Le cycle du carbone Le cycle du carbone

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Chapitre 8 Chapitre 8

Le cycle du carbone Le cycle du carbone

UE libre UBO UE libre UBO

CLIMAT : CLIMAT :

Passé Pass é , pré , pr é sent, futur sent, futur

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Le cycle du carbone et l’effet de serre anthropogène

Le recyclage des éléments à travers les diverses composantes à la surface de la Planète est fortement lié au fait que la Terre est une planète vivante.

L'élément le plus critique attaché à ce recyclage est sans contredit le carbone.

Depuis que le cycle biologique du carbone est apparu sur Terre, il a en quelque sorte transformé cette planète en un système fermé qui assure sa continuité.

Il est le constituant majeur de deux gaz Il est le constituant majeur de deux gaz ààeffet de serre, COeffet de serre, CO₂₂ et CH

et CH₄₄sans lequel il ne saurait y avoir de vie sur terre. sans lequel il ne saurait y avoir de vie sur terre.

Son recyclage influence particuliSon recyclage influence particulièèrement la productivitrement la productivitéébiologique biologique et le climat

et le climat.

Pourquoi faut

Pourquoi faut- - il nous il nous inté int éresser au Carbone ? resser au Carbone ?

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É

Évolution des concentrations volution des concentrations de CO

de CO

et des et des

temp tempé ératures au cours des ratures au cours des temps g

temps gé éologiques ologiques

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Le taux de CO

dans l'air peut varier:

• Selon les saisons.

• Activité volcanique.

• Combustion du carbone fossile par les humains.

Avant 1850 : 274 ppm

~1950 : 316 ppm

Actuellement: 351 ppm Augmentation actuelle est estimée à ~ 1,5 ppm par année

Le Carbone sur la Terre Le Carbone sur la Terre

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On retrouve du carbone:

• Sous forme de CO

: dans l'air et dans l'eau surtout.

• Sous forme de matière organique (êtres vivants).

• Sous forme de matière organique enfouie (charbon, pétrole).

• Sous forme rocheuse (carbonates).

Le Carbone sur la Terre Le Carbone sur la Terre

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Le Carbone sur la Terre Le Carbone sur la Terre

Il y a sur la Terre une quantité finie mais extrêmement importante de carbone.

Le carbone est présent dans les océans, les sols, les réserves de carbone fossile, la roche mère,

l'atmosphère et la biomasse végétale.

1 téragramme (Tg) = 10¹²grammes ou 10⁶tonnes.

1 pétagramme (Pg) = 10¹⁵grammes ou 10⁹tonnes.

1 gigatonne (Gt) = 10⁹tonnes ou 1 Pg.

1 Pg =1 Gt.

ppmv = Parties par million en volume.

ppbv = Parties par milliard en volume.

pptv = Parties par trillion en volume.

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Cycle Global du Carbone Cycle Global du Carbone

On appelle cycle du carbone le déplacement du carbone, sous ses diverses formes, entre la surface de la Terre, son intérieur et l'atmosphère. Les principaux mécanismes de l'échange de carbone sont :

la photosynthèse la respiration l'oxydation.

Un transfert a lieu entre les organismes vivants, l'atmosphère, la terre et l'eau.

Au cours des millions d'années, le cycle du carbone a concentré de grandes quantités de carbone dans la roche-mère, principalement sous forme de calcaire, et dans les combustibles fossiles.

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Le cycle global du carbone et ses flux entre les quatre sphères "superficielles" de la Planète: lithosphère, hydrosphère, biosphère et atmosphère. Y est indiquée aussi la dimension des réservoirs de carbone impliqués, exprimée en Gtc (Gtc = gigatonnes en équivalent carbone), c'est- à-dire en milliards de tonnes métriques de carbone.

En rouge: flux anthropiques

Le cycle Global du Carbone : r

Le cycle Global du Carbone : ré éservoirs et flux servoirs et flux

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Au niveau des flux entre les réservoirs, on évalue que le temps de résidence d'un atome de carbone est de 4 ans dans l'atmosphère, de 11 ans dans la biosphère, de 385 ans dans l'hydrosphère superficielle(océan de 0 à 100 m), de plus de 100 Ka(milliers d'années) dans l'océan profondet

de quelques 200 Ma(millions d'années) dans la lithosphère.

Le cycle global du carbone implique des processus qui agissent en milieu terrestre et en milieu océanique et où interviennent des réactions chimiques biologiques et non-biologiques.

Dans la nature, le carbone se retrouve sous deux formes: le carbone organique

carbone organique(Corg) et le carbone inorganiquecarbone inorganique(Cinorg).

Le Corgest celui qui est produit par des organismes vivantset qui est lié à d'autres carbones ou à des éléments comme l'hydrogène (H), l'azote (N) ou le phosphore (P) dans les molécules organiques ou les

hydrocarbures.

Le Cinorgest celui qui est associé à des composés inorganiques, c'est-à- dire des composés qui ne sont pas et n'ont pas été du vivant et qui ne contiennent pas de lien C-C ou C-H, comme par exemple le carbone du CO₂ atmosphérique ou celui des calcaires CaCO₃.

Carbone organique et inorganique Carbone organique et inorganique

Les océans absorbent beaucoup de CO2de l'air (=

tamponà CO₂). Ce CO₂peut former des carbonates qui se déposent pour former des roches sédimentaires.

La plus grande quantité de carbone est sous forme rocheuse (50 fois plus de carbone sous cette forme que sous forme de CO2). Le déplacement des plaques tectoniques permet l'échauffement des carbonates déposés et leur transformation en CO (volcanisme).

•• Transformations du COTransformations du CO₂₂en matièen matière organique re organique et de la mati

et de la matièère organique en COre organique en CO₂2= = processus rapide

processus rapide

Chaque année, environ 1/7 du CO2est transformé en végétation et autant de CO₂est produit par respiration.

… … le cycle Global du Carbone : r le cycle Global du Carbone : ré éservoirs et flux 2 servoirs et flux 2… …

•

• Transformation du COTransformation du CO2 2 en carbonates et des en carbonates et des carbonates en CO

carbonates en CO22= processus tr= processus trèès lents lent (millions d'ann

(millions d'annéées).es).

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Pour le cycle court, on parle de processus qui s'étalent sur des temps inférieurs au siècle. Le processus de base du recyclage du carbone à court terme est le couple photosynthèse-respiration, c'est-à-dire la conversion du Cinorg du CO2en Corg par la photosynthèse, et l'inverse, la conversion du Corg de la matière organique en Cinorg par la respiration.

la photosynthphotosynthèèsesequi utilise l'énergie solaire pour synthétiser la matière organique en fixant le carbone dans des hydrates de carbone (CHO)

la respirationrespirationest l'inverse de la photosynthèse: à partir de l'oxygène libre O₂, elle transforme toute matière organique en CO2

La fermentationfermentationproduit du dioxyde de carbone et du méthane (l'hydrocarbure le plus simple, avec une seule molécule de carbone).

Le cycle (court) du Carbone organique Le cycle (court) du Carbone organique

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Le cycle (long) du Carbone organique Le cycle (long) du Carbone organique

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Sur des échelles de temps beaucoup plus longues, ce sont les processus de nature géologique qui deviennent les contrôles les plus importants, des processus qui agissent sur des milliers et des millions d'années.

Il s'agit de processus tels l'enfouissement des matières organiques dans les sédiments et roches sédimentaires, leur transformation en combustibles fossiles et leur altération (oxygénation) subséquente.

Les flux de carbone reliés à ces processus sont faibles; en revanche, les réservoirs sont immenses et le temps impliqué très long.

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L'échange entre le CO₂atmosphérique et le CO2de la surface des océans a tendance à se maintenir à l'équilibre.

L'altération chimique des roches continentales convertit le CO2dissout dans les eaux météoriques (eaux de pluies et des sols) en HCO3-qui est transporté dans les océans par les eaux de ruissellement.

Les organismes combinent ce HCO₃^-au Ca₂⁺pour secréter leur squelette ou leur coquille de CaCO3. Une partie de ce CaCO3se dissout dans la colonne d'eau et sur les fonds océaniques; l'autre partie s'accumule sur les planchers océaniques et est éventuellement enfouie pour former des roches sédimentaires carbonatées. Ces dernières sont ramenées à la surface après plusieurs dizaines de millions d'années par les mouvements tectoniques reliés à la tectonique des plaques.

Une partie du carbone des roches carbonatées est recyclée dans les magmas de subduction et retournée à l'atmosphère sous forme de CO₂émis par les volcans.

Le cycle du Carbone Le cycle du Carbone

inorganique inorganique

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Le bilan global actuel «naturel» du CO2en GtC/an

(1 GtC = 10

gG)

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Le bilan global actuel perturbé du CO2 en GtC/an(1 GtC =10¹⁵gC)

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Le bilan global actuel perturbé du CO2 en GtC/an(1 GtC = 10¹⁵gC)

Le cycle du Carbone oc

Le cycle du Carbone océ éanique anique

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• Pompe de solubilitérégie par l’équilibre thermodynamique du CO₂: CO₂ plus soluble dans les eaux froides des hautes latitudes qui sont des zones de formation d ’eaux denses => transfert du CO₂en profondeur

• Pompe biologique: consommation de CO₂et de sels nutritifs pour la réaction de photosynthèse dans les eaux de surface (conversion du CO₂ en matière organique par le phytoplancton) => processus de transfert du carbone particulaire de la surface vers les eaux profondes où il est reminéralisé

Absorption Absorption océ oc é anique du CO anique du CO _{2 2}

= engrais océaniques

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Probl

Problè ème de la lib me de la libé ération du ration du Carbone par l

Carbone par l’ ’Homme Homme

Cette libération est trop rapide, trop brutal. Augmentation des émissions de Carbone

⇒ augmentation du CO

atmosphérique (et CH

)

⇒ augmentation de la température terrestre

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Emissions de Carbone

Emissions de Carbone « « anthropique anthropique » » et teneur de CO

et teneur de CO _{2 2} atmosph atmosphé érique rique

Il est estimé que la combustion des énergies fossiles et la déforestation ont relargué au total quelques 350 350 GtCGtCdans l’atmosphère depuis 1800.

Le CO2étant une molécule stable dans l’atmosphère, une telle quantité aurait dû conduire à des concentrations atmosphériques en CO₂de l’ordre de 450 ppmv à la fin du XXème siècle.

Or, il n’en est rien puisque l’augmentation observée en 1995 n’est que de 29%, au lieu de 60%.

• Ceci indique que : l’augmentation du CO₂atmosphérique est d’origine anthropique et que les réservoirs naturels (océan et biosphère

continentale) ont réabsorbés près de la moitié des rejets anthropiques.

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Cons

Consé équences des quences des é émissions missions

« « anthropiques anthropiques » » de carbone de carbone

Le cycle du carbone est fortement perturbé par les activités humaines ; l’augmentation du CO2atmosphérique représentant la partie émergée de l’iceberg “carbone”.

Cette perturbation du COCette perturbation du CO22se propage àse propage àla fois au climat terrestre la fois au climat terrestre àà travers l

travers l’’effet de serre du COeffet de serre du CO22, à, àla biomasse en tant qula biomasse en tant qu’é’élléément ment constitutif de toutes les mol

constitutif de toutes les moléécules organiques, et cules organiques, et ààla géla géochimie marine ochimie marine par acidification des eaux de surface.

par acidification des eaux de surface.

Une stabilisation du CO2atmosphérique nécessitera en premier lieu une diminution des rejets anthropiques ; par contre, l’évolution de la capacité de stockage des systèmes naturels reste encore très mal connue.

L e stockage du CO2par la biosphère terrestre est beaucoup plus précaire que par les océans. En effet les temps de stockage dans la végétation ou les sols sont courts, quelques années à quelques décennies, tandis que les constantes de temps océaniques peuvent dépasser plusieurs siècles.

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CO₂anthropique : flux global net de CO₂ non nul régions puits et source de CO₂non équilibrées

Flux de CO Flux de CO _{2 2}

sources sources puits puits

Évaluation des flux globaux par modélisation numérique du système « Terre » (résultats de deux modèles différents)

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Flux air

Flux air- -mer de CO mer de CO _{2 2}

Flux de CO2(mol CO2m^-2an^-1)

CO₂anthropique : flux global net de CO₂non nul régions puits et source de CO₂non équilibrées

flux global non résolu car forte variabilité saisonnière de la pression partielle de CO₂ (pCO₂) dans les eaux de surface de l ’océan

=> mesures en continu de pCO_2eauet connaissance des processus conduisant à cette répartition

Océ Oc éan : Pompe de solubilit an : Pompe de solubilité é

A l’équilibre pCO2 océan= pCO2 atmosphère Dans l’atmosphère pCO2 = 365ppm Là où l’eau se refroidit, solubilité augmente, pCO2 en eau de surface diminue à concentration constante elle pompe du CO2 depuis l’atmosphère

Là où elle se réchauffe, c’est le contraire, et elle dégaze du CO2 : upwellings C’est la pompe physique

Section Nord sud de la température de l’eau (Atlantique)

2 3 4 5 6 7

-10 0 10 20 30 40 50

CO2 Solubility

10e-2 moles/l.atm

Temperature