Qu'arrive-t-il au dioxyde de carbone atmosphérique lorsque les systèmes à basse pression se déplacent est largement resté un mystère, mais la recherche dirigée par Penn State offre de nouvelles perspectives qui peuvent aider à améliorer les modèles mondiaux de carbone. Crédit :Sean Waugh, NOAA/NSSL
Des arbres, les cultures et autres végétaux du Midwest des États-Unis agissent comme d'importants puits de carbone pendant l'été, l'absorption de dioxyde de carbone (CO
"L'objectif de cette recherche est de comprendre et de quantifier comment les systèmes à basse pression transportent le dioxyde de carbone dans l'atmosphère, " a déclaré Ken Davis, professeur de sciences atmosphériques et climatiques à Penn State. "Cela fait partie d'un effort plus important, le projet Atmospheric Carbon and Transport-America (ACT-America), apprendre à interpréter les mesures du dioxyde de carbone dans l'atmosphère pour déduire correctement les sources et les puits de dioxyde de carbone à la surface de la terre. Pour faire ça, nous devons savoir comment le dioxyde de carbone est mélangé par l'atmosphère, et il n'y a pas eu beaucoup d'attention dans le passé sur la façon dont les systèmes à basse pression tournent autour de ce gaz à effet de serre. »
La plupart des modèles qui traitent du carbone atmosphérique ont tendance à se concentrer sur les tendances mondiales plutôt que régionales, il ajouta, et peuvent ne pas représenter correctement les changements dans le dioxyde de carbone atmosphérique qui se produisent au cours de ces systèmes.
Pour mieux comprendre le phénomène, les chercheurs ont étudié les niveaux de dioxyde de carbone sur Lincoln, Nebraska, avant, pendant et après un front froid qui a traversé la région en août 2016. Les fronts froids se produisent lorsqu'une masse d'air froid pousse dans une masse d'air plus chaude, et ils peuvent provoquer la formation d'orages et une chute spectaculaire des températures. L'équipe de recherche a pris des mesures à partir de deux avions. L'avion a traversé à plusieurs reprises la limite frontale du système, là où les masses d'air chaud et froid se rencontrent. Ils ont également volé à plusieurs altitudes, entre environ 1, 000 et 26, 000 pieds, et enregistré les changements dans les niveaux de dioxyde de carbone dans les secteurs chauds et froids du système.
Les scientifiques ont entré les données dans un modèle informatique qui a examiné les niveaux de dioxyde de carbone à trois résolutions différentes. Les résolutions allaient de neuf à 1, Résolution surfacique 600 fois supérieure à celle utilisée dans les modèles globaux, donnant aux chercheurs un aperçu plus précis de ce qui arrive au dioxyde de carbone lors du passage du système. Ils se sont également concentrés sur trois catégories de sources et de puits de dioxyde de carbone :les flux biogéniques, ou du dioxyde de carbone absorbé et respiré par les plantes, bactéries et animaux, y compris les humains; les sources de combustibles fossiles comme les voitures et les usines ; et les flux aux limites, ou dans ce cas des sources et des puits de dioxyde de carbone au-delà du continent nord-américain. Ils ont rendu compte de leurs conclusions dans le numéro de mai de Ambiances JGR .
Les chercheurs ont étudié les niveaux de CO2 sur Lincoln, Nebraska, dans les jours précédents, pendant et après un front froid qui a traversé la région en août 2016 pour voir comment les systèmes frontaux affectent les niveaux de CO2 atmosphérique. Quantités de CO2, mesuré en parties par million, sont représentés à différentes altitudes sur une période de cinq jours, avec des couleurs bleu et vert signifiant des niveaux inférieurs et des couleurs orange et rouge signifiant des niveaux plus élevés de gaz à effet de serre. Crédit :Arkayan Samaddar, État de Pennsylvanie
"Nous avons trouvé une énorme bande de dioxyde de carbone piégé autour du système frontal, " dit Arkayan Samaddar, doctorant au Département de météorologie et de sciences atmosphériques de Penn State. L'étude fait partie de la thèse de doctorat de Samaddar. "En l'analysant à une si haute résolution, nous voyons que ce n'est pas juste une bande uniforme de dioxyde de carbone. Nous voyons beaucoup plus de structure et obtenons plus d'informations que si nous l'examinions à l'échelle mondiale. Examiner le dioxyde de carbone à l'échelle régionale nous aide à mieux déterminer les sources et les puits."
Les chercheurs ont découvert qu'au cours de ce front d'été, les sources et les puits biologiques représentaient les plus grands changements dans le dioxyde de carbone atmosphérique, ce qui n'est pas surprenant puisque les plantes, les animaux et les humains absorbent et respirent continuellement du dioxyde de carbone et des pics d'activité biologique en été, selon Davis.
"Avec les plantes, vous ne pouvez pas facilement faire la différence entre la photosynthèse, quand ils absorbent du dioxyde de carbone, et la respiration, quand ils le libèrent. Le dioxyde de carbone atmosphérique répond à l'échange net, ", a déclaré Davis.
La différence entre les catégories de combustibles biogéniques et fossiles, Davis a ajouté, est que la première catégorie agit à la fois comme une source et un puits majeur qui contribue à atténuer les émissions de combustibles fossiles, alors que la catégorie des combustibles fossiles est une source continue de dioxyde de carbone.
Les scientifiques ont noté que les sources et les puits ont créé un modèle cohérent de dioxyde de carbone dans l'atmosphère. La nuit, les niveaux de dioxyde de carbone près de la surface de la terre ont atteint plus de 410 parties par million avant de chuter à 380 parties par million au cours de la journée en raison de la photosynthèse des plantes. Niveaux du gaz dans la couche limite atmosphérique, qui est la partie la plus basse de l'atmosphère et peut s'étendre jusqu'à une altitude d'environ 16, 400 pieds, est resté relativement constant, allant de 380 parties par million dans la partie inférieure de la couche limite à environ 395 parties par million dans les couches supérieures. Niveaux de dioxyde de carbone au-dessus de la couche limite atmosphérique, jusqu'à une altitude d'environ 28, 000 pieds, variait de 400 à 405 parties par million.
Les chercheurs ont découvert que lorsque le système frontal s'est déplacé, les vents horizontaux ont perturbé ce schéma et agité l'atmosphère, transportant du dioxyde de carbone dans la haute atmosphère.
"Quand le secteur chaud du front passe, nous voyons ce champ presque constant de dioxyde de carbone plus élevé qui s'étend de la surface de la terre jusqu'à 28, 000 pieds, " a déclaré Samaddar. "Nous n'avons jamais vu cela auparavant."
Les scientifiques pensent que le taux élevé de dioxyde de carbone dans le secteur chaud provient des écosystèmes de la région de la côte du golfe. Les écosystèmes là-bas ont peut-être respiré plus qu'ils n'ont photosynthétisé lorsque les données ont été collectées, tandis que les cultures et les forêts du Midwest américain et du Canada semblent avoir été des puits nets de dioxyde de carbone, dit Davis.
Le secteur chaud est immédiatement suivi du secteur froid, qui est une masse d'air froid avec des niveaux de dioxyde de carbone plus faibles qui vient du Canada. Le secteur froid abaisse les niveaux de dioxyde de carbone dans la couche limite atmosphérique jusqu'à la surface de la terre, et puis le schéma régulier de dioxyde de carbone revient, dit Samaddar.
"Ces informations sont utiles non seulement pour les scientifiques qui tentent de comprendre les sources et les puits de dioxyde de carbone, mais aussi pour que les modélisateurs voient si le mouvement du dioxyde de carbone dans leurs modèles globaux de carbone est correct, " il a dit.
Les chercheurs tentent maintenant de mesurer la quantité de dioxyde de carbone poussée dans la haute atmosphère par ces systèmes frontaux. 
