Méthane - Définition

Dans l'Univers

Selon l'ESA,

• Le méthane a été retrouvé à l'état de traces dans plusieurs nuages interstellaires.

• Le méthane est présent partout sur Titan, et même à l'état liquide sous forme de lacs, de rivières, et de mers, particulièrement près du pôle nord de l'astre. Sa présence en a été établie dès 1944. Au point que la chaleur dégagée par la sonde Huygens, lors de l'impact du 14 janvier 2005 a provoqué un notable dégagement de méthane gazeux.

• L'atmosphère de Titan est principalement constituée d'azote avec une proportion de méthane allant de 1,4 % dans la stratosphère jusqu'à 4,9 % au niveau du sol. Il ne pleuvait pas lorsque la sonde Huygens s'est posée sur Titan, mais l'ESA n'exclut pas que des averses de méthane y soient fréquentes. Simplement, l'aridité du sol absorberait rapidement ces précipitations, à la manière des déserts terrestres.

• Des traces de méthane sont détectées par la Nasa dans l'atmosphère de Mars en 2004, au moyen de spectromètres infrarouges à haute-résolution. cette découverte est rapidement contestée, avant d'être confirmée en 2009, après une étude de 90 % de l'atmosphère de Mars, durant 3 années martiennes (soit 7 années terrestres). Du méthane est effectivement périodiquement relâché notamment autour de Nili Fossae au nord de Syrtis Major Planum et de l'ancien volcan de Syrtis Major ainsi que dans la région d'Arabia Terra. Il y est émis en quantité significative : 0,6 kg/seconde durant l'été martien, ce qui est comparable aux taux mesurés localement sur Terre. Il pourrait éventuellement être d'origine biologique, mais cela reste à démontrer. M Mumma pose l'hypothèse qu'il puisse provenir d'un hydrate de méthane libéré lors de la fonte estivale de glace. L'origine pourrait également en être géologique, résultant de réactions chimiques de serpentinisation par métamorphisme hydrothermal entre eau et anciennes roches volcaniques riches en oxyde de fer(III) et en olivine. Une analyse isotopique pourrait infirmer ou confirmer cette hypothèse, mais imposerait d'aller y faire des prélèvements.

• On trouve aussi le méthane sous forme de nuages et de brume sur Uranus et Neptune, de gaz non condensé dans les atmosphères de Jupiter et de Saturne ; ainsi que peut-être sur les exoplanètes Epsilon Eridani c et Fomalhaut b.

Environnement : contribution à l'effet de serre

Un gaz à effet de serre

Méthane atmosphérique, ppb

Le méthane est un gaz à effet de serre qui influe sur le climat. Il absorbe une partie du rayonnement infrarouge émis par la Terre, et l'empêche ainsi de s'échapper vers l'espace. Ce phénomène contribue au réchauffement de la Terre.

De plus il contribue aussi indirectement à l'effet de serre en diminuant la capacité de l'atmosphère à oxyder d'autres gaz à effet de serre (comme les fréons). Son utilisation comme combustible émet du CO₂ à hauteur de 380 Mt/an (les émissions industrielles avoisinent 6000 Mt/an) et de la vapeur d’eau, autre gaz à effet de serre important.

L'influence du méthane sur le climat est moins importante que celle du dioxyde de carbone mais elle est quand même préoccupante. Une molécule de méthane absorbe en moyenne 25 fois plus de rayonnement qu'une molécule de dioxyde de carbone sur une période de 100 ans, son potentiel de réchauffement global (PRG) est donc de 25 ; à échéance 20 ans, son PRG est même de 62. Le méthane est considéré comme le 3^e gaz responsable du dérèglement climatique, après le CO₂ et les fréons).

Variations récentes de teneur de l'air

Ce graphique montre l'augmentation des taux de méthane dans l'air de 1993 à 2007, avec ses variations saisonnières et la différence entre les hémisphères nord et sud ; Auteur: Ed Dlugokencky CMDL NOAA

Le taux de méthane actuel dans l'atmosphère terrestre est d'environ 1800 ppb, soit 0,00018%. Il s'est maintenu entre 1780 et 1810 ppb de 2000 à 2010 avec une grande variation suivant la latitude. Dans le passé, le taux de méthane dans l'atmosphère a varié souvent parallèlement à la température. Ce taux a augmenté d'environ 150 % depuis 1750 et atteint aujourd'hui un taux inégalé dans l'histoire, principalement suite aux activités humaines. Une augmentation des teneurs a été constatée en 2008/2009. Les modélisations informatiques de la cinétique du CH4 dans l'air ont permis de remonter à la source des émissions pour les 20 dernières années de mesures atmosphériques. Selon ces travaux, la réduction des émissions et/ou une utilisation plus efficace du gaz naturel dans l'hémisphère Nord (amélioration de l'étanchéité des tuyaux de gaz, récupération du grisou ou du gaz de décharge pour produire de l'électricité..) ont permis une baisse des émissions dans les années 1990, mais une nette augmentation des émissions provenant de combustibles fossiles dans le nord de l'Asie a ensuite de nouveau été constatée (2006...). Le recul des zones humides, par drainage entre autres, et, dans une moindre mesure, les feux de brousse, expliquent aussi les variations mesurées du CH4 atmosphérique sur 20 ans.

Le méthane serait responsable d'environ 20% du réchauffement moyen enregistré depuis le début de la révolution industrielle, mais il semble depuis peu être émis en plus grande quantité (même en hiver) dans les régions circumboréales, et pour des raisons non comprises, son oxydation atmosphérique pourrait être en train de diminuer.

On estime que sans sa présence, la température moyenne de surface de la Terre serait plus basse de 1,3 °C.

Sources

Globalement, les émissions de CH₄ vers l’atmosphère s'élèveraient à 500 Mt/an, dont les trois quarts proviennent de sources d’origine anthropique.

Les principales sources (par ordre d'importance quantitative estimée) sont :

• La fermentation anaérobie sous l'eau : 32% des émissions.
  Elles ont surtout lieu dans les zones humides (naturelles ou artificielles avec en particulier les rizières et barrages hydroélectriques qui ont inondé des forêts ou accumulé une importante charge organique. Il peut aussi s'agir d'estuaires devenus dystrophes ou de n'importe quelle zone d'accumulation de pollution organique, décharge par exemple).
  Les marais, les mangroves tropicales et les rizières sont sujets à l’action de bactéries méthanogènes en milieu anaérobie.
  La température agit sur les émissions, qui atteignent leur valeur maximale entre 37 °C et 48 °C, d’où une amplification des émissions en cas de réchauffement. En présence d'une quantité suffisante d'oxygène, l'activité bactérienne elle-même contribue à échauffer le matériau, mais avec émission de CO₂.
  L'analyse des gaz piégés il y a 10 000 ans dans les glaces polaires et l'étude du rapport isotopique carbone 13/carbone 12 du carbone de ces molécules de méthane (δ¹³CH₄) ont montré un doublement des taux de CH₄ lors de la dernière transition glaciaire-interglaciaire. Ce doublement est dû, à près de 50 %, aux régions marécageuses tropicales, renforcées par les émissions des tourbières boréales favorisées par la transition climatique.

Analyse par satellite montrant les concentrations de méthane (parties par million en volume) en surface (en haut) et dans la stratosphère (en bas).

• Les pergélisols : ils contiennent du méthane qu'ils libèrent en fondant quand le climat se réchauffe. Dans les années 2000, une étude internationale (2003 - 2008) dans les eaux du plateau arctique de Sibérie orientale (plus de 2 millions de km2) a montré que les pergélisols immergés perdaient des quantités significatives de méthane, plus et plus rapidement qu'il n'était prévu par les modèles existants. Sur les sites étudiés durant ces 5 ans, plus plus de 50 % des eaux de surface et plus de 80% des eaux profondes présentaient un taux de méthane environ huit fois supérieur à la normale. Le taux actuel moyen de CH₄ en Arctique est d'environ 1,85 ppm, soit la plus élevée depuis 400.000 ans alerte Natalia Chakhova. Ce taux est encore plus élevé au dessus du plateau arctique de Sibérie orientale et N Chakhova parle de signes d'instabilité dans le permafrost immergé "S'il continue à se déstabiliser, les émissions de méthane (...) seront beaucoup plus importantes".

• Les énergies fossiles : 21 % des émissions.
  Le gaz naturel est composé à 90 % de méthane. Les fuites dans l'atmosphère lors de son extraction, de son transport, de son traitement et de sa distribution pourraient représenter jusqu'à 2 % de la production de gaz naturel, les 3/4 de ces fuites ayant lieu chez le client, après le compteur. Le graphe ci-contre montre également l'importance des pertes lors de la production : on distingue clairement certains champs gaziers de grande taille, entre autres la mer Caspienne et la Sibérie.
  De même, le gaz piégé dans les filons de charbon lors de sa formation (le grisou) est relâché lors de l’extraction du minerai. Si l'on ne veut pas réduire l’utilisation de ces énergies fossiles et sans un investissement massif dans les énergies alternatives, il faut donc rechercher des solutions pour limiter les fuites.

• Les ruminants : 16 % des émissions.
  Le méthane est un produit de la digestion incomplète lors de la fermentation gastro-entérique des ruminants, surtout quand les animaux sont nourris avec des protéagineux (soja en particulier). Une seule vache peut émettre 100 à 500 litres de méthane par jour. À cela s’ajoutent les émissions liées aux déchets (excréments, fumier d'étable) qui continuent leur décomposition avec une méthanisation plus ou moins marquée selon le contexte. Parmi les solutions étudiées : améliorer l'alimentation animale, éviter le stockage des déchets qui ne produisent du méthane qu'à l'abri de l'air, ou au contraire récupérer ce méthane et le valoriser énergétiquement. L’apport de lipides alimentaires riches en acides gras polyinsaturés dans la ration des ruminants est une piste prometteuse. Des essais menés sur vaches laitières au centre INRA de Clermont ont montré qu’un apport de 6 % de lipides issus de la graine de lin a diminué la production de méthane des animaux de 27 à 37 %.

• Les déchets humains : 12 % des émissions.
  Les décharges fermentent et émettent de grandes quantité de méthane ; ce gaz pourrait être réutilisé comme source d’énergie.

• La biomasse : 10 % des émissions.
  Le méthane émis provient surtout de l'oxydation incomplète des végétaux, lors de certains processus de décomposition organique naturelle (comme les feuilles mortes des sous-bois accumulées sous l'eau, fermentation de vases riches en matière organique). Certaines espèces (Termites) peuvent produire des quantités significatives de méthane.

• Les sédiments et océans : 4 % des émissions, mais qui pourrait fortement augmenter.
  Les hydrates contenant du méthane (clathrates) pourraient émettre du gaz en cas de perturbation de la température océanique et/ou du dégel de certains sols riches de la toundra sibérienne et canadienne, mais ces émissions sont limitées actuellement.
  Toutefois, une augmentation de température entraine une augmentation de l'émission de CH₄ par les clathrates. Cette source pourrait donc constituer une véritable bombe à retardement climatique en cas de réchauffement des fonds océaniques.

Prospective : Les variations futures de ces émissions sont incertaines, mais on prévoit une augmentation des apports de l’énergie fossile, des déchets, des sources agricoles et marines du fait du développement de la population mondiale, de l’industrialisation de certains pays et de la demande croissante en énergie, ainsi que du réchauffement climatique. Mais, comme indiqué plus haut, le fait est, en contradiction avec ces « prévisions », que la concentration du méthane n'augmente plus.

Les puits de méthane

Les différents mécanismes d’élimination du méthane atmosphérique retirent environ 515 Mt/an. Le principal puits à CH₄ est le radical hydroxyle OH^. contenu dans l’atmosphère, qui contribue à 90% de la disparition de CH₄ . Le radical OH^•, agent oxydant des principaux polluants de l’atmosphère (CH₄, CO, NOx, composés organiques), provient de la dissociation photochimique de O₃ et de H₂O. La teneur en radical hydroxyle est donc influencée par la concentration atmosphérique en CH₄ mais aussi par celle de ses produits, dont CO. De même, divers mécanismes affectent la teneur en OH^. :

• l’augmentation de concentration urbaine en NOx engendre plus de formation d’O₃ et donc plus de dissociation en OH^. ;
• la chute de la concentration d’O₃ stratosphérique induit plus de rayonnement UV atteignant la troposphère et donc plus de dissociation d’O₃ troposphérique ;
• l’augmentation de la vapeur d’eau résultant de l’augmentation de la température moyenne produit plus de nuages bloquant les flux de protons, effet réduisant la formation d’OH^•, et plus de vapeur d’eau, réactif de formation d’OH^•.

On a constaté que depuis 1750, le niveau d’OH^• a diminué d’environ 20% du fait de l’augmentation en CO et CH₄, et est aujourd’hui stable. D’ici 2050, ce niveau devrait encore diminuer de 25%, ce qui aura un impact important sur les teneurs en éléments traces gazeux. Les 10% restants sont dus à l’oxydation du méthane en terrain sec par des bactéries méthanotrophes qui l’utilisent comme source de carbone, ainsi que par son transfert vers la stratosphère.

L'évolution de la concentration en méthane semble marquer le pas (2007) ; cela pourrait s'expliquer par une destruction accélérée de molécules d'ozone O₃, catalysée par des radicaux NO^. en plus grande quantité.

Réduire les émissions de méthane et/ou en faire un carburant

Il existe des moyens de diminuer les émissions de méthane pour diminuer son action sur l'effet de serre :

• capter le méthane, ou biogaz, émis au niveau des décharges d'ordures ou stations d'épuration et le brûler (la combustion forme du CO₂ qui a un effet de serre moins important). Cela permettrait de remplacer en partie d'autres énergies fossiles au lieu de le brûler en torchère comme c'est souvent le cas actuellement ;
• capter et utiliser le méthane, ou biogaz, produit au niveau des systèmes de stockage des effluents d'élevages ; récupérer le méthane émis lors de l'exploitation minière et après celle-ci ;.
• Développer une riziculture moins productrice de méthane, diminuer les taux de fertilisants, lutter contre la turbidité des eaux et la production de sédiments méthanogènes, et donc en amont contre l'érosion, la régression et dégradation des sols.

• au niveau personnel :
  • réduire sa consommation de viande (en particulier bovine);
  • réduire sa consommation de riz (voir le lien entre riziculture et l'effet de serre);
  • composter ses déchets en veillant à ce que le compost soit suffisamment aéré et drainé.

Biocarburant de troisième génération

Pour produire un méthane de décharge assez pur et pour faire un bon biocarburant de troisième génération, un « digesteur anaérobie » inspirée de la digestion anaérobie à l'œuvre dans la panse des bovins est expérimenté au Canada. Des microorganismes méthanogènes vivant en symbiose avec les vaches savent produire plus de méthane que de CO2, mais ils ont des exigences précises, en température et humidité notamment. La difficulté est de conserver les conditions de vies optimales de ces organismes dans un milieu constitué de déchets, ce qu'on tente ici de faire au moyen d'électrodes spéciales régulant la température du milieu. Ce sont ensuite des fibres creuses constituées d'une membrane perméable qui devraient séparer le CO2 du méthane qui pourra ensuite être brûlé comme source d'énergie, utilisé par la carbochimie ou compressé et stocké.