impact du méthane sur le réchauffement climatique

ECOLE DES MINES DOUAI
____________
BAUDOUX (Maxime)
BREDA (Cédric)
ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
L’IMPACT DU METHANE SUR LE RECHAUFFEMENT CLIMATIQUE
ET LES SOLUTIONS APPORTEES
Promotion 2010
Année Scolaire 2006 – 2007
2
3
TABLE DES MATIERES
Résumé……………………………………………………………………………..4
Abstract……………………………………………………………………………..5
Introduction………………………………………………………………………..7
I. L’EFFET DE SERRE, UN PROCESSUS NATUREL AMPLIFIE PAR L’HOMME
1. L’effet de serre, mise en évidence et mécanisme…………….……..9
a) Energie thermique
b) Présence d’une atmosphère
c) Composition de l’atmosphère
2. L’effet de serre est-il responsable
du caractère oscillant du climat ?…………………………………….14
3. L’effet de serre, un phénomène accentué par l’Homme…………..19
a) Impact de l’Homme sur les gaz à effet de serre naturel
b) Les gaz à effet de serre industriels
4. Les conséquences du réchauffement climatique............................22
II. LE ROLE DU METHANE DANS LE RECHAUFFEMENT CLIMATIQUE
1. Présentation du méthane…………………………………………….…27
2. Le méthane, un gaz à effet de serre…………………………………..30
3. Les sources de méthane sur notre planète…………………………...32
a) Le méthane d’origine naturel
b) Le méthane d’origine anthropique
4. Les hydrates de méthane :
un espoir énergétique et une inquiétude écologique…………………38
a) Origine des hydrates de méthane
b) Des sources inépuisables
III. COMMENT MESURER LE METHANE ? COMMENT POURRAIT-ON
L’EXPLOITER ?
1. Techniques
de détection et de mesure de méthane…………………………………45
a) La spectrométrie
b) La méthode photo acoustique
c) La méthode laser
2. L’exploitation du méthane : une solution ?……………………………..54
a) Les prisons rwandaises
b) Les bus lillois
Conclusion………………………………………………………………………....56
Bibliographie………………………………………………………………………57
4
RESUME
____________
Notre étude traite du rôle du méthane sur le réchauffement climatique. Ce dernier
phénomène, qui est au centre des débats environnementaux actuels est du à l’effet
de serre, qui dépend de la composition de l’atmosphère et qui permet d’expliquer en
partie les variations de températures survenues lors des dernières ères glaciaires.
L’homme intervient dans ce processus en transformant la composition de
l’atmosphère par l’émission de différents gaz à effet de serre dus aux activités
industrielles ou agricoles.
Le méthane est l’un des principaux gaz à effet de serre émis par l’Homme, il
renvoie 23 fois plus de rayonnement infrarouge que le dioxyde de carbone mais est
présent en quantités plus modestes dans l’atmosphère. Il provient de la
décomposition de matières organiques en milieux anaérobies par des bactéries
méthanogènes. Les activités humaines produisant le plus de méthane sont la
riziculture et l’élevage bovin. Le méthane est par ailleurs le principal composant du
gaz naturel.
Il existe, de plus, de grandes réserves de méthane sous forme d’hydrates de
méthane qui sont en fait des cristaux d’eau et de méthane qui ressemblent à de la
glace.
La dernière partie du document est consacrée aux manières de réduire les
quantités de méthane émises dans l’atmosphère : en limitant simplement les
émissions de méthane des activités qui en produisent le plus ou en utilisant le
méthane produit comme une source d’énergie.
Nous présentons également un aperçu des appareils de mesure qui permettent de
connaître la teneur de l’atmosphère en méthane.
MOTS MATIERES
- réchauffement climatique
- méthane
- environnement
- spectrométrie
- hydrates de méthane
- effet de serre
- Développement durable
5
ABSTRACT
___________
Our document deals with the impact of methane on the global warming. This latter
phenomenon, which is the main concern of the current environmental debates, is due
to the greenhouse effect that depends on the atmosphere composition and allows us
to partly explain the temperature variations that happened during the last ice ages.
Man interferes with this process by changing the atmosphere composition by the
emission of greenhouse gases coming from either industrial or agricultural activities.
Methane is one of the most important greenhouse gases; it reflects 23 times more
infrared radiations than the carbon dioxide but it is less present in the atmosphere. It
comes from the decomposition by methanobacterium of organic materials in
anaerobic milieus. The human activities producing most methane are rice growing
and cattle breeding. In addition methane is the main component of natural gas.
Moreover there are huge methane stocks by the means of the methane hydrates
that actually are water and methane crystals, very similar to ice.
The last part of the document is dedicated to the ways of cutting back the
quantities of methane released in the atmosphere: simply by putting a limit to the
emissions of the most methane-emitting activities or by using the produced methane
as a source of energy.
We also present a list of measuring devices that enable us to know the methane
concentration in the atmosphere.
KEY WORDS
- global warming
- methane
- environment
- spectrometry
- methane hydrates
- greenhouse effect
- sustainable development
6
7
INTRODUCTION :
Avec la naissance de l’ère industrielle, les problèmes environnementaux
sont devenus, dans notre société, des préoccupations majeures. Depuis quelques
décennies, c’est le réchauffement climatique qui suscite le plus de craintes. L’intérêt
qui lui est porté n’est plus à démontrer : il est au cœur des débats scientifiques et
politiques mondiaux (la conférence de Kyoto en 1997), il est largement traité par les
médias (au cinéma par exemple avec le film d’Al Gore « Une vérité qui dérange »),
enfin le grand public manifeste souvent ses inquiétudes quant à ce phénomène. En
effet, les symptômes du réchauffement climatique observés au cours de ce siècle
(ex : montée du niveau des océans, fonte des glaciers …) sont particulièrement
spectaculaires et ne peuvent donc laisser indifférent.
La cause du réchauffement climatique est bien connue : il s’agit de l’effet de
serre, qui est la capacité (naturelle) de l’atmosphère à conserver une partie de
l’énergie des rayons solaires réfléchis par le sol. Le coupable le plus souvent pointé
du doigt est le dioxyde de carbone, que l’homme produit en grande quantité chaque
année, néanmoins, d’autres gaz à effet de serre ont également un impact non
négligeable sur le climat (ex : vapeur d’eau, hydrocarbures,…). Ainsi le méthane,
hydrocarbure présent de manière considérable sur la Terre, joue un rôle méconnu et
pourtant très important sur l’équilibre climatique de notre planète.
Pour comprendre ce rôle nous serons amenés à rappeler en détail ce qu’est le
réchauffement climatique et donc de décrire les mécanismes de l’effet de serre. Nous
serons également amenés à parler d’histoire climatologique : nous verrons quels
étaient les taux de gaz à effet de serre à des moments clés des cycles climatiques
(pendant les ères glaciaires notamment).
Quelles sont les propriétés du méthane ? Quelles sont ses sources ? Quelle part
joue l’homme dans sa production ? Quelles interactions existent entre le méthane et
d’autres gaz à effet de serre et quelle menace représente t-il ?
Nous tâcherons de répondre à ces questions dans une deuxième partie et nous
évoquerons également le potentiel (ainsi que le risque) que représentent les
hydrates de méthane, des cristaux ressemblant beaucoup à de la glace et qui se
trouvent en abondance dans les sols.
Enfin nous nous intéresserons aux instruments de mesure qui permettent
d’évaluer la concentration de méthane dans l’atmosphère. Nous verrons également
les solutions qui sont envisagées pour utiliser le méthane comme une source
d’énergie, et qui semblent donc transformer le problème écologique en solution
énergétique.
8
9
I. L’EFFET DE SERRE, UN PROCESSUS NATUREL AMPLIFIE
PAR L’HOMME
1.
L’effet de serre : mise en évidence et mécanisme
Dans un premier temps, familiarisons nous avec les paramètres
qui déterminent la température à la surface d’une planète.
a) Energie thermique
Le premier paramètre auquel nous nous intéresserons est l’énergie
thermique reçue par une planète du Soleil. En effet, en absence de Soleil, la Terre
aurait une température de – 243°C (seule l’activité radioactive de son noyau
l’empêcherait d’atteindre le zéro absolu). [1]
L’énergie thermique joue un grand rôle et on pourrait penser que c’est le
seul facteur à influer sur les températures de surface d’une planète. Cette énergie
varie en fonction de l’inverse du carré de la distance entre la planète et le Soleil. [2]
Autrement dit, plus la planète est proche du Soleil et plus elle reçoit d’énergie, au
contraire plus elle en est éloignée et plus l’énergie reçue est faible. Si la température
ne dépendait que de l’énergie reçue on aurait le graphe suivant :
Graphe de la température théorique des planètes en fonction de leur distance au
Soleil [3]
On voit sur le graphe que la température de la Terre serait de -18°C et
celle de Vénus de 40°C. Or, en réalité, la Terre a une température de 15°C, et Vénus
est constamment au dessus des 450°C.
10
Comment expliquer de telles différences ?
La température d’une planète ne dépend pas uniquement de l’énergie
thermique reçue par le Soleil.
Aussi importante soit elle, l’énergie thermique reçue n’est qu’une variable, d’une
complexe équation : ce qui nous amène à chercher d’autres paramètres. [3]
b) Présence d’une atmosphère
Montrons que l’un des facteurs déterminants est la présence
d’atmosphère. Pour ce faire, procédons à une comparaison entre les conditions
régnant sur la Terre et celles régnant sur la Lune. En effet la Lune se trouve
sensiblement à la même distance du Soleil mais sa petite taille lui interdit de
posséder une atmosphère. [3]
Les conditions de température que l’on y enregistre correspondraient,
ainsi, à celles de la Terre, sans son atmosphère.
Les conclusions sont les suivantes [3]:
le Jour, la Terre serait brûlée
En effet, en l’absence d’atmosphère, tous les rayonnements solaires, y compris les
plus dangereux (rayons U.V et rayons X) atteindraient la surface planétaire, et
porteraient sa température à 100°C.
La nuit, la Terre serait gelée
La température de notre planète pourrait descendre aux environs de -130°C la nuit.
Nous venons de démontrer l’importance capitale de l’atmosphère,
tentons maintenant de comprendre quels sont les phénomènes qui justifient son
utilité :
L’albédo
L’albédo d’une surface est le rapport de l’énergie solaire réfléchie par l’énergie
solaire reçue. Il est compris entre 0 et 1. 0 correspondrait à un corps noir absorbant
toute l’énergie lui parvenant et 1 serait la valeur qu’obtiendrait un miroir absolu.
L'albédo moyen du système Terre - atmosphère est de 0,30. C'est-à-dire que pour
100 W reçus par le sommet de l'atmosphère, 70 Watts sont effectivement absorbés
par la Terre ou l'atmosphère sous forme de chaleur. [1]
L’effet de diffusion
L’intégralité du rayonnement solaire n’atteint pas la surface de la Terre, une partie
(15%) est absorbée puis diffusée dans toutes les directions tandis qu’une autre est
tout simplement réfléchie vers l’espace (environ 6%). La majeure partie atteint le sol
de manière directe (79%). [4]
11
Schéma de la répartition de l’énergie solaire reçue au niveau de l’atmosphère [4]
L’effet de serre
Tout corps chauffé émet un rayonnement comme par exemple quand un morceau de
fer est chauffé à blanc. Certains rayonnements ne sont cependant pas visibles
(comme celui de notre corps qui a une température de 37°C). La Terre, chauffée par
le Soleil, émet au niveau de sa surface un rayonnement infrarouge (tout comme
notre corps). [1]
Certains gaz de notre atmosphère réagissent à ce rayonnement infrarouge : ils le
capturent et le réémettent dans toutes les directions, une partie est donc renvoyée
vers le sol. Ce phénomène est appelé effet de serre et les gaz qui y contribuent sont
appelés gaz à effet de serre.
L’atmosphère a donc la faculté de piéger une partie du rayonnement infrarouge
et de le renvoyer vers le sol : c’est l’effet de serre
Schéma de l’effet de serre [5]
12
Ainsi, l’effet de serre, créé par l’atmosphère, est indispensable pour
maintenir, de jour comme de nuit, une température supportable à la surface de la
Terre. Il permet non seulement d’éviter un écart trop important entre le jour et la nuit,
mais aussi de maintenir la température moyenne de la Terre à 15°C.
c) Composition de l’atmosphère
L’atmosphère est constituée uniquement de gaz. Ce sont donc eux qui
emprisonnent une partie du rayonnement infrarouge, ou plus exactement, certains
d’entre eux. Ces derniers sont appelés gaz à effet de serre (G.E.S).
Comme on l’a vu, un gaz à effet de serre est un gaz qui s'oppose
partiellement au rayonnement infrarouge émis par la surface de la terre. La majeure
partie des gaz constitutifs de notre atmosphère sont transparents au rayonnement que la
Terre reçoit du Soleil, mais pas tous : l'ozone, en particulier, s'oppose aux ultraviolets
reçus du soleil. Ces gaz sont donc capables d’intercepter les rayons infrarouges et de les
renvoyer à la surface terrestre. C’est pourquoi ils sont à l’origine de l’effet de serre, et
donc du réchauffement climatique. [6]
Parmi ces gaz, on retrouve, entre autres :
•
•
•
•
•
•
•
•
•
La vapeur d’eau (H2O)
Le dioxyde de carbone (CO2)
Le méthane (CH4)
Le protoxyde d’azote (N2O)
L’ozone (O3)
Les chlorofluorocarbones (CFC)
Les fréons
Le perfluorométhane
L’hexafluorure de soufre (HF6)
Cependant tous les gaz n’ont pas le même effet sur l’effet de serre, certains
contribuent plus au réchauffement que d’autres. Pour les comparer on calcule leur
forçage radiatif, c'est-à-dire la puissance du rayonnement qu’ils renvoient vers le sol
cumulée sur 100 ans pour une quantité donnée de gaz. Cette valeur se mesure
relativement au pouvoir relatif (PRG) du dioxyde de carbone, ainsi pour le méthane par
exemple qui a un PRG de 23, cela signifie qu’il renvoie 23 fois plus de rayonnement vers
le sol que ne le fait le dioxyde de carbone.
13
Le tableau suivant nous donne une idée des pouvoirs relatifs des différents gaz :
Gaz
Formule
PRG relatif / CO2 (à 100 ans)
Gaz carbonique
CO2
1
Méthane
CH4
23
Protoxyde d’azote
N2O
298
Perfluorocarbures
CnF2n+2
6500 à 8700
Hydrofluorocarbures
CnHmFp
140 à 11700
Hexafluorure de soufre
SF6
23900
Tableau comparatif des pouvoirs relatifs de différents gaz à effet de serre [6]
On remarque donc que certains gaz ont des effets bien plus importants sur l’effet
de serre que le dioxyde de carbone à quantités égales. Cependant le dioxyde de carbone
joue un plus grand rôle car il est présent dans des quantités très supérieures aux autres
gaz présents dans ce tableau.
14
2. L’effet de serre est-il responsable du caractère oscillant du
climat ?
Comme nous l’avons vu, sans atmosphère, et donc sans effet de
serre, toute vie est impossible sur notre planète. L’effet de serre permet à la Terre de
conserver une température moyenne de 15°C.
Cependant notre planète a déjà connu des périodes froides,
appelées périodes glaciaires.
Par l’étude des carottes de glace, les scientifiques savent maintenant
que le climat de la Terre n’a cessé de fluctuer par le passé, entre des périodes
glaciaires et des périodes interglaciaires. On a pu observer des différences de
température pouvant aller jusqu’à 5°C. De même il y a 50 millions d’années, sous le
règne des dinosaures, la couverture de glace aux pôles n’existait pas. [7]
On a pu ainsi prouver l’existence des ères glaciaires, dont voici une liste [8] :
•
•
•
•
•
La glaciation huronienne, de -2.4 à -2.1 Ga
celle de la fin du précambrien, de -800 à -550 Ma
l'ordovicienne, autour de -450 Ma
la permo-carbonifère, de -350 à -250 Ma
l'ère glaciaire actuelle, qui a débuté en Antarctique il y a 30 ou 40 Ma.
Il est à noter que chacune de ces ères est entrecoupée par des périodes
plus chaudes, appelées périodes interglaciaires. Elles sont le plus souvent moins
longues que les périodes glaciaires. Nous vivons à l’heure actuelle dans l’une de ces
périodes.
15
Voici un tableau récapitulatif des périodes glaciaires et interglaciaires des 600
derniers millions d’années [8]:
Période glaciaire
1re période glaciaire, de Günz
Âge
(années)
600 000
540 000
2e période glaciaire, de Mindel
2e période interglaciaire, de Mindel-Riss
240 000
180 000
4e période glaciaire, de Würm
1re période interglaciaire, de Günz-Mindel
480 000
430 000
3e période glaciaire, de Riss
Période interglaciaire
3e période interglaciaire, de Riss-Würm
120 000
10 000
Comment expliquer ces variations du climat ?
Pour répondre à ce problème, les scientifiques ont proposé
l’hypothèse d’une variation de l’orbite de la Terre. Beaucoup de données
paléoclimatiques provenant de carottes de glace et de sédiments de mer ont été
utilisées pour confirmer ces idées. [8]
Néanmoins, ces variations orbitales ne semblent pas suffisantes pour
expliquer à elles seules de tels bouleversements climatiques. Des variations de
composition de l’atmosphère et donc de l’effet de serre seraient à l’origine des
grandes différences de température entre périodes chaudes et périodes froides. En
effet ces variations augmenteraient la réponse climatique initiale aux variations
orbitales.
Tandis que l’on utilisait des carottes glaciaires afin de déchiffrer des
variations du climat passé, on analysait également la composition gazeuse des
bulles d’air emprisonnées dans la glace. Les résultats sont sans équivoque : pendant
les périodes glaciaires, l’atmosphère a connu une pénurie de dioxyde de carbone,
gaz à effet de serre important. En effet, les courbes de dioxyde de carbone et de
température dans l’histoire de la Terre se correspondent presque parfaitement.
16
On a observé les mêmes variations pour le méthane :
Températures et concentrations en méthane au cours des 160 derniers millénaires
[9]
Nous savons maintenant que l’effet de serre a joué un rôle important
dans les fluctuations climatiques du passé. Cependant un nouveau problème se
pose :
Comment expliquer ces changements de composition atmosphérique ?
Lorsque la planète voit son orbite modifiée, elle se refroidit
immédiatement du fait d’un ensoleillement de moindre puissance, mais cela
n’explique que partiellement les variations observées. Au même moment les glaces
prennent le dessus sur la faune, la flore et les océans. Or, le pouvoir Albédo de la
neige et des glaces est bien plus important (95%) que celui des océans (10%). On
peut donc imaginer que le pouvoir Albédo global de la Terre augmente sensiblement
et renvoie une plus grande quantité d’énergie solaire dans l’espace. De fait, la
température de la planète baisse encore. La raréfaction de la végétation est alors
irrémédiable, et entraîne avec elle une diminution du dioxyde de carbone dans
l’atmosphère. L’effet de serre perd alors de son efficacité et conserve de moins en
moins l’énergie renvoyée par l’effet albédo, qui, de plus, ne cesse de croître.
Entraînée dans cette spirale climatique, la Terre se voit entrer dans une nouvelle
période glaciaire. Il faut attendre la prochaine variation orbitale et le rapprochement
vers le Soleil pour voir la température augmenter. [9]
17
Il est à noter que l’effet de serre induit une rétroaction positive au phénomène de
baisse des températures. En effet, la variation d’orbite entraîne une baisse des
températures qui encourage le développement de la couche de glace. Le taux de
dioxyde de carbone chute du fait de la raréfaction des étendues de forêt et l’effet de
serre diminue en conséquence, ce qui diminue encore la température. Cela
augmente encore l’étendue des glaces, etc.… Ainsi la diminution de la concentration
augmente encore la baisse des températures dont il est la conséquence : c’est une
rétroaction positive.
Pour illustrer le pouvoir de l’albédo, des scientifiques ont eu l’idée d’imaginer
différents scénarios possibles et de calculer, à l’aide de modèle, les températures
correspondantes (sans tenir compte du rôle de l’atmosphère) [10]:
Albédo
Température
d'équilibre
La Terre est couverte par un immense océan (planète Waterworld)
0,07
+ 2 °C
La Terre est entièrement couverte de neige (théorie dite Snowball)
0,76
- 77,3 °C
La Terre est couverte de sable (planète Dune)
0,31
- 17,7 °C
La Terre est couverte de forêts (planète des Ewoks)
0,18
- 6,23 °C
L'albédo moyen de la planète Terre et sa température d'équilibre
0,32
- 19 °C
Autre exemple frappant de l’importance de l’albédo: si on compare les albédos
de la période actuelle et de l’époque glaciaire de Würm la variation reste faible
pourtant les températures sont très différentes [11]:
Albédo
Température
d'équilibre
Epoque actuelle
0,32
- 19°C
Période Glaciaire de Würm (- 20 000 ans)
0,38
- 24,5 °C
18
La Terre doit donc son histoire « mouvementée » à 3 processus :
Elément déclencheur : variation orbitale de la planète
Augmentation irrémédiable de l’indice albédo globale
Diminution de l’effet de serre
L’effet de serre n’est donc pas à l’origine des périodes glaciaires et
interglaciaires, mais y a toutefois joué un rôle important au travers de la rétroaction
positive.
L’effet de serre est donc un phénomène tout à fait naturel et sans lui, la vie
n’aurait pu se développer sur la Terre. Mais depuis le XIXe siècle, l’Homme le
modifie et l’amplifie.
19
3.
a)
b)
c)
a)
L’effet de serre, un phénomène accentué par l’Homme
Impact de l’homme sur les gaz à effet de serre naturels
Nous ne sommes pas sans savoir que depuis 1820, les activités
humaines se sont développées et diversifiées. En effet, la découverte de nouvelles
sources d’énergies (ex : électricité, charbon, pétrole), ont permis aux Hommes de
devenir plus productifs : c’est l’ère industrielle.
Nous avons vu que certains gaz à effet de serre sont présents
naturellement dans l’atmosphère : le dioxyde de carbone, la vapeur d’eau, le
méthane, le protoxyde d’azote.
Le graphe suivant souligne le lien entre les Hommes et l’effet de serre. En
effet, ces derniers augmentent les concentrations en dioxyde de carbone dans
l’atmosphère.
Concentrations en CO2 et températures [12]
Le dioxyde de carbone n’est pas le seul gaz rejeté par l’activité humaine,
on note également une hausse des concentrations en méthane et en protoxyde
d’azote depuis la révolution industrielle:
20
Concentrations en divers gaz à effet de serre depuis 1700 [13]
b) Les gaz à effet de serre industriels
L’Homme n’augmente pas seulement le taux de G.E.S (gaz à effet
de serre) dans l’atmosphère, il en crée.
Les principaux gaz à effet de serre industriels sont les
halogénocarbures, de formule générique du type : CxHyHalz, (une molécule avec x
atomes de carbone, y atomes d’hydrogène et z radicaux Hal) où Hal représente un
ou plusieurs halogènes. Il s’agit d’une vaste famille de gaz obtenus en remplaçant,
dans une molécule d’hydrocarbure (le butane, le propane ou encore l’octane), de
l’hydrogène par un gaz halogène (fluor, chlore, brome, iode). Les halocarbures les
plus courants sont les CFC (chlorofluorocarbures).
21
Ces molécules ont deux propriétés notables :
Elles absorbent très fortement les infrarouges, beaucoup plus que le
dioxyde de carbone
Certaines d'entre elles sont très "solides" : elles sont chimiquement très
stables dans l'atmosphère, car les rayonnements solaires mettent très
longtemps pour casser ces molécules.
Ainsi les halogénocarbures ont, non seulement, un
pouvoir d’effet de serre très fort, mais en plus, ils ont des durées de vie dans
l’atmosphère qui peuvent être très longues. [12]
22
4. Les conséquences du réchauffement climatique
Après avoir vu comment fonctionnaient les mécanismes pouvant induire un
réchauffement climatique, intéressons nous maintenant aux conséquences de ce
dernier phénomène.
En premier lieu, les scientifiques s’accordent à dire que le niveau des eaux
augmenterait du fait de deux phénomènes [14]:
- quand la température de l’eau liquide augmente, sa masse volumique
diminue, ce qui implique que pour une même quantité massique d’eau, le
volume occupé sera plus grand si l’eau est plus chaude. A l’échelle des
océans on peut imaginer que cela représente de très grandes augmentations
de volume.
- De grandes quantités d’eau sont stockées dans des glaciers, ainsi la fonte des
glaces continentales entraînerait elle aussi une augmentation du volume des
océans.
Certains scientifiques prédisent même une montée des eaux extrêmement
importante en se basant sur ce qui s’est produit il y a 130 000 ans, quand le
Groenland a libéré une grande partie de son eau stockée sous forme de glace du fait
d’une élévation de 3°C or les océans étaient alors 4 à 6 mètres au dessus du niveau
actuel. Cette même élévation des températures est attendue pour les prochaines
années, aussi la comparaison est tentante mais à prendre avec d’infinies
précautions. En effet, l’élévation des niveaux des eaux était alors due (et dans des
proportions sur lesquelles les scientifiques ne s’accordent pas) à la fonte du manteau
de glace qui recouvrait l’Amérique du Nord. De plus les variations sont survenues sur
des milliers d’années alors qu’actuellement le réchauffement climatique est bien plus
rapide. Cette hypothèse reste donc très controversée. [15]
Les différents modèles climatologiques donnent des estimations très différentes et,
si les plus alarmistes font état d’une énorme élévation future du niveau des océans,
les études sur lesquelles s’accordent un grand nombre d’experts font état d’une
élévation de 18 à 59 cm (4e rapport du GIEC, Groupe d'Experts Intergouvernemental
sur l'Evolution du Climat). [14]
Dans tous les cas, l’élévation du niveau des eaux ne cesse d’inquiéter, d’autant
plus qu’elle menace de submerger certaines régions du monde (des états comme les
Pays Bas ou le Bengladesh, qui ont de très faibles altitudes seraient parmi les
premiers touchés).
L’humidité moyenne de l’air devrait également augmenter ainsi que la quantité des
précipitations hivernales dans l’hémisphère nord à des latitudes moyennes et
élevées de l’hémisphère nord ainsi que dans certaines régions subtropicales. [14]
23
Par ailleurs, la circulation thermohaline (la plongée des eaux froides et salées vers
le fonds des océans qui assure le renouvellement des eaux en profondeur et la
clémence du climat européen) pourrait ralentir ou même, sur le long terme, s’arrêter.
Le Gulf Stream par exemple, qui est un courant océanique au rôle essentiel dans
l’Atlantique Nord, est menacé par la fonte des glaces : un fort apport d’eau douce
diminuerait la différence de densités entre les eaux salées des profondeurs et les
eaux moins salées de la surface et pourrait bien mettre un terme à ce courant
océanique. [14]
Les scientifiques prévoient également un recul de la couverture neigeuse et une
fonte partielle des glaciers. La calotte glaciaire de l’hémisphère nord devrait
également commencer subir une diminution, contrairement à l’antarctique qui n’est,
semble t-il, pas menacé. [14]
Au niveau biologique, les experts s’accordent à dire que, même si certaines
espèces verront leurs aires de répartitions augmenter, la biodiversité pâtira du
réchauffement climatique. En effet comme après d’autres crises biologiques il y aura
des extinctions de masse : seules les espèces qui seront déjà adaptées aux
changements à venir survivront. L’impact serait d’autant plus grand que les variations
de températures seraient rapides et importantes.
Les systèmes les plus sensibles seraient : les glaciers, les récifs coralliens, les
mangroves, les forêts boréales et tropicales, les écosystèmes polaires et alpins, les
prairies humides. [14]
Les conséquences pour l’Homme seraient :
- une baisse des rendements agricoles dans les régions subtropicales et tropicales
- des pénuries d’eau dans les régions sèches et tropicales (mais des précipitations
accrues dans d’autres régions sèches, ces dernières années par exemples, des
précipitations plus importantes ont été relevées dans le Sahara)
- des demandes plus fortes en énergie pour la climatisation (mais plus faibles pour le
chauffage)
- risques accrus d’inondation du fait de la montée des eaux (risques déjà évoqués
plus en détail précédemment)
- une mortalité hivernale plus faible dans l’hémisphère nord (hivers plus doux) mais
plus forte mortalité estivale (canicules). [14]
24
Bilan : Comme nous l’avons vu, l’effet de serre est un phénomène
naturel, apparu bien avant la naissance de l’Homme. Sur la Terre, il est à l’origine de
la vie, en instaurant un climat favorable à cette dernière. Cependant, depuis la
révolution industrielle, l’Homme a amplifié le processus en exploitant les nouvelles
sources d’énergie et en modernisant l’industrie. En effet, depuis 1900, la température
moyenne est montée de 0,5 °C. C’est un véritable tr aumatisme pour le climat.
L’Homme a peut-être tout simplement déréglé le cycle des périodes glaciaires. En
effet, si l’effet de serre est plus important, on peut imaginer que la Terre n’entrera pas
dans une prochaine période de glace. La climatologie est une science complexe et
nous sommes, de ce fait, incapable de prévoir ce qui se passera.
C’est pourquoi, il est important de limiter la libération de G.E.S.
dans l’atmosphère. Cependant l'ozone (03) fait partie des gaz à effet de serre et en
ce sens il participe comme les autres aux déséquilibres dus à l'augmentation de
l'effet de serre. Mais l’ozone joue un rôle particulier dans l’atmosphère : son
imperméabilité aux rayons ultraviolets protège les humains des rayons dangereux du
soleil. C’est pourquoi les émissions d’origine industrielle qui ont pour effet de détruire
l’ozone peuvent avoir des conséquences très graves. Il s’agit notamment des C.F.C.
25
26
27
II LE ROLE DU METHANE DANS
LE RECHAUFFEMENT CLIMATIQUE
1. Présentation du méthane
Le méthane fut découvert en 1776 par Alessandro Volta qui étudiait la
composition du (gaz des marais) (on lui doit par ailleurs l’invention de la pile
électrique).
Le méthane est un hydrocarbure de la famille des alcanes. Sa molécule
possède un atome de méthane et quatre atomes d’hydrogène, d’où sa formule
chimique CH4. Par convention, on représente un atome de carbone par une boule
noire et les atomes d’hydrogène par des boules blanches plus petites.
Représentation 3D d’une molécule de méthane [16]
Le méthane est l’un des principaux composants du biogaz, il est synthétisé
naturellement par des bactéries méthanogènes à partir de matières végétales ou
animales, dans un milieu anaérobie. Nous reviendrons plus tard en détail sur les
mécanismes de production du méthane et sur ses origines. [16]
Les gisements fossiles de gaz naturel comportent entre 50 et 60 % de
méthane, le gaz naturel brut est alors épuré jusqu'à ce qu’il contienne 90% de
méthane. Il est ensuite transporté par voie maritime sur des méthaniers à une
température de -162 °C et à une pression voisine de la pression atmosphérique.
Les réservoirs sont construits sur le principe de la « bouteille thermos » et leur
capacité peut aller jusqu'à 50 000 m³ de gaz liquide par réservoir. Un méthanier
comportant plusieurs réservoirs, sa cargaison peut actuellement atteindre 154
000 m³ de GNL, Gaz Naturel Liquéfié, composé à plus de 90% de méthane. Les
futurs méthaniers pourront transporter jusqu'à 260 000 m³ de GNL. Le volume du
méthane à l'état gazeux est 600 fois plus important que son volume à l'état
liquide, à pression atmosphérique. Le méthane est incolore et inodore mais pour
des raisons de sécurité on lui associe une substance chimique odorante, du
mercaptan, pour pouvoir facilement détecter d’éventuelles fuites de gaz.
28
Le tableau suivant résume les propriétés chimiques du méthane les plus
utilisées. Le numéro EINECS est un numéro propre à la substance chimique
donné par un organisme européen : l'Inventaire Européen des Substances
chimiques Commerciales Existantes. Quant au numéro CAS, il correspond à
l’enregistrement d’une substance dans la banque de donnée américaine de
Chemical Abstracts Service.
CH4
Nom
méthane
numéro EINECS
200-812-7
numéro CAS
74-82-8
Code
R50
Formule développée plane
H
|
H-C-H
|
H
Propriétés physiques
Dans l’eau : 0,4 ml (à 20°C)
Solubilité pour 100 mL
de solvant
Dans l’alcool : 47 ml (à 20°C)
Dans l’éther : 104 ml (à 10 °C)
Température : 667°C
Combustion
Equation :
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
Densité du methane liquide
0,415 à -164 °C
Masse moléculaire
16,043 u
Température de fusion
90,55 K (-182,6 °C)
Température d'ébullition
111,75 K (-161,4 °C)
Point triple
90,68 K (-182,47 °C)
11,7 kPa
Point critique
190,45 K (-82,7 °C)
4,596 MPa
Masse volumique (à -164 °C) 415 kg/m³
29
Le méthane est un gaz explosif et doit donc être manipulé avec de grandes
prudences. Par le passé, il a été responsable de plusieurs accidents industriels
mortels. On peut notamment penser à l’explosion tragique de la raffinerie TOTAL
de Berre, le 9 novembre 1992, qui fit 9 victimes parmi les employés de la
compagnie. « Le souffle de l’explosion a totalement ravagé un carré de 200
mètres de côté, transformé en chaos de tubulures d’aluminium, a soufflé les vitres
de plusieurs bâtiments bien au-delà du périmètre de l’installation, notamment une
école et un gymnase situés à 900 mètres du lieu du sinistre. » écrit Lucien Degoy,
le lendemain de la catastrophe, pour le journal l’Humanité. [17]
Bien que très utilisé le méthane est un gaz dangereux et les sites qui en
utilisent sont donc soumis à de strictes restrictions.
Enfin, le méthane pourrait diminuer la faculté de l’atmosphère à éliminer des
gaz nocifs. En effet, dans l’atmosphère, le méthane est oxydé par le radical OH
(qui provient de la dissociation photochimique de O3 (l’ozone) et de H2O (vapeur
d’eau). Or ce radical permet également d’oxyder des principaux polluants
atmosphériques comme le monoxyde de carbone, des composés du type NOx
(un atome d’azote et x atomes d’oxygène) et d’autres composés organiques. La
concentration en radical OH a déjà baissé de 20% depuis 1750 à cause de
l’augmentation de la concentration en méthane et l’on redoute que si la
concentration venait à baisser en dessous d’un seuil limite, les polluants ne
seraient plus oxydés par le radical OH.
30
2. Le méthane, un gaz à effet de serre
Comme on l’a vu dans la partie précédente, les gaz à effet de serre absorbent
une partie du rayonnement infrarouge et la renvoient vers le sol. Le méthane
quant à lui absorbe des rayonnements compris entre 2 et 17 microns (comme le
montre le graphique ci-dessous).
Spectre d’absorption du méthane : transmittance en fonction de la longueur
d’onde [18]
Ces rayonnements sont bien compris dans le domaine de l’infrarouge, le
méthane est donc un gaz à effet de serre. Le méthane a donc un rôle direct sur le
réchauffement climatique : plus sa concentration dans l’atmosphère est élevée et
plus l’effet de serre est important. Il est, de plus, important de noter que le
méthane renvoie plus d’énergie que le dioxyde de carbone à des quantités égales
(23 fois plus environ, comme indiqué dans le tableau comparatif des pouvoirs
relatifs de différents gaz à effet de serre en I.1)c) ). Cependant, le méthane se
trouvant dans des quantités moindres dans l’atmosphère (1,7 ppmv pour un PRG
de 23) il n’est considéré que comme le troisième gaz responsable du
réchauffement climatique derrière le dioxyde de carbone (365 ppmv pour un PRG
de 1) et les chlorofluorocarbones (760 pptv pour un PRG de 16 000).
31
Outre son action directe évidente sur l’effet de serre, le méthane joue un rôle
plus insidieux à travers plusieurs influences indirectes :
-
Son utilisation comme combustible dégage du dioxyde de carbone et de la
vapeur d’eau (CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O), qui sont deux gaz à effet de serre
très importants. On estime à 380Mt par an la quantité de dioxyde de carbone
dégagée du fait de l’utilisation du méthane. [19]
-
Les océans peuvent stocker de grandes quantités de méthane et de dioxyde
de carbone : ce sont des puits de carbone. Cependant les quantités qu’il peut
stocker sont, bien entendu, limitées et plus il stocke de méthane et moins il
pourra stocker de dioxyde de carbone. Ce problème est préoccupant car avec
une élévation des températures la solubilité du méthane dans l’eau va
diminuer. De plus, les scientifiques suspectes qu’au-delà d’une certaine
température limite, les courants océaniques entraînant des eaux de surface
vers les profondeurs ne cessent complètement. Or c’est justement les parties
inférieures des océans qui représentent les plus grands puits de carbone. [20]
32
3. Les sources de méthane sur notre planète
Afin de ralentir la production de méthane, et ainsi l’effet de serre sur notre
planète, il est nécessaire de connaître ses origines, naturelles et humaines.
a) Le méthane d’origine naturelle
Le méthane était déjà un élément présent en grande quantité sur notre
planète avant le début de l’ère industrielle. Il est donc d’origine naturelle. Mais d’où
provient-il ?
Le méthane est le principal constituant du gaz naturel, et, plus
précisément, du gaz biogénique. Ce dernier est issu de la fermentation par des
bactéries de sédiments organiques. Les gisements biogéniques sont le plus souvent
petits et situés à de faibles profondeurs. Ils représentent à eux seuls 20% des
réserves de gaz sur notre planète. Le méthane est ainsi le seul hydrocarbure
classique qui peut être obtenu grâce à un processus biologique naturel. [21]
Les bactéries productrices de méthane sont qualifiées de méthanogènes.
Elles se développent dans les milieux anaérobies, c'est-à-dire dépourvus de
dioxygène. En effet, ce gaz peut leur être fatal, même à l’état de trace. Ces
conditions strictes sont respectées dans les sédiments des eaux douces et des eaux
marines, dans les rizières, dans les sources d’eau chaude d’origine volcanique, dans
le tube digestif des animaux, etc.… Aujourd’hui, plus de 50% du méthane issu de ces
bactéries provient des ruminants et des termites des régions tropicales. [21]
Cette méthanogenèse n’est possible qu’en l’absence de dioxygène et en
présence de dioxyde de carbone et de dihydrogène. Les bactéries réduisent alors le
CO2 en CH4 selon le schéma suivant [21]:
33
Le schéma le plus simple de production de méthane est le suivant :
CO2 + 4H2 => CH4 + 2H2O
Le passage du dioxyde de carbone au méthane s’effectue, d’après le
schéma précédent, par quatre réductions successives, mais peut aussi partir de
l’acide formique ou du méthanol. Les électrons proviennent généralement de H2,
voire du fer (FeO).
Dans le cas de la méthanogenèse acétoclastique, la réduction se fait à
partir de l'acide acétique :
CH3COOH => CH4 + CO2
Les deux types de méthanogenèse sont liés à des bactéries du groupe
des archébactéries. A noter que ces réactions ne peuvent s’effectuer qu’en milieu
anaérobie, non seulement du fait de la toxicité du dioxygène envers les
archébactéries, mais également parce qu’en sa présence le carbone réagit
spontanément avec le dihydrogène pour former du dioxyde de carbone et de l’eau.
De ce fait, les endroits naturels où il est possible de préserver les détritus
organiques de l’oxygène de l’air sont sous l’eau, et sous la terre. Dans les
marécages et les marais, les restes des plantes qui ont poussé à proximité, y
tombent et se décomposent à l’abri de l’oxygène. Ils représentent donc une source
véritablement importante de méthane.
Les fonds océaniques, libèrent, eux aussi, de grandes quantités de
méthane dans l’atmosphère. En effet, des milliards de bactéries vivent dans
l’épaisseur des sédiments océaniques, et se nourrissent de matières vivantes
provenant de la surface. Le plancton marin, très abondant dans la partie supérieure
des océans représente une pluie organique, à laquelle s’ajoute les restes
décomposés de déchets, d’excréments et de cadavres. Ces résidus sont rejoints par
des particules d’origine continentale chargées en nutriments organiques et amenées
par les rivières. Ainsi, au fil des temps, un substrat organique s’accumule au fond des
océans (parfois à des centaines de mètres de profondeur) et représente une aubaine
pour les bactéries méthanogènes.
Néanmoins, certains scientifiques s’accordent sur le fait qu’il existerait
une barrière anti-méthane naturelle. En effet, on a constaté que 90% du méthane
océanique est dégradé par des processus microbiologiques qui utilisent l’importante
concentration de sulfate amenée dans les fonds par les eaux marines. [22]
34
Schéma de la barrière anti-méthane
Cette barrière est donc capitale dans la régulation du climat à
l’échelle planétaire
Enfin, plus récemment, des chercheurs allemands ont découvert une
nouvelle source de méthane : les plantes. [23]
En effet, leur étude a révélé que les végétaux sont capables, même
dans un milieu riche en dioxygène, de produire de grandes quantités de méthane.
Les expériences ont été réalisée dans un milieu dépourvu de méthane et stérilisé,
afin d’éviter toute contamination bactériologique. Ils ont travaillé sur des plantes
vivantes. Les résultats : les émissions de méthane augmentent avec la température
et l'ensoleillement. Mais les chercheurs ne savent pas encore par quels mécanismes
le méthane est produit. [23]
Cette découverte bouleverse les connaissances des végétaux et du
cycle du méthane et explique les fortes concentrations de méthane au dessus des
forêts tropicales.
Mais prenons cela avec précautions : ces résultats récents n’ont pas
encore été confirmés.
Ainsi, bien que le méthane soit un hydrocarbure, il est très
présent sur notre planète, notamment dans les milieux humides et pauvres en
dioxygène : marais, sous-sols, fonds océaniques, etc.…C’est pourquoi, pour
réduire les émissions de méthane dans l’atmosphère, il est nécessaire de se
pencher sur ces sources qui ont un impact important sur l’équilibre climatique
de notre planète.
35
b) le méthane d’origine anthropique
Comme l’effet de serre, les émissions de méthane sur notre planète
sont d’origine naturelle, mais aggravées par l’Homme, comme le schéma ci-dessous
le montre :
Evolution de la concentration en méthane au cours du dernier millénaire
[24]
Mais d’où proviennent ces émissions d’origine anthropique ?
Le gaz naturel, comme il a été dit précédemment est composé de
90% de méthane. Sa combustion dans nos foyers crée du dioxyde de carbone mais
durant l’acheminement entre le gisement et le domicile des usagers de nombreuses
fuites relâchent du méthane dans l’atmosphère.
Par ailleurs, comme nous l’avons vu, des bactéries méthanogènes se
trouvent dans les systèmes digestifs des animaux, notamment des ruminants. On
peut donc imaginer que l’homme, en pratiquant de l’élevage intensif, augmente ces
productions de méthane. Ce phénomène n’est donc plus un phénomène naturel,
puisqu’il est intensifié par les Hommes. [25]
Cet élevage intensif est dû à une forte demande : la hausse du
niveau de vie s’accompagne en effet d’une consommation plus importante de viande.
Ainsi la production mondiale d’ici 2050 devrait plus que doubler, passant de 229 à
465 millions de tonnes.
36
Les espèces animales produisent du méthane de deux façons : par
leur digestion et par leurs éructations, ou plutôt par la manière dont l'homme gère
ces dernières. C'est en effet la fermentation de la nourriture ingérée par les animaux
qui est à l'origine du méthane "digestif". La quantité produite dépend naturellement
du gabarit de l’animal, de son mode d'alimentation et de la part de la digestion due à
l'action des microorganismes méthanogènes.
Chez les ruminants, le système digestif est formé de plusieurs
cavités successives où prolifèrent des milliards de microorganismes.
Au total, 74 millions de tonnes de méthane sont libérées chaque
année dans l'atmosphère par les animaux d'élevage. Les trois quarts environ (74 %)
de cette quantité proviennent uniquement des bovins, de 8 à 9% des moutons et des
buffles, le reste : porcs, chevaux, mules, chameaux, ânes et volailles. Résultat : en
un siècle, la production totale de CH4 a été multipliée par 5.
En 1890, un bovin relâchait en moyenne 35 kg de méthane par an ;
en 1983, il en exhalait 45 kg. Cela montre que plus un animal est performant (en
termes de production de viande ou de lait), plus il émet de CH4. [25]
Autre problème de type agricole, les rizières, représentent plus de
70 millions de tonnes de méthane relâchées par an. Ici, cette production se joue sur
deux niveaux : non seulement les rizières sont riches en bactéries méthanogènes,
mais en plus la profondeur du plant de riz et sa ramification donne la faculté à cette
plante de transporter le méthane du sol jusqu’à l’atmosphère
On peut donc constater que l’agriculture et l’élevage intensifs
représentent une source très importante de méthane à l’échelle mondiale.
Le schéma suivant représente la contribution des différentes
activités sur la production de méthane en France en 2001 :
Part de différentes activités dans l’émission du méthane en France en 2002 [26]
37
L’impact de l’Homme sur les concentrations en méthane est d’autant plus grand,
qu’il agit sur plusieurs niveaux : cf. graphe ci-dessous [28] :
En conclusion, les sources de méthane, qu’elles soient
naturelles ou humaines, sont très abondantes sur notre planète. Le plus
inquiétant étant l’ampleur de leur production gazeuse dans l’atmosphère.
Ainsi, le méthane n’est pas seulement un gaz à effet de serre très puissant,
mais aussi un gaz très présent sur notre planète. Par conséquent, il a un
impact considérable sur l’effet de serre.
38
4. Les hydrates de méthane : un espoir énergétique et une inquiétude
écologique
a) Origine des hydrates de méthane
Comme nous le savons, les sédiments océaniques et les sous-sols
regorgent de bactéries méthanogènes. Cependant le méthane qui en résulte peut
soit être libéré directement dans l’atmosphère (cas des marais), soit resté sous terre
pendant des millénaires. Le meilleur exemple de méthane prisonnier des sous-sols
est sans conteste le gaz naturel. En effet, il s’agit de poches de méthane anciennes
qui ne se sont jamais échappées de terre.
Néanmoins, le méthane est un gaz plus léger que l’air, et tente donc
tant bien que mal de regagner la surface, sous l’effet des forces de pression. Mais
plusieurs cas de figure peuvent se présenter à lui : une couche imperméable peut
bloquer sa progression (exemple : phase gazeuse d’une poche d’hydrocarbure), ou,
plus intéressant, l’eau peut s’associer à lui, si le milieu est favorable : forte pression,
température modérée et grande quantité de méthane afin que l’eau soit saturée. Le
cristal qui en résulte est de l’hydrate de méthane, un produit ressemblant à de
la glace, avec un pouvoir corrosif. [27] [29]
Les molécules d'eau forment un cristal de glace (une structure solide,
donc) composé de dodécaèdres réguliers, et l'intérieur de chaque dodécaèdre est
occupé par une molécule de gaz retenue prisonnière. Si le gaz retenu prisonnier est
du méthane, ce dernier représente à peu près 20% de l'ensemble en poids.
Représentation schématique d'un des types possibles d'hydrate de gaz [27]:
39
Cette transformation du méthane en hydrate de méthane peut
également se produire sous des sols gelés en permanence dans les hautes latitudes
(appelés pergélisols) et au niveau des sédiments océaniques. [29]
Sous les pergélisols, les couches d’hydrate de méthane peuvent
atteindre des centaines de mètres d’épaisseur, comme l’indique l’analyse du schéma
ci-dessous [31]:
Cependant, les hydrates de méthane présents en profondeur se
situent essentiellement au niveau des sédiments océaniques.
Ces molécules inquiètent les scientifiques. En effet, une
augmentation de leur température, causée par exemple par un réchauffement
climatique, peut les rendre instables, et ainsi libérer dans l’atmosphère le
méthane qu’elles contiennent et accentuer davantage l’effet de serre. C’est
pourquoi beaucoup de recherches sont effectuées à leur sujet. [29]
40
b) Des sources inépuisables
L’étude suivante consiste à évaluer la quantité d’hydrate de méthane
se trouvant sur notre planète, afin d’évaluer le risque d’une augmentation de
température.
Ce graphique permet d'expliquer quelles sont les zones où il est a priori
possible (ou impossible) de trouver des hydrates. [27]
La courbe intitulée « gradient géothermique » représente en réalité la
température moyenne de l’eau en fonction de la profondeur.
La zone en bas à gauche représente la zone de stabilité des hydrates de
méthane. On peut remarquer qu’à partir d’une certaine température Tf les hydrates
de méthane sont volatiles et que cette température Tf augmente quand la pression
augmente.
Par ailleurs, ce composé, moins dense que l’eau, a tendance à remonter à
la surface, le conduisant à des températures plus élevées, entraînant sa
désagrégation. [29]
Par contre, les quantités d’hydrate de méthane sont très faibles
dans des eaux profondes. En effet, la vie est rare dans de tels milieux. Or nous
avons vu que le méthane ne peut être formé qu’à partir de matières organiques. De
plus, pour former des hydrates, le méthane doit être suffisamment concentré afin de
saturer l’eau dans lequel il se dissout.
41
Il résulte de ce qui précède que, pour l'essentiel, les hydrates sont
supposés être sur les talus continentaux, ces zones qui plongent des plateaux
continentaux vers les abysses, et où la profondeur d'eau est de quelques centaines
de mètres, sauf pour les zones polaires où il peut aussi y en avoir sur les plateaux
continentaux.
La technique la plus utilisée pour détecter des hydrates de méthane
en profondeur, est la sismique. En effet, les hydrates conduisent le signal sonore
beaucoup plus rapidement que le sédiment ordinaire, de telle sorte que quand un
fond contient des hydrates en quantité notable, l'écho de cette zone est plus faible
que celui du reste des sédiments. En plus, le bas de cette zone (qui est le bas de la
zone de stabilité des hydrates, à cause de la chaleur des entrailles de la terre,
comme expliqué ci-dessus) engendre un écho très caractéristique qui ressemble
fortement à celui du fond de l'océan.
Quand une zone est suspectée, les géologues procèdent alors au
carottage de la zone afin d’évaluer les quantités d’hydrate de méthane. On a pu ainsi
reconstituer une cartographie des hydrates. Le résultat est préoccupant : les
chercheurs de l’USGS (US Geologic Survey) ont évalués le stock d’hydrates sur
Terre à 10.000 milliards de tonnes de carbone, soit l’équivalent du double de
l’ensemble du gaz, du pétrole, et du charbon extractibles de la planète.
Si la Terre venait à se réchauffer suffisamment pour libérer, dans
l’atmosphère, tout le méthane contenu dans ces hydrates, le résultat serait plus que
catastrophique. [30]
Ces chiffres sont à prendre néanmoins avec prudence. En effet, les
carottages sont délicats à effectuer, en raison de l’instabilité des hydrates à pression
atmosphérique.
42
Le risque qu’engendrent ces composés ne provient pas uniquement
d’un éventuel réchauffement climatique. Sur une planète où l’énergie se raréfie
(pétrole, charbon), les Hommes pourront être tentés, à l’avenir, d’exploiter ces
hydrates, ainsi de libérer eux-mêmes de grandes quantités de méthane dans
l’atmosphère. [27]
En conclusion, nous ne pouvons pas nous désintéresser des
hydrates de méthane. En effet, le réchauffement de la surface planétaire que
nous avons mis en route, et qui va forcément s'amplifier à l'avenir va
également se propager vers le fond de l'océan, certes très doucement, mais
très réellement. Lorsque l'élévation de température se sera propagée jusqu'à la
zone de stabilité des hydrates, une partie de ceux-ci pourrait se désagréger, et
libérer leur méthane qui partira dans l'atmosphère et causer une catastrophe
écologique sans précédent. [28]
43
44
45
III. COMMENT MESURER LE METHANE ? COMMENT POURRAIT-ON
L’EXPLOITER ?
1. Techniques de détection et de mesure de méthane
Afin d’évaluer l’impact du méthane sur le réchauffement climatique, il est
nécessaire de connaître ses concentrations dans l’atmosphère. Pour se faire,
différentes méthodes ont été mises en œuvre.
Afin d’évaluer les teneurs en gaz, et en particulier en méthane, que
l’atmosphère a contenu par le passé, nous avons vu qu’il était possible de pratiquer
la méthode du carottage. En effet, les carottes de glace prélevées aux pôles
renferment des bulles d’air anciennes et peuvent être analysées en laboratoire. Mais
il existe d’autres méthodes, plus efficaces.
a) La spectrométrie
La spectrométrie regroupe l’ensemble des méthodes d’analyse de
spectres, permettant de déterminer la composition et la structure de la matière.
Les spectres sont fournis par les interférences entre la matière à analyser
et des phénomènes énergétiques, comme la lumière, les rayons X,…
Les spectromètres, embarqués à bord de satellites, sont donc capables de
mesurer les concentrations de l’atmosphère en méthane, en effectuant de nombreux
essais autour de la planète. Cette méthode est d’autant plus intéressante qu’elle
permet de détecter les sources de méthane, les zones les plus concentrées, et ce,
de manière très précise.
Nous exposerons les différents types de spectrométries et verrons
comment on peut obtenir la composition chimique d’une atmosphère par cette
méthode.
46
α. La spectrométrie d’absorption
L’absorption lumineuse par les molécules est un puissant instrument
analytique à la fois qualitativement et quantitativement. La spectroscopie
d’absorption atomique (SAA) est basée sur le fait que les atomes libres peuvent
absorber la lumière d’une certaine longueur d’onde.
L’absorption de chaque élément est spécifique, et de ce fait il peut
détecter la nature de l’atome.
La détermination spectroscopique d’espèces atomiques ne peut être
réalisée qu’à partir d’un échantillon à l’état gazeux, dans lequel les atomes
individuels comme l’Ag, l’Al, l’Au, le Fe et le Mg sont nettement séparés les uns des
autres. [31]
Les spectres d’absorption traduisent ce phénomène.
Exemple d’un spectre d’absorption : celui de la chlorophylle :
Spectre d’absorption de la chlorophylle [31]
Les raies sombres, appelées raies d’absorption, représentent les longueurs
d’onde de lumière absorbées par l’échantillon. L’absorption des radiations résulte
d’une variation d’énergie, due à un changement d’orbite de la part d’un ou de
plusieurs électrons. Ce sont souvent les électrons externes qui sont à l’origine de ces
phénomènes.
Ces spectres sont en quelques sortes les « cartes d’identité » des atomes.
47
β. La spectrométrie d’émission
Pour la spectrométrie d’émission on excite les particules que l’on
étudie pour qu’elles atteignent de hauts niveaux d’énergie. Pour ce faire, on peut les
chauffer à de hautes températures (la méthode s’appelle alors la spectroscopie
d’émission atomique), ou on peut stimuler les atomes grâce à des sources
lumineuses (spectroscopie de fluorescence atomique). Les atomes ainsi stimulés
tendent à retrouver des niveaux d’énergie inférieurs en émettant de la lumière à une
certaine fréquence. Cette fréquence est propre à la nature de l’élément excité et
dépend de ses niveaux d’énergie (des seuils que l’atome franchit à la manière d’un
escalier). Elle permet donc d’identifier sans ambiguïté l’élément étudié.
Plus précisément on excite les atomes de la manière suivante : les
atomes étudiés sont aspirés dans la région de stimulation où ils sont dissous,
vaporisés et atomisés par une flamme, une décharge ou un plasma. Ces sources
transmettent suffisamment d’énergie à l’atome pour qu’il atteigne des seuils élevés
d’excitation et qu’il se désintègre ensuite pour se rapprocher de son état
fondamental. En se désintégrant ils émettent de la lumière et la mesure quantitative
de ces émissions optiques permet de déduire la concentration. C’est le principe de
spectrométrie atomique (SEA).
On peut utiliser une flamme pour la SEA qui s’appelle alors
spectrométrie à émission de flamme (SEF), et qui est très utilisée dans les analyses
élémentaires. Elle permet en effet de déterminer à la fois la nature et la quantité de
certains éléments présents dans un échantillon. On s’en sert principalement pour
déterminer la présence de sodium, potassium, lithium et calcium dans les fluides et
tissus biologiques. [32]
48
χ.
La spectrométrie au service de l’analyse chimique de l’atmosphère.
L’énergie des planètes provient en grande partie des rayonnements
stellaires, qui envoient des photons, de longueur d’onde comprise entre 0,2 et 3
micromètres. Le spectre d’émission solaire représente l’intensité lumineuse pour
chaque longueur d’onde de photon.
Spectre d’émission solaire pour deux températures différentes [33]
Néanmoins, l’énergie fournit par le Soleil est inférieure à l’énergie reçue
par la planète, du fait de la dissipation et de la réflexion de certains rayons par notre
atmosphère. Ainsi, si on considère que la Terre est un corps noir, du fait de la
diversité chimique de son atmosphère, elle absorbe tous les photons solaires et toute
l’énergie reçue, et sa température reste néanmoins inférieure à celle du Soleil. Par
conséquent, le spectre d’émission de la Terre est composé de raies caractéristiques
des faibles longueurs d’onde : les infrarouges. Les expériences ont montré que le
domaine d’émission tellurique est compris entre 3 et 100 micromètres.
Par ailleurs, les gaz de l’atmosphère terrestre absorbent beaucoup
plus les rayonnements infrarouges que les rayonnements ultraviolets ou du visible.
(Même si l’ozone absorbe énormément les ultraviolets). Ceci explique à la fois la non
opacité de l’atmosphère pour les rayonnements solaires, mais aussi l’importante
absorption du rayonnement terrestre. [33]
En outre, cette absorption du rayonnement terrestre dépend
principalement de la nature chimique des éléments présents dans l’atmosphère. Le
spectre tellurique possède ainsi des lacunes, par rapport au spectre du corps noir,
qui sont caractéristiques d’un ou de plusieurs éléments chimiques. Par conséquent
l’étude de ces lacunes révèle, grâce aux tables, la composition chimique de la
planète. De plus, la largeur de ces raies noires est proportionnelle à la concentration
du gaz en question dans l’atmosphère. [33]
49
En conclusion :
Il est possible de déterminer les teneurs en n’importe quel gaz, dans
l’atmosphère,de n’importe quelle planète, en envoyant des satellites, munis de
spectromètres, capables de dresser le spectre d’émission de la planète. Mais il faut
pour cela travailler dans le domaine de l’infrarouge.
δ. La spectrométrie de masse
La spectrométrie de masse (SM) utilise le mouvement des ions dans les
champs électriques et magnétiques afin de les classer en fonction de leur rapport
masse/charge.
Les instruments utilisés dans ces études fonctionnent selon le principe que les
ions en mouvement peuvent être déviés par des champs électriques et magnétiques.
Le dispositif qui réalise cette opération et utilise des moyens électriques pour
détecter les ions classés s’appelle un spectromètre de masse. [34]
La SM fournit des informations qualitatives et quantitatives sur la composition
atomique et moléculaire des matériaux inorganiques et organiques.
quel est son principe de fonctionnement ?
Considérons une particule de masse m, de charge électrique q, placée
dans un champs magnétique B constant, de vitesse v constante et perpendiculaire à
B.
On a la force de Lorenz : f = q.v Λ B= |q|vB = m.v²/R , d’après le principe
fondamental de la dynamique. [34]
D’où, R = (m.v)/(|q|.B)
Ainsi,, si on connaît la vitesse de la particule et sa charge, on peut
déterminer sa masse.
Le spectromètre de masse a été conçu par Joseph John Thomson. Il
permet de sélectionner des particules de masses différentes. Produites par une
décharge, les particules sont accélérées par une différence de potentiel. Soumises à
un champ magnétique, elles décrivent une trajectoire circulaire, proportionnelle à leur
masse, d’après la formule ci-dessus. Ainsi, en faisant varier le champ électrique et le
champ magnétique, on peut détecter.
50
L’appareil est constitué de 4 parties :
Le système d’introduction de l’échantillon
La source d’ionisation, qui ionise la molécule
L’analyseur, qui sépare les ions selon leur masse
Le système de traitement : Les ions sont transformés en signal électrique. Plus
les ions sont nombreux, plus le courant est élevé. Par ailleurs, le détecteur
amplifie le signal obtenu pour qu’il puisse être traité informatiquement.
Schéma de fonctionnement du spectromètre de masse [34]
Exemple d’un spectre de masse : celui de l’ester méthylique de l’acide
abiétique, constituant de la colophane :
Exemple d’un spectre de masse [35]
51
La présence des ions 316, 301 et 241 permet aux biologistes d’identifier
la colophane avec certitude.
Ainsi la spectrométrie est une méthode précise, fiable, mais coûteuse
quand il s’agit d’utiliser des satellites pour déterminer les teneurs en méthane de
notre atmosphère. En effet, les mesures doivent être nombreuses, et effectuées sur
l’ensemble de la planète. Les avions peuvent également être équipés de tels
appareils afin de déterminer les concentrations atmosphériques de tout gaz à
n’importe quelle altitude. [34]
Elle est beaucoup plus utilisée pour établir la composition chimique d’une
pièce, d’un bâtiment.
b) La méthode photoacoustique
Le principe de la méthode photo acoustique consiste à exposer l’échantillon
gazeux, placé dans une cuve, à un rayon laser ou à une lumière dont la fréquence
est modulée en fonction de l’élément à analyser (en effet on a vu plus haut que cette
fréquence est propre à chaque élément). Une partie du signal émis est absorbé par
le gaz ce qui induit des variations de pression qu’un microphone permet de détecter.
On en déduit ainsi la concentration du gaz étudié. Le schéma suivant représente les
principales parties de cet appareil de mesure :
Schéma de la spectrométrie photoacoustique [36]
Quand une molécule absorbe un rayonnement lumineux, elle passe d’un état
fondamental à un état excité et cette différence dépend de la fréquence du
rayonnement (chaque élément absorbe des fréquences différentes) :
E1 – E0 = h*ν
avec h constante de Planck et ν la fréquence de la lumière absorbée.
Pour restituer cette énergie absorbée la molécule peut :
- restituer un photon, c’est la désexcitation radiative sur laquelle repose le principe
déjà évoqué de spectrométrie d’émission.
- initier une réaction chimique
- transmettre son énergie à une molécule voisine
- rencontrer une autre molécule et transmettre son énergie sous forme d’énergie
cinétique (elle augmente la vitesse de la molécule rencontrée) ce qui provoque un
échauffement. [36]
52
C’est le dernier phénomène qui nous intéresse dans le principe de la
spectrométrie photoacoustique. En effet, les variations de températures dues à la
désexcitation des molécules vont induire des variations de pression comme le
montre la loi des gaz parfaits :
pV=nRT
p : pression du gaz
V : volume
n : quantité de matière
R : constante
T : température
Dans la cuve, le volume et la quantité de matière du gaz sont
constants et on a donc proportionnalité entre variations de température et variations
de pression.
C’est alors que le microphone intervient, il convertit les variations de
pression en signaux électriques.
Rappels des étapes suivies par l’échantillon dans la spectrométrie photoacoustique
[36]
Cette méthode est particulièrement adaptée à la mesure du méthane
dans l’atmosphère car elle est très sensible tout en présentant une large gamme de
mesures possibles et est particulièrement efficace à pression atmosphérique. [36]
53
c) La méthode laser
Il existe des procédés pour détecter des fuites de méthane à faible
échelle, comme dans une pièce ou sur un site d’usine. Ils permettent de garantir la
sécurité du personnel et de protéger les environs (rappelons que le méthane est
explosif). Certains de ces appareils se portent simplement à la ceinture et permettent
à leur porteur de prendre conscience du risque éventuel qu’ils courent.
D’autres appareils utilisant des lasers permettent de mesurer la
concentration en méthane de l’air à plus d’une centaine de mètres et avec une
grande précision. Ils se présentent sous la forme d’appareils manipulables à la main
que l’on pointe dans la direction où l’on veut mesurer le méthane, ils indiquent alors
s’il y a du méthane et dans quelles proportions. [37]
54
2. L’exploitation du méthane : une solution ?
Les fortes augmentations des émissions de méthane sont
préoccupantes, nous l’avons vu. Cependant, les ralentir ne serait pas la meilleure
solution. En effet, dans notre monde actuel, la production de masse prime, même
dans le domaine agricole. Il sera donc difficile de réduire ces émissions, d’origine
anthropique, de manière suffisamment significative pour préserver l’environnement.
Néanmoins, la reconversion de ce gaz en énergie est un enjeu
actuel. Plusieurs processus de ce type existent déjà. Nous en exposerons quelques
exemples.
a) Les prisons rwandaises
A la suite du terrible génocide qu’a connu le Rwanda, les centres
pénitenciers y sont surpeuplés. Par ailleurs, ce pays, ravagé par la guerre et en
manque de moyens, est en pénurie d’énergie. C’est pourquoi, les ingénieurs
rwandais ont eu l’idée d’utiliser les excréments des détenus, riches en méthane,
comme source d’énergie. Désormais, la moitié des prisons rwandaises s’éclairent, se
chauffent et cuisinent au biogaz. Ce système d’autosuffisance énergétique devrait, à
l’avenir, équipé de nombreux bâtiments collectifs au Rwanda.
La fermentation des déchets organiques s’effectue dans une cuve
de confinement parfaitement anaérobie : le « biodigesteur ». Le gaz produit est
constitué à 60% de méthane.
Mais le Rwanda ne veut pas s’arrêter aux prisons : le projet de
développer cette technique au niveau familial est bien réel. Le problème majeur étant
la liaison entre les sanitaires et le biodigesteur. Selon Ainea Kimaro, un ingénieur du
KIST en charge des travaux, il serait préférable d’utiliser la force de gravité sur un
système de pompes. Un autre inconvénient est le stockage de ces matières. En effet
la réaction microbienne est relativement longue et il faudrait des réservoirs d’environ
1000 m3 pour éviter un problème de surcharge. Mais avec de telles dimensions, au
bout d’un mois, la décomposition de 100 m3 de déchets fournit 50 m3 de gaz.
Le gain pour l’environnement serait colossal si on pouvait adapter
ce processus aux bouses de vaches. Par ailleurs, les matières obtenues en fin de
fermentation sont propres, sans odeur, et ne perdent en aucun cas leurs propriétés
bénéfiques au niveau agricole. Ces composés peuvent donc remplacer les fumiers,
polluants, comme engrais. [38]
55
b) Les bus lillois
L’agriculture n’est pas le seul facteur anthropique émetteur de
méthane. En effet, dans les grandes villes, les ordures ménagères, ne manquent
pas. C’est pourquoi, leur gestion et leur reconversion permettraient non seulement
d’empêcher leur dissipation mais aussi de produire un carburant à source
renouvelable.
La communauté urbaine de Lille a donc eu l’idée de récupérer ce
biogaz, issu de la fermentation des ordures ménagères, afin de faire circuler ses bus.
Un centre de valorisation organique sera donc construit en 2007 à Sequedin. Il sera
unique en Europe. En effet, il sera capable de traiter plus de 100 000 tonnes de
déchets par an, une quantité colossale.
Les bus circulant au biogaz seront au nombre de 150. Cependant,
même si le biogaz est moins polluant que les ordures ménagères, il produit du
méthane, donc seule une partie du problème est résolue.
En Allemagne, ce processus existe déjà, mais à moindre ampleur.
Néanmoins, le biogaz ne sert pas ici comme carburant. En effet, les bus fonctionnent
par électricité, obtenue par les gaz issus de la méthanisation des ordures. Le
problème des émissions de méthane est donc résolu. [39]
56
CONCLUSION :
Comme nous l’avons vu, le méthane est l’un des principaux gaz à
effet de serre responsables du réchauffement climatique. Ce dernier constitue une
des inquiétudes écologiques majeures de ce siècle. En effet son influence sur le
climat peut causer de coûteux dégâts à long terme, en augmentant la fréquence et la
violence des tempêtes et des inondations. Les enjeux sont donc économiques et
humaines mais également écologiques car la biodiversité est mise en péril.
De plus, le méthane, outre son rôle direct sur l’effet de serre, joue
également un rôle direct en induisant une augmentation des concentrations en
dioxyde de carbone. Aujourd’hui nous pouvons prendre conscience de l’ampleur du
problème et de la part de responsabilité de l’Homme grâce à des techniques de
mesures élaborées.
La méthode la plus employée étant la spectrométrie lumineuse, du
fait de sa précision et de sa fiabilité. Cependant, mesurer les taux de méthane dans
l’atmosphère n’est pas suffisant. Il est nécessaire de réduire ces émissions, voire de
les convertir en énergie utile et respectueuse de l’environnement.
En effet, des initiatives prometteuses ont été prises dans le souci
d’un développement durable. Ainsi les bus lillois rouleront grâce au méthane produit
par les ordures ménagères de la ville. On peut donc utiliser le méthane comme
source d’énergie mais pour que la solution soit complète il faut envisager une
réduction des émissions. Le méthane anthropique provenant principalement de
l’élevage intensif et de la riziculture, le secteur agricole serait surtout concerné, tout
comme l’est le secteur industriel avec le dioxyde de carbone.
Des efforts doivent être faits pour capter le méthane et de simples
drainages réguliers permettent de limiter les productions des rizières. De plus
certains sols mieux exploités constitueraient des sources de méthane bien moins
importantes (une prairie est moins productrice qu’un marais). Enfin, nous devons
individuellement participer à l’effort collectif car la majorité des fuites de gaz naturel
se produisent chez le particulier.
Les hydrates de méthane sont également une menace pour
l’équilibre climatique de la planète. Ces « prisons de méthane » sont présentes en
quantités démesurées dans l’écorce terrestre et pourront libérer leur méthane si le
réchauffement climatique venait à s’intensifier.
D’inquiétantes menaces pèsent sur l’avenir, et leurs conséquences
seraient difficilement prévisibles. Cependant des solutions existent, même si elles
peuvent encore être améliorées. Le temps est donc à l’action.
57
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