vignette|redresse=1.7|alt=Une courbe en dents de scie, mais globalement à la hausse. L'axe des abscisses va de 1957 à 2025. L'axe des ordonnées commence à 310 ppm et finit à un peu plus de 430 ppm. Le graphique a pour titre : Mauna Loa Observatory, Hawaï - Monthly Average Carbon Dioxide Concentration. Le graphique arbore les logos de l'UC San Diego et du SIO.|L'une des représentations de la courbe de Keeling : chaque point de la courbe représente la concentration moyenne mensuelle du dans l'atmosphère à l'observatoire du Mauna Loa, à Hawaï, exprimée en parties par million (ppm).
La courbe de Keeling, nommée d'après le chercheur américain Charles David Keeling, est un graphique qui représente la hausse de la concentration du dioxyde de carbone (), un gaz à effet de serre, dans l'atmosphère terrestre au cours du temps. Elle se fonde sur des mesures effectuées de manière presque continue depuis 1958 à l'observatoire du Mauna Loa, à Hawaï, dans l'océan Pacifique.
Ce programme de mesures est lancé à l'occasion de l'Année géophysique internationale, en 1957-1958, par le géochimiste Charles Keeling, au sein de l'institut d'océanographie Scripps (San Diego, Californie), dirigé par l'océanographe Roger Revelle, et avec le soutien du météorologue Harry Wexler, de l'. À cette époque, l'effet de serre est une théorie non prouvée et il n'existe pas de mesure fiable et continue du présent dans l'atmosphère.
Keeling élabore une nouvelle méthode de mesure très précise, qui emploie un capteur infrarouge non dispersif et est appliquée à des échantillons d'air collectés à Hawaï et en Antarctique. En dépit d'un financement précaire et grâce à l'aide de techniciens et scientifiques sur place, le programme de mesures prouve de manière inédite que la concentration du dans l'atmosphère est croissante et que sa hausse est proportionnelle aux émissions de anthropiques (c'est-à-dire d'origine humaine) : contrairement à ce qu'une partie de la communauté scientifique pensait jusqu'alors, seule la moitié environ du surplus de dans l'atmosphère est absorbée par les puits de carbone et en particulier l'océan, le reste s'accumule dans l'atmosphère.
La courbe de Keeling et les mesures sous-jacentes sont une avancée significative dans l'histoire de la recherche sur le changement climatique. Charles Keeling consacre sa vie à ce travail scientifique, jusqu'à sa mort en 2005, après laquelle son fils, l'océanographe Ralph Keeling, poursuit ses recherches.
Plus longue et plus ancienne série de mesures du , la courbe de Keeling revêt également des aspects symboliques. Parce qu'elle donne à voir avec simplicité comment la combustion des combustibles fossiles (charbon, pétrole et gaz) par l'humanité perturbe l'atmosphère et le cycle du carbone, la courbe est devenue un symbole du changement climatique, voire de l'anthropocène. Elle est en outre un symbole scientifique qui souligne l'importance des programmes de mesure in situ.
Caractéristiques La courbe de Keeling, affichée sur le graphique ci-dessous, représente l'évolution de la concentration du dioxyde de carbone () dans l'atmosphère à l'observatoire du Mauna Loa, à Hawaï, depuis 1958. Elle est reconnaissable par son aspect en dents de scie, lesquelles représentent l'oscillation saisonnière des moyennes mensuelles (en rouge sur la figure ci-dessous), et par son allure générale allant croissant. Elle est parfois représentée avec cette même évolution lissée sur une année (en bleu ci-dessous, dans le graphique principal).
thumb|centre|upright=2|alt=Le graphique principal montre deux courbes, une en dents de scie, l'autre lisse, superposées, et croissantes. Le graphique annexe, titré « Variation saisonnière », montre une oscillation entre -3 et +3 ppm (axe des ordonnées) sur un an (de janvier à décembre, axe des abscisses).|La courbe de Keeling montre l'évolution de la concentration atmosphérique du dioxyde de carbone () telle que mesurée à l'observatoire du Mauna Loa depuis 1958. Graphique principal : la courbe rouge est la moyenne mensuelle, la courbe bleue est un lissage de celle-ci.
L'oscillation saisonnière sur une année (courbe rouge sur le graphique principal, détaillée dans l'encart « Variation saisonnière ») montre une baisse du atmosphérique de mai à septembre et une hausse de celui-ci d'octobre à avril : cette variation (d'environ 5 à ), qui se répète chaque année, est due aux échanges de carbone entre l'atmosphère et la végétation dans l'hémisphère nord...
La variation interannuelle (courbe bleue) montre quant à elle une élévation de la teneur en de l'atmosphère sur le long terme : elle passe ainsi de en 1959 à en 2024. ; elle est approximativement proportionnelle à la croissance des émissions de par l'humanité, due pour l'essentiel à l'usage des combustibles fossiles. En outre, la vitesse de cette élévation est croissante : à la fin des années 1960, la teneur en s'accroît d'environ par an ; en 2022, cette hausse annuelle s'établit à près de en moyenne sur les dix années qui précèdent..
Histoire Contexte
Le mécanisme de ce que l'on appelle de manière contemporaine l'effet de serre est identifié au : le dioxyde de carbone () présent dans l'atmosphère en très faible quantité absorbe et réfléchit vers la Terre une partie du rayonnement infrarouge que celle-ci émet vers l'espace. Dans la première moitié du , plusieurs chercheurs formulent l'hypothèse que l'usage industriel des combustibles fossiles (surtout le charbon, le pétrole et le gaz) produit une hausse de la teneur atmosphérique en qui, via l'effet de serre, est susceptible de provoquer un réchauffement de l'atmosphère. Néanmoins cette hypothèse est très minoritaire, la plupart des scientifiques formulant plusieurs objections, dont l'une est que les océans absorberaient le surplus de émis par les activités humaines...
Au cours des années 1950, le rôle du fait l'objet d'un regain d'intérêt. La période est marquée par la guerre froide et la recherche sur les bombes atomiques ; aux États-Unis, les chercheurs en sciences de l'atmosphère parviennent à bénéficier des importants fonds alloués à la recherche scientifique.
Dans la seconde moitié de la décennie, le chimiste Hans Suess et le directeur de l'institut d'océanographie Scripps, Roger Revelle, calculent que seule la moitié environ du anthropique émis dans l'atmosphère est absorbée par les océans, si bien que le est voué à s'accumuler dans l'atmosphère. Il n'existe toutefois pas de mesure fiable de la teneur atmosphérique en , ni de son évolution dans le temps...
Charles David Keeling à Caltech En 1954, âgé de , Charles David Keeling vient de terminer à l'université Northwestern une thèse sur les polymères. Son doctorat en chimie obtenu, il pourrait trouver sans difficulté un poste avantageux dans l'industrie chimique, mais le jeune scientifique s'est pris d'intérêt pour la géologie durant ses études et, randonneur confirmé, il désire travailler au grand air.
Ainsi devient-il chercheur postdoctoral au California Institute of Technology (couramment nommé Caltech) sous la supervision du chimiste et physicien Harrison Brown, qui a travaillé sur le projet Manhattan : avec un financement de la Commission de l'énergie atomique, Keeling doit s'intéresser à l'uranium contenu dans les roches granitiques. Toutefois, le sujet, qui suppose exclusivement un travail en laboratoire, ne le passionne pas, comme il se le remémore dans un article autobiographique paru en 1998. Aussi, lorsque Harrison Brown émet un jour l'hypothèse d'un équilibre chimique entre d'une part le carbonate dissous dans l'eau et d'autre part le calcaire dans l'eau et le atmosphérique, Keeling s'empare du sujet, qui suppose des mesures sur le terrain, et délaisse les roches granitiques.
Pour examiner l'hypothèse de Brown, Keeling a besoin de connaître la concentration atmosphérique du . Celle-ci fait l'objet de mesures depuis le à l'aide d'une méthode chimique, la titration, qui a le défaut d'être peu précise, si bien que les résultats sont très disparates, de à , à tel point que l'on suppose jusqu'alors que la concentration varie selon les masses d'air. Désirant effectuer ses propres mesures, le jeune chimiste identifie une méthode physique dite manométrique documentée en 1916, bien plus précise, qu'il modernise..
Sa nouvelle méthode manométrique mise au point, Keeling commence ses mesures dans le parc d'État Pfeiffer de Big Sur. Elles montrent un cycle jour-nuit, la concentration du étant plus importante la nuit. Ces mesures permettent au chercheur d'invalider l'hypothèse de Brown. Keeling remarque que la concentration diurne est très stable d'une mesure à l'autre, autour de , ce qu'il vérifie en prélevant des échantillons d'air en divers lieux préservés de l'activité humaine, de l'Arizona à l'État de Washington. La stabilité de la concentration atmosphérique du qu'il constate contredit la littérature scientifique existante.
Samuel Epstein, un collaborateur d'Harrison Brown, demande à David Keeling de lui fournir les échantillons afin d'en analyser le rapport isotopique à l'aide d'un spectromètre de masse, ainsi que le relate Keeling dans ses mémoires. Ses propres mesures, de à , de même que les analyses spectrométriques d'Epstein, sont financées par la , créée par les industries automobile et pétrolière pour réduire la pollution de l'air à Los Angeles..
Harry Wexler et le SIO Début 1956, les travaux du jeune chercheur attirent l'attention de Harry Wexler, directeur de la division des services scientifiques du , le service météorologique fédéral. Le météorologue s'intéresse depuis quelques années déjà à la mesure du atmosphérique. L'Année géophysique internationale (AGI), un effort mondial de recherche, doit se tenir en 1957–1958, et dans ce cadre le a prévu de créer un observatoire à d'altitude sur le volcan Mauna Loa, à Hawaï, dans l'océan Pacifique, pour mesurer la couche d'ozone. Dès 1955, Wexler souhaite que l'observatoire du Mauna Loa mesure également le durant l'AGI.
Intéressé par la méthode de mesure de Keeling, Wexler invite celui-ci dans les bureaux du à Washington le temps d'un rendez-vous. Keeling lui explique les insuffisances de la méthode chimique et promeut sa méthode manométrique. Il est d'autant plus convaincu de la nécessité d'utiliser celle-ci qu'il est au courant d'une campagne de mesures menée en Scandinavie depuis 1955 avec la méthode chimique, à l'initiative du chimiste finlandais Kurt Buch, appuyé par Erik Eriksson et Carl-Gustaf Rossby : celle-ci offre seulement une précision de ± et aboutit à des résultats variables d'une station à l'autre et d'une mesure à l'autre..
Plus encore, Charles Keeling propose à Wexler une nouvelle méthode de mesure, optique : elle utilise un analyseur infrarouge non dispersif, qui permet de quantifier directement la teneur en d'un échantillon par spectrométrie, plus rapidement qu'avec la méthode manométrique qu'il employait jusqu'alors, et autorise donc des mesures continues . Keeling n'a pas encore pu tester ce nouveau procédé, mais a identifié un fabricant d'analyseurs infrarouges non dispersifs dont il pense qu'ils pourraient convenir. Wexler est convaincu et les deux hommes envisagent l'installation d'analyseurs à l'observatoire du Mauna Loa et en Antarctique, deux lieux éloignés de la plupart des sources de pollution.
vignette|alt=Depuis une hauteur, plusieurs bâtiments et cabanons de plain-pied ; le bâtiment de droite possède plusieurs mâts et antennes sur son toit, maintenus par des haubans. À l'arrière-plan, au loin, une montagne, l'océan et le ciel.|Vue partielle de l'observatoire du Mauna Loa, en 2006. Le bâtiment de droite est celui où sont effectuées les mesures du .