapport isotopique oxygène-18 / oxygène-16 du CO a très fortement baissé depuis le XIXe siècle, suggérant une réduction importante de la source "feux de végétation"(3) qui aurait pratiquement compensée l'augmentation due au méthane. Les modèles couplés climat / chimie de l'atmosphère utilisés notamment pour évaluer le forçage radiatif de l'ozone troposphérique depuis la période préindustrielle supposent souvent, sur la base des inventaires d'émission, que globalement les feux de végétation en période préindustrielle n'émettaient que 10% du CO produit aujourd'hui par cette source, une hypothèse sérieusement remise en question par ces nouveaux travaux.

Cette recherche a bénéficié en France du soutien conjoint de l'INSU et de la Fondation Européenne pour la Science (programme Euroclimate), de la commission européenne (programme FP6), de l'Agence nationale de la recherche) et de l'Institut Polaire français Paul-Emile Victor.

Note(s): 
  1. Le LGGE fait partie de l'Observatoire des sciences de l'Univers de Grenoble (OSUG)
  2. milliardièmes de l'atmosphère en volume
  3. Une hypothèse avancée est que cette réduction pourrait être due aux modifications de l'occupation des sols par les activités humaines.
Source(s): 

Z. Wang, J. Chappellaz, K. Park, J.E. Mak, Large variations in Southern Hemisphere biomass burning during the last 650 years, Science, 2 décembre 2010.

Contact(s):
  • Jérôme Chappellaz, LGGE/OSUG
    chappellaz [at] lgge [dot] obs [dot] ujf-grenoble [dot] fr, 04 76 82 42 64

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