La fonte du pergélisol arctique pourrait émettre du protoxyde d'azote en grandes quantités, un gaz à effet de serre 300 fois plus puissant que le dioxyde de carbone et destructeur de la couche d'ozone. © Brocken Inaglory, Wikimedia Commons

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La fonte du pergélisol menace de libérer massivement un puissant gaz à effet de serre

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En proie à une fonte accélérée induite par le réchauffement climatique, le pergélisol arctique pourrait émettre des quantités inquiétantes de protoxyde d'azote, ou gaz hilarant, dans l'atmosphère. La planète ne risque pas de trouver cela amusant puisque c'est aussi un gaz à effet de serre 300 fois plus puissant que le dioxyde de carbone.

La fonte du pergélisol (permafrost en anglais) arctique pourrait rejeter dans l'atmosphère jusqu'à douze fois plus de protoxyde d'azote que ce que l'on pensait, d'après une étude réalisée en Alaska par des scientifiques de Harvard et de la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), parue dans le journal Atmospheric Chemistry and Physics. Connu du grand public pour son usage récréatif, le protoxyde d'azote (N2O), ou fameux gaz hilarant, est aussi le troisième gaz à effet de serre le plus préoccupant après le dioxyde de carbone (CO2) et le méthane. Il est environ 300 fois plus efficace que le CO2 pour retenir la chaleur et sa présence dans la stratosphère conduit à la destruction de la couche d'ozone.

Les émissions de protoxyde d'azote sont en hausse dans le monde à cause des activités humaines, principalement l'agriculture (utilisation massive des engrais). Les sols, notamment dans les régions tropicales, en sont des sources naturelles de par les micro-organismes producteurs qui y vivent. La contribution du pergélisol, c'est-à-dire des sols gelés en permanence, était considérée comme négligeable, une affirmation que remet aujourd'hui en cause cette nouvelle étude.

Des niveaux inattendus de protoxyde d'azote

L'étude a démarré en 2013 lorsqu'une équipe de chercheurs s'est rendue dans le nord de l'Alaska, dans une région dénommée North Slope, au bord de l'océan Arctique, afin de mesurer les niveaux de gaz à effet de serre les plus surveillés au monde, le CO2 et le méthane, ainsi que de la vapeur d'eau. La détection du protoxyde d'azote s'est ajoutée en prime. Les données ont été collectées en plein été, durant le mois d'août 2013, sur une surface équivalente à 310 km² par un petit avion volant à une altitude d'à peine 50 mètres au-dessus du sol.

En un seul mois, les émissions atteignent le seuil annuel estimé

Les données ont ensuite été analysées par Jordan Wilkerson, chercheur à Harvard et premier auteur de l'étude. Elles ont livré des résultats surprenants et d'autant plus inquiétants. En un seul mois, les émissions de protoxyde d'azote atteignent le seuil annuel estimé. La moyenne journalière s'élève à 3,8 milligrammes de protoxyde d'azote émis par mètre carré, soit entre 0,04 et 0,09 gramme par mètre carré en un mois. « Nous ne savons pas à quel point [ces émissions] vont encore augmenter, déclare Jordan Wilkerson dans un communiquéD'ailleurs, nous ignorions totalement qu'elles étaient importantes jusqu'à cette étude. »

Trajets effectués par avion en août 2013, dans le nord de l'Alaska, utilisés pour mesurer les niveaux de protoxyde d'azote émis par le pergélisol. La surface totale étudiée équivaut à 310 km². © Jordan Wilkerson et al., Atmospheric Chemistry and Physics, 2019

Un dangereux cercle vicieux

Les chercheurs soulignent cependant que ces résultats restent préliminaires et appellent à poursuivre les recherches. L'étude ne se base que sur des mesures réalisées pendant quelques jours (extrapolées à un mois) et sur 310 km², une parcelle relativement restreinte comparée à l'étendue globale du pergélisol, qui recouvre environ 24 % de l'hémisphère Nord.

Le pergélisol recouvre environ 24 % de l'hémisphère Nord

À ce jour, il s'agit toutefois de la plus grande surface étudiée dans le cadre d'une recherche sur les émissions de protoxyde d'azote par le pergélisol. D'autres méthodes pour mesurer les niveaux de gaz à effet de serre émis par ces sols (suivi sur le terrain ou bien prélèvement de carottes étudiées en laboratoire) ne dépassent pas 50 m², selon les chercheurs.

Le pergélisol désigne le sol de la toundra gelé pendant au moins deux années d'affilée. Outre les émissions de gaz à effet de serre, les conséquences de sa fonte incluent également des glissements de terrain (comme ici dans la Réserve nationale de Noatak en Alaska), l'effondrement des routes, le déracinement des arbres, etc. © NPS Climate Change Response, CC by 2.0

Toutes ces études aboutissent toutefois à la même conclusion, à savoir que le pergélisol émet beaucoup plus de protoxyde d'azote que ce que l'on soupçonnait. Dans un contexte de réchauffement climatique et sachant que les températures en Arctique augmentent deux fois plus rapidement que dans le reste du globe, les taux de protoxyde d'azote sont susceptibles de s'accroître, aggravant l'effet de serre et accélérant par conséquent la fonte du pergélisol, en un cercle vicieux. Une lueur d'espoir vient de ce que des plantes se développent sur les terres libérées par la glace. Les émissions pourraient être atténuées par l'augmentation de la couverture végétale, stipulent les chercheurs, mais reste à savoir en quelle proportion.

  • Le protoxyde d'azote est un gaz à effet de serre et un destructeur de la couche d'ozone souvent oublié par rapport au dioxyde de carbone et au méthane. 
  • La fonte du pergélisol est susceptible de libérer beaucoup plus de protoxyde d'azote que prévu et d'accélérer le réchauffement climatique.
  • Les émissions de protoxyde d'azote par le pergélisol en Alaska atteignent en un mois le niveau attendu en un an, d'après une étude.
Pour en savoir plus

Le pergélisol risque de libérer du CO2 en quantités gigantesques

Article de Laurent Sacco, publié le 09/03/2018

À cause du réchauffement climatique, le pergélisol arctique pourrait libérer, d'ici 300 ans (cumulés), 10 fois plus de gaz carbonique (CO2) que ne l'a fait l'humanité en 2016. De quoi rendre plus urgentes encore les mesures pour limiter ce réchauffement.

Les climatologues savent bien que l'une des clés de la prédiction du climat de la Terre passe par la connaissance de toutes les sources et puits de gaz à effet de serre, c'est-à-dire des quantités de ces gaz qui peuvent être émises ou capturées au cours du temps. Ils s'interrogent par exemple à propos du méthane (CH4) qui se trouve sous forme de clathrates en bordure des océans ou encore à propos du gaz carbonique (CO2) qui peut se trouver dissous dans l'océan.

Polygones de toundra sur le versant nord de l'Alaska. Avec la fonte du pergélisol, cette zone est susceptible d'être une source de carbone atmosphérique avant 2100. © Nasa, JPL-Caltech, Charles Miller

Ce même CO2 (tout comme le méthane) peut s'accumuler dans les sols, y compris dans les régions arctiques. Comme ces dernières sont en train de se réchauffer, les chercheurs tentent d'évaluer à quel point cela va affecter le climat au cours de ce siècle et des prochains. Il s'agit d'éléments à prendre en compte pour évaluer au plus juste notre futur et le temps qu'il nous est donné pour effectuer une transition énergétique. Celle-ci sera basée sur l'énergie nucléaire et les énergies renouvelables si nous prenons les bonnes décisions.

Une équipe de chercheurs, menée par Nicholas Parazoo, du célèbre Jet Propulsion Laboratory de la Nasa, à Pasadena, en Californie, vient d'ailleurs de publier un article à ce sujet dans le journal The Cryosphere. Il s'agissait d'évaluer la stabilité du carbone piégé dans les pergélisols des régions polaires en Alaska et en Sibérie. Ce travail a conduit à une découverte surprenante qui laisse penser qu'au cours des 300 prochaines années cumulées, du fait du réchauffement climatique actuel, jusqu'à 10 fois la quantité de gaz carbonique injectée dans l'atmosphère par l'activité de l'humanité en 2016 pourrait être également libérée.

Le pergélisol (ou permafrost) est un sol gelé sur une grande épaisseur qui peut fondre en surface durant l'été. La matière organique qu'il contient se décompose alors et le carbone s'échappe sous forme de CO2 (gaz carbonique). Il est également soumis à l'érosion, laquelle augmente quand le climat se réchauffe. © Soil Science, Flickr, CC by 2.0

1.700 milliards de tonnes de carbone dans le pergélisol arctique

Le pergélisol en Arctique est en train de se déstabiliser dans les régions sud et il le sera bientôt dans les régions nord ; ainsi, d'ici 40 à 60 ans, il deviendra une source permanente de CO2. C'est ce que disent en tout cas les modèles numériques du Centre national pour la recherche atmosphérique, à Boulder, au Colorado (États-Unis), lorsqu'on les nourrit de données sur les températures du sol de ces régions polaires, comme l'ont fait Parazoo et ses collègues.

Rappelons que le pergélisol (permafrost, en anglais) est un sol qui reste gelé pendant des années, voire des millénaires, sous la couche arable. Il contient des matières organiques riches en carbone, comme des feuilles ou des mousses, qui ont gelé sans se décomposer et qui s'y sont accumulées depuis la dernière glaciation. À mesure que la température de l'air dans l'Arctique fait fondre le pergélisol, cette matière organique se décompose et libère son carbone dans l'atmosphère sous forme de CO2 ou de CH4. Elle pourrait représenter environ 1.700 milliards de tonnes de carbone, soit deux fois plus que n'en contient actuellement l'atmosphère.

Paradoxalement, et c'est le côté surprenant de l'étude des climatologues, les régions sud de l'Arctique ont des sols qui sont déjà en train de se déstabiliser, mais des plantes y croissent et capturent ainsi du CO2 atmosphérique en effectuant la photosynthèse. Ce sont finalement les régions les plus froides, au nord, qui vont se mettre dans quelques décennies à libérer du gaz carbonique en premier alors qu'elles se réchauffent plus lentement. Mais vers la fin du prochain siècle, le bilan sera finalement positif pour tout le pergélisol arctique, qui représente environ la superficie du Canada dans l'hémisphère nord.

Il est clair que c'est une raison de plus de se débarrasser des énergies fossiles le plus vite possible. Espérons que nous pourrons maîtriser la fusion nucléaire avant les années 2050.


Le CO2 du pergélisol pourrait être en partie séquestré

Article CNRS publié le 10/09/2015

Le pergélisol de notre planète, cet épais sol gelé, contient du gaz carbonique enfoui sous forme de matière organique depuis la dernière période glaciaire, il y a environ 8.000 ans. Or, le réchauffement climatique a provoqué une libération de ce carbone. Une libération qui pourrait être atténuée selon des chercheurs, comme le montrent les grandes quantités de carbone charriées par le fleuve Mackenzie, au nord du Canada. Réchauffé, le pergélisol s'érode en effet plus facilement et la matière organique se retrouve durablement piégée... dans l'océan Arctique.

Le Mackenzie, au nord du Canada, est l'un des principaux fleuves de la planète. Son bassin versant a une superficie de 1.787.000 km2, il apporte ainsi chaque année à l'océan Arctique 100 millions de tonnes de sédiments qui se déposent sur les marges de la mer de Beaufort. Les rivières exportent en effet des produits solides provenant des sols en pente de leur bassin versant. Ces sédiments sont particulièrement riches en matière organique dont la nature et l'origine étaient jusqu'à présent assez mal connues.

Depuis plusieurs années, ce fleuve fait l'objet d'études approfondies. Un consortium international a ainsi échantillonné à plusieurs reprises des sédiments transportés par le fleuve à différentes profondeurs dans le chenal et mesuré l'abondance des échantillons en carbone 14 (14C). Les chercheurs ont ainsi constaté que la matière organique transportée par le fleuve Mackenzie jusqu'à l'océan était pauvre en carbone 14, c'est-à-dire relativement ancienne.

En complétant leurs analyses à l'aide d'autres traceurs (isotopes 12 et 13 du carbone et rapport azote/carbone), les chercheurs ont montré qu'environ 10 à 30 % du carbone transporté par le fleuve était suffisamment ancien pour ne plus contenir de carbone 14 et que ce carbone ancien provenait de l'érosion de roches sédimentaires riches en matière organique et âgées de plusieurs centaines de millions d'années, dont la présence est bien documentée dans le bassin du Mackenzie. Ils ont également montré que les 70 à 90 % de carbone organique restant (du carbone « moderne » contenant du 14C) provenaient d'un mélange de matière organique, récemment fabriquée par les végétaux, et de matière organique plus ancienne vieille de 8.000 à 9.000 ans, une époque correspondant au maximum d'extension des marécages, tourbières et sols, riches en matière organique, formés après le retrait de la calotte glaciaire qui recouvrait le Canada lors du dernier âge glaciaire et aujourd'hui gelés.

À son embouchure, le fleuve Mackenzie, au Canada, transporte 2,2 millions de tonnes de carbone organique moderne à l’océan Arctique. © Robert Hilton, Durham University

Du carbone naturellement enfoui dans l'océan

Une des menaces du changement climatique est la fonte du pergélisol (sol gelé en permanence des zones subarctiques et arctiques) avec pour conséquence la décomposition en gaz carbonique (CO2) des énormes quantités de matière organique qui y sont piégées. Les sols gelés de la planète contiennent en effet deux fois plus de CO2 que n'en contenait l'atmosphère de l'époque préindustrielle. Or, cette étude montre qu'en fait une partie de la matière organique du pergélisol est emportée jusque dans les sédiments marins, en raison d'une érosion accrue des sols devenus plus instables et que, ce faisant, elle échappe à cette décomposition.

Afin d'étudier le devenir à long terme de la matière organique fluviale ayant atteint l'océan, les chercheurs ont conduit les mêmes analyses que précédemment dans une carotte sédimentaire prélevée dans le delta du fleuve. Ils ont ainsi pu montrer qu'en mer, 65 à 100 % de la matière organique fluviale était préservée de la décomposition, un taux important permis par la combinaison de deux facteurs : des températures faibles et un taux de sédimentation élevé au débouché du fleuve. L'érosion des sols gelés des hautes latitudes, accentuée par leur fonte, et le transport vers l'océan de la matière organique qu'ils renferment sont donc des moyens efficaces pour la planète, non seulement de diminuer le taux de décomposition en CO2 de la matière organique du pergélisol, mais aussi d'enfouir dans l'océan, pendant plusieurs centaines de milliers d'années, le carbone qui avait été piégé dans le pergélisol après la dernière période glaciaire, il y a 8.000 ans environ.

Grâce à des estimations récentes des flux de sédiments transportés par le fleuve Mackenzie, les chercheurs ont calculé que 2,2 millions de tonnes de carbone organique moderne étaient transportées chaque année à l'océan Arctique. Ce flux est supérieur aux apports cumulés des autres grands fleuves arctiques (Ob, Yenisei, Lena, Indigirka et Kolyma). Il n'est évidemment pas suffisant pour contrebalancer les émissions anthropiques de CO2 mais il est suffisamment important pour avoir joué (et pour jouer encore) un rôle dans le couplage entre climat et cycle du carbone aux hautes latitudes.

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