B9 - Flux et cycles biogéochimiques : l’exemple du carbone
Connaissances de premier ordre indispensables Capacités exigibles
1. Les formes et les réservoirs du carbone
Sur la Terre, l’élément carbone C se trouve à l’état réduit dans la matière organique et le méthane, à l’état oxydé dans les différents composés carbonés minéraux (CO2, CO et carbonates dissous ou précipités) ou encore (très rarement) à l’état atomique (diamant, graphite). Il existe deux réservoirs quantitativement mineurs : l’atmosphère dans lequel le carbone est très dispersé mais dont les échanges avec les autres réservoirs sont très rapides et la biosphère, essentiellement terrestre et végétale (99 %), réservoir d’importance équivalente à l’atmosphère mais dans lequel le carbone est beaucoup plus concentré. Les réservoirs quantitativement majeurs sont la croûte et le manteau. Dans la croûte, le « réservoir carbonates » est le plus important (près de 2 000 fois celui des océans). L’hydrosphère (océan mondial) est un réservoir de taille intermédiaire qui échange avec tous les autres.
importants.
2. Les flux entre réservoirs
On appelle flux la masse de C sortant d’un réservoir ou y entrant par unité de temps. Les flux sont généralement exprimés en GtC par an. Des flux physico-chimiques et/ou biotiques relient ces réservoirs. Ils correspondent à des réactions d'équilibre réversibles, rarement complètes dont le sens est déterminé par les concentrations des composés carbonés et par les conditions de pression et de température. Le temps de séjour (= de résidence) d’un élément dans un réservoir peut être estimé en divisant la masse de l’élément dans le réservoir par la moyenne des flux entrants et sortants. Si l’on ne prend en compte que les flux entre la biomasse continentale et l’atmosphère, ce réservoir est à l’équilibre (flux de l’ordre de 100 Gt/an) ; le temps de résidence d’un atome de carbone dans l’atmosphère est alors de 6 ans environ. Le temps de résidence d’un atome de C dans l’atmosphère en prenant en compte les échanges avec l’océan est du même ordre de grandeur.
3. Importance du cycle du carbone dans le fonctionnement de la biosphère
Dans le cycle global du carbone, on distingue un cycle court impliquant le carbone réduit de la biosphère et un cycle long mettant en jeu le carbone oxydé de la lithosphère. L’organisation du carbone minéral par les producteurs primaires aboutit aussi à la genèse d’oxydants (O2 par la photosynthèse oxygénique, NO3- par les chimiosynthèses). La minéralisation du carbone peut être rapide (catabolisme de tous les êtres vivants) ou lente (digestion de la nécromasse du sol par les décomposeurs). La fossilisation de la matière organique conduit à un recyclage plus lent ; elle permet la persistance des oxydants formés par les producteurs primaires. Les organismes vivants ont un rôle majeur dans les équilibres de dissolution et de précipitation des carbonates, soit directement pour les organismes aquatiques constituant des tests, coquilles ou squelettes carbonatés, soit indirectement pour les phototrophes en déplaçant l’équilibre des carbonates dans le sens de la précipitation.
4. L’homme : un agent déterminant de la dynamique du cycle du carbone
Le cycle du carbone est lié à d’autres cycles comme celui de l’azote. L’utilisation des combustibles fossiles, la déforestation et certaines formes d’agriculture déséquilibrent les flux entre la biosphère et l’atmosphère en créant un excès annuel de 8 GtC. Environ la moitié de ce carbone est absorbé spontanément par le puits océanique et le puits de la biosphère continentale. Le reste, sous forme de CO2 et de méthane, renforce l’effet de serre naturel, ce qui est à l’origine d’une augmentation des températures moyennes associée à des dérèglements climatiques. Les scénarios produits pour prévoir l’évolution du taux du CO2 atmosphérique se heurtent notamment aux difficultés de prévoir si les mécanismes régulateurs naturels se maintiendront à des températures moyennes plus élevées. Outre la réduction des émissions des gaz à effet de serre, différentes solutions de stockage (géologiques ou agronomiques) du CO2 peuvent être recherchées.
§IB1° Définir un réservoir.
Figure B9.1 et tableau B9.1
Énumérer les principaux réservoirs du carbone, ainsi que l’ordre de grandeur de leurs tailles respectives.
Limites : la taille exacte des réservoirs et les réservoirs marginaux ne sont pas attendus.
§IIA Connaître un exemple de réservoir créé et détruit de façon biotique et abiotique : le méthane externe (le détail des mécanismes de production et de consommation/destruction ne sont pas au programme).
§IIB Connaître l’ordre de grandeur de quelques flux annuels et temps de séjour dans le cas du CO2 atmosphérique (échanges avec l’océan et avec la biomasse par photosynthèse / respiration).
Figure B9.1 et TP B9.1
Représenter un cycle biogéochimique du carbone.
Figure
§IIIA Expliquer l’existence de carbone organique fossile comme un recyclage plus lent ; comprendre que la genèse du dioxygène et d’autres oxydants (Fe3+, sulfates, nitrates) résulte de la production primaire, et que leur persistance correspond à l’existence de carbone organique fossile.
§IIIB Expliquer le rôle des organismes vivants dans l’équilibre de dissolution- précipitation des carbonates.
Figure B9.5
Comprendre les liens entre certains réservoirs et l’effet de serre ; IV A Expliquer l’impact de l’utilisation des combustibles fossiles, de l’agriculture et de la déforestation, via le CO2 et le CH4, sur le climat.
IV B Expliquer l’origine et le devenir du CO2 émis par l’homme au regard de la connaissance du cycle du carbone acquise plus haut. Les valeurs des flux d’origine anthropique ne sont pas exigibles, pas plus que les divers scénarios produits par le GIEC.
