Le méthane est un composé chimique de formule chimique , découvert et isolé par Alessandro Volta entre 1776 et 1778. C'est l'hydrocarbure le plus simple et le premier terme de la famille des alcanes. Comme fluide frigorigène, il porte la dénomination « R50 » dans la nomenclature des réfrigérants, régie par la d'ANSI/ASHRAE.
Assez abondant dans le milieu naturel, le méthane est un combustible à fort potentiel. Gazeux dans les conditions normales de température et de pression, il peut être transporté sous cette forme, généralement par gazoduc, ou à l'état liquéfié par des méthaniers et plus rarement des camions.
D'énormes quantités de méthane sont enfouies dans le sous-sol sous forme de gaz naturel. L'essentiel du méthane des terrains sédimentaires est produit de façon anaérobie par les archées dites méthanogènes. De grandes quantités, difficiles à évaluer, sont également produites par réaction de l'eau de mer sur les péridotites des dorsales océaniques et présentes sur le plancher océanique sous forme d'hydrates de méthane (stables à basse température et haute pression).
Les volcans de boue, les énergies fossiles, les décharges publiques (gaz de décharge), la digestion du bétail (notamment des ruminants), les rizières, les estuaires pollués (méthane des zones humides, gaz de marais) et les feux de forêts dégagent aussi beaucoup de méthane.
Le méthane est naturellement présent dans l'atmosphère terrestre, mais les apports anthropiques ont plus que doublé sa concentration depuis la révolution industrielle. Elle atteignait en 1998. Après une période de stabilisation de 1999 à 2006 à environ , la croissance de sa concentration a repris en 2007 à un rythme de 5 à par an, atteignant en . Des analyses isotopiques suggèrent que cet accroissement récent du méthane atmosphérique serait principalement d'origine non fossile.
Le méthane persiste moins de dix ans dans l'atmosphère, progressivement détruit par des radicaux hydroxyle OH•, mais c'est un gaz à effet de serre bien plus puissant que le dioxyde de carbone , avec un potentiel de réchauffement global plus élevé, responsable, au niveau actuel de sa concentration, de quelques pourcents de l'effet de serre total actuel. Ainsi, à titre comparatif, sur un horizon de cent ans, relâcher une certaine quantité de méthane dans l'atmosphère a un effet sur le réchauffement climatique environ neuf fois plus important que de brûler cette même quantité de méthane en .
Histoire En 1776, Alessandro Volta découvre le méthane en étudiant le gaz des marais de l'îlet Partegora, qui s'échappait de zones humides proches de sa maisonBiographie | http://www.cartage.org.lb/en/themes/biographies/MainBiographies/V/Volta/1.html. Il en prélève des capsules issues du sédiment du lac Majeur Alessandro Volta, Lettere del Signor Don Alessandro Volta… Sull' Aria Inflammabile Nativa delle Paludi, Milan, éd. Giuseppe Marelli, 1777. et en isole la fraction inflammable. dont il comprend qu'il est issu de la décomposition des plantesSöhngen N.L, Sur le rôle du methane dans la vie organique, Recueil des Travaux Chimiques des Pays-Bas et de la Belgique, 29(7), 1910, 238-274..
En 1910, Söhngen écrit que le méthane se forme de façon si considérable aux Pays-Bas .
C'est à cause du grisou (essentiellement constitué de méthane), responsable jusqu'à nos jours de nombreuses catastrophes minières, que sont mises au point les lampes de sûreté dans les mines de charbon, notamment la lampe de Davy (1817).
L'impact du méthane sur le climat est inconnu, puis suspecté jusqu'en 1976 où l'on démontre que le méthane est effectivement un puissant gaz à effet de serre Wang, W.-C., Y.L. Yung, A.A. Lacis, T. Mo et J.E. Hansen, , Science, , 1976, ..
Les observations issues de l'exploration spatiale ont montré l'omniprésence du méthane dans l'Univers.
Méthane, paléoenvironnement et paléoclimats Sur la Terre, en tant que gaz à effet de serre, le méthane a toujours joué un rôle majeur dans le cycle du carbone, la chimie atmosphérique et le climat mondial. Du méthane d'origine abiotique, comme du , était très présent dans l'atmosphère de la Terre primitive avant que la vie n'y apparaisse et n'y introduise l'oxygène (qui a permis l'apparition de la couche d'ozone). Après l'apparition de la vie bactérienne, l'essentiel du méthane terrestre a eu une origine biologique (fossile ou directe).
Des émissions géologiques naturelles de méthane fossile existent encore, aujourd'hui principalement liées au volcanisme (environ , soit par an de méthane émis, représentant 10 % environ des émissions annuelles)Petrenko, V. V., Smith, A. M., Schaefer, H., Riedel, K., Brook, E., Baggenstos, D.... & Fain, X. (2017) Minimal geological methane emissions during the Younger Dryas–Preboreal abrupt warming event. Nature, 548(7668), 443..
Le calcul des émissions géologiques passées, et plus encore l'évaluation des sources de méthane selon les époques, ont été associés à de grandes incertitudes, mais elles se précisent. En 2017, Petrenko ont quantifié dans des carottages de glace polaire le méthane contenant du radiocarbone (14), montrant que le méthane d'origine géologique n'a pas dépassé durant la dernière période de réchauffement (fin de la dernière glaciation) , soit (95 % de confiance), en moyenne lors du réchauffement brutal qui s'est manifesté entre le Dryas récent et le préboréal (il y a environ ). Ces émissions « géologiques » n'étant a priori pas moindres que celles d'aujourd’huiEtiope, G., Milkov, A. V. & Derbyshire, E. Did geologic emissions of methane play any role in Quaternary climate change? Global Planet. Change 61, 79–88 (2008)Luyendyk, B., Kennett, J. & Clark, J. F. (2005) Hypothesis for increased atmospheric methane input from hydrocarbon seeps on exposed continental shelves during glacial low sea level. Mar. Pet. Geol. 22, 591–596, les auteurs ont conclu sur cette base que les émissions actuelles de méthane géologique (environ , soit )Etiope, G., Lassey, K. R., Klusman, R. W. & Boschi, E. (2008) Reappraisal of the fossil methane budget and related emission from geologic sources. Geophys. Res. Lett. 35, L09307Schwietzke S (2016) Upward revision of global fossil fuel methane emissions based on isotope database. Nature 538, p. 88–91. sont surestimées, et donc que les estimations actuelles d'émissions anthropiques de méthane ont, elles, été sous-estimées.
Cette étude a aussi confirmé les données antérieures Petrenko, V. V. 14CH4 measurements in Greenland ice: investigating last glacial termination sources. Science 324, 506–508 (2009)Schaefer, H. Ice record of δ13C for atmospheric across the Younger Dryas–Preboreal transition. Science 313, 1109–1112 (2006)Sowers, T. Late quaternary atmospheric isotope record suggests marine clathrates are stable. Science 311, 838–840 (2006) montrant que l’augmentation rapide d’environ 50 % de la fraction molaire de méthane atmosphérique lors de l’événement préboréal-Dryas était en très grande partie due à des sources telles que les zones humides et secondairement (moins de 19 %) aux anciens réservoirs de carbone que sont les clathrates marinsKennett, J. P., Cannariato, K. G., Hendy, I. L. & Behl, R. J. (2003) Methane Hydrates in Quaternary Climate Change: The Clathrate Gun Hypothesis (AGU), pergélisolWalter, K. M., Edwards, M. E., Grosse, G., Zimov, S. A. & Chapin, F. S. (2007) III. Thermokarst lakes as a source of atmospheric during the last deglaciation. Science 318, 633–636 et le méthane emprisonné sous la glaceWeitemeyer K.A & Buffett B.A (2006) Accumulation and release of methane from clathrates below the Laurentide and Cordilleran ice sheets. Global Planet. Change 53, 176–187 (résumé).
Formation, stockages naturels Les deux principales voies de production de méthane géologique sont organique (génération thermique ou thermogénique) et inorganique (abiotique).. Le méthane thermogénique se produit par fragmentation de la matière organique à des températures et des pressions élevées dans les couches sédimentaires profondes. La majeure partie du méthane présent dans les bassins sédimentaires est de ce type ; par conséquent, le méthane thermogénique est la source la plus importante de gaz naturel. Les composants du méthane thermogénique sont généralement considérés comme des reliques d'une époque antérieure. En général, le méthane thermogénique, en profondeur, peut se produire par fragmentation de la matière organique ou par synthèse organique. Les processus impliqués peuvent également consommer du méthane, avec ou sans micro-organismes.
La source la plus importante de méthane en profondeur (substrat rocheux cristallin) est abiotique. C'est-à-dire que le méthane est créé à partir de composés inorganiques, sans activité biologique, soit par des processus magmatiques, soit par des réactions eau-roche qui se produisent à basses température et pression, comme la serpentinisation.. En 2011, l'émission de méthane abiotique dans l'atmosphère à partir de la serpentinisation à basse température dans les roches ophiolitiques n'était documentée que dans quatre pays, les Philippines, Oman, la Nouvelle-Zélande et la Turquie..
Surface et sous-sol Le méthane est l'hydrocarbure naturel le plus présent dans l'air. C'est le principal constituant du biogaz issu de la fermentation de matières organiques animales ou végétales en l'absence de dioxygène. Une quantité importante de méthane est aussi produite en milieu aérobie Q. Wang , « Aerobic bacterial methane synthesis », Proc. Natl Acad. Sci. USA, 118, e2019229118 (2021).
Méthane issu d'environnements anoxiques C'est le produit final de la décomposition anoxique de la matière organique par des archées méthanogènes ne vivant qu'en milieu anaérobie (sans oxygène)Biogaz issus de déchets alimentaires pour cogénération / CHP, Clarke Energy..
Il est naturellement produit par voie enzymatique, lors du métabolisme énergétique anaérobie des archées, dans les zones humides peu oxygénées comme les marais, tourbières et certains estuaires et lagunes, ainsi que dans certains sols cultivés (plutôt tropicaux, sans grandes différences entre système labouré, en semis direct ou en travail superficiel)B. Nicolardot et J.C. Germon, « Émissions de méthane () et d’oxydes d’azote (N2O et NOx) par les sols cultivés : Aspects généraux et effet du non-travail du sol » , Étude et Gestion des Sols, volume 15, numéro 3, 2008, p. 171-182. et/ou longuement inondés (mais dans ces milieux peuvent également se trouver des organismes méthanotrophes qui en consomment une partie ou la totalité)P.A. Roger, J. Le Mer et C. Joulian, « L'émission et la consommation de méthane par les sols : mécanismes, bilan, contrôle. », Comptes Rendus de l'Académie d'Agriculture, volume 85, numéro 6, p. 193-210 (résumé).. Les sols en semis direct absorbent cependant en moyenne par hectare et par an de plus qu'en cas de labours.
Le se forme aussi dans le rumen et le tube digestif de nombreux animaux (de certains invertébrés jusqu'aux mammifères, herbivores principalement). Il est présent en faible quantité dans les gaz intestinaux humains..
C'est le seul hydrocarbure classique pouvant être obtenu rapidement et facilement via un processus biologique naturel. Loin derrière le gaz naturel (méthane fossile), le méthane renouvelable (biogaz) est néanmoins en plein développement (Suède, Allemagne, Danemark, Viêt Nam, Cambodge, Chine, Inde) (voir section #Utilisation).
Méthane non bactérien et d'origine aérobie