Cycle du carbone

Le cycle du carbone est un cycle biogéochimique qui correspond à l'ensemble des échanges d'éléments carbone sur une planète.

Celui de la Terre est particulièrement complexe du fait des divers échanges entre les eaux (océans surtout), les roches, la matière vivante (biomasse), la nécromasse et l'atmosphère (il existe quatre réservoirs de carbone : l'hydrosphère, la lithosphère, la biosphère et l'atmosphère)

Les échanges de carbone s'expriment en milliards de tonnes par an ou gigatonnes par an ou encore Gt/an ; les trois formulations signifiant la même chose.

En mer, le carbone est surtout stocké sous forme de carbonate et de biomasse planctonique.
Sur les continents, les tourbières, prairies et forêts, mais aussi certains sols jouent un rôle plus ou moins important de stockage de carbone ou de puits de carbone.

Sommaire 1 Intérêt 2 Origine volcanique du dioxyde de carbone 2.1 Intérêt du volcanisme et de ses dégagements du CO2 dans l'histoire de la Terre 3 Les réservoirs de carbone à renouvellement rapide 3.1 Échanges atmosphère-biosphère 3.2 Échanges avec l'hydrosphère (dissolution - dégazage) 3.3 Les échanges lents avec la lithosphère 3.3.1 Échanges biosphère-lithosphère (fossilisation) 3.3.2 Les échanges hydrosphère-lithosphère (sédimentation) 3.4 Conclusion des échanges 4 Apport des météorites 5 Polémiques sur le rôle des forêts, anciennes notamment 6 Les activités humaines modifient le cycle du carbone 6.1 Combustion 6.2 La fabrication du ciment 7 Effet du réchauffement climatique sur le cycle du carbone 8 Articles connexes 9 Liens externes 10 Références

Intérêt

On pense^[1] aujourd'hui qu'il se produit depuis quelques décennies un réchauffement climatique anormalement brutal. Cela est dû en grande partie au rejet de deux gaz à effet de serre : le dioxyde de carbone (CO₂) et le méthane (CH₄). Leur flux dans l'atmosphère doit être quantifié afin de comprendre et surtout de prévoir le rôle des activités humaines dans le changement climatique actuel et à venir.

Pour cela il faut distinguer :

• les flux rapides, susceptibles d'avoir des conséquences à court terme sur le climat (de la décennie à quelques siècles) ;
• les flux assez lents dont les conséquences ne s'observent que sur le moyen terme (quelques siècles) ;
• les flux très lents dont les conséquences ne s'observent que sur le très long terme (plusieurs millions d'années) : ces flux-là sont trop lents pour être à l'origine du récent changement climatique, et ne pourront pas équilibrer les rejets d'origine anthropiques.

Origine volcanique du dioxyde de carbone

Le cycle du carbone débute par l'arrivée du dioxyde de carbone (CO₂) à la surface de la Terre. Elle résulte du dégazage du manteau terrestre lors des éruptions volcaniques, qui rejettent dans l'atmosphère divers gaz dont le CO₂ et le monoxyde de carbone (CO). Ainsi l'atmosphère primitive de la Terre était principalement composée de CO₂. Aujourd'hui ce dégazage continue selon un flux faible, soit environ 0,1 Gt/an.

Au cours des âges, et alors que la température du soleil augmente, la plupart de ce CO₂ originel a été peu à peu piégée surtout par des processus biologiques dans des « réservoirs » tels que la lithosphère (roches carbonatées, charbon...), la biosphère ou les océans.

Intérêt du volcanisme et de ses dégagements du CO₂ dans l'histoire de la Terre

A plusieurs périodes dans l'histoire de la Terre, celle-ci a connu des refroidissements tels qu'elle était entièrement recouverte de glace des pôles à l'équateur. C'est la théorie 'boule de neige' (snow ball). Un de ces événements eut lieu au Paléo protérozoïque (2,2 à 2,3 milliards d’années), et 3 ou 4 autres glaciations totales se seraient déroulées au Néoprotérozoïque (entre 730 à 590 millions d’années). Ce phénomène peut être expliqué par l'augmentation de la pluie, le ruissellement et donc l'érosion de surface et la présence de multiples autres facteurs qui vont conduire à la chute du taux de CO₂ atmosphérique. Malgré la présence de glace partout, les éruptions volcaniques ont perduré et ont permis d'augmenter le taux de CO₂ dans l'atmosphère qui a induit un réchauffement. Les volcans ont joué un grand rôle en mettant fin à la glaciation "boule de neige". C’est grâce à des cataclysmes volcaniques que notre planète a pu sortir de son état de sphère gelée. La présence du CO₂ fut à l'origine de l'explosion de la vie en permettant de ramener la température de la Terre dans une plage idéale (15°C de moyenne) où les organismes vivants peuvent se développer.

L'ensemble volcans et monde vivant, plus précisément le plancton des océans, a permis d'ajuster le taux de CO₂ de l'atmosphère terrestre. En effet, les volcans rejettent des quantités gigantesques de dioxyde de carbone dans l'atmosphère et favorisent l'explosion de la vie, le plancton lui est venu tamponner cet effet en absorbant une partie du CO₂ relargué et s'en sert encore aujourd'hui pour former sa coquille (formée souvent de CaCO3), éliminant ainsi une grande partie du dioxyde de carbone.

Les réservoirs de carbone à renouvellement rapide

Le cycle naturel du carbone dans le système Terre peut être évalué en analysant la dimension, les flux d'échanges et le temps de résidence d'un atome de Carbone dans les différents réservoirs. Par ordre de taille décroissante, on distingue:

• un immense réservoir ( > à 50.10^6Gtc) qui correspond au sédiments et roches sédimentaires présentes dans la lithosphère océanique,
• un réservoir de taille moyenne ( 39 000 Gtc) constitué par les masses d'eaux océaniques superficielles et profondes,
• il existe plusieurs réservoirs de petite taille c'est-à-dire inférieur à 2000Gtc comprenant: l'atmosphère, la biophère (plantes, sols, animaux).

Échanges atmosphère-biosphère

Les êtres vivants échangent 60 Gt/an de carbone avec l'atmosphère. Cet échange se fait dans les deux sens : alors que la fermentation, la respiration des bactéries, des animaux et des végétaux dégagent du CO₂, la photosynthèse des végétaux chlorophylliens fixe le carbone dans la matière organique ou biomasse. Ces deux mécanismes font à la fois partie du cycle du carbone et du cycle de l'oxygène. Cet échange est équilibré si on ne tient pas compte de la déforestation.

Voici les formules de ces échanges :

• Photosynthèse :

6 H₂O + 6 CO₂ + énergie solaire ⇒ C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

eau + dioxyde de carbone + énergie solaire ⇒ glucose + dioxygène gazeux

• Respiration cellulaire :

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ ⇒ 6 H₂O + 6 CO₂ + énergie

glucose + dioxygène gazeux ⇒ eau + dioxyde de carbone + énergie (qui permet de lier un groupe phosphate à un ADP afin de former de l'ATP)

• Fermentation :

C₆H₁₂O₆ ⇒ 6 CO₂ + énergie + déchets

glucose ⇒ dioxyde de carbone + énergie (qui permet de lier un groupe phosphate à un ADP afin de former de l'ATP) + déchets variés (méthane, éthanol etc.)

Dans un écosystème en équilibre, la quantité nette de dioxygène produit par les organismes autotrophes (photosynthèse) est égale à la quantité de dioxygène consommée par les organismes hétérotrophes (respiration).

Mais certains écosystèmes ne sont pas équilibrés, comme les tourbières : ils stockent des débris végétaux dans les sols, la tourbe. Cette biomasse « morte » est estimée à 1 600 Gt de Carbone, deux fois la quantité de carbone de la biomasse « vivante ».

Échanges avec l'hydrosphère (dissolution - dégazage)

Du fait de la forte solubilité du dioxyde de carbone (CO₂) dans l'eau et de l'importance du volume des océans, la capacité de stockage des couches supérieures de l'hydrosphère, c’est-à-dire jusqu'à 100 m, est impressionnante. Mais si elle arrive à être 63 fois plus élevée que celle de l'atmosphère, c'est grâce à la diversité des formes du carbone dans les océans. D'une part en milieu aqueux le CO₂ se transforme intégralement en hydrogénocarbonate (HCO₃^-) et d'autre part celui-ci peut lui-même devenir un ion carbonate de formule CO₃^2-.

La répartition du CO₂ dans l'hydrosphère est approximativement la suivante :

1 % dans le dioxyde de carbone (CO₂)

90 % dans l'hydrogénocarbonate (HCO₃^-)

9 % dans les ions carbonates (CO₃^2-)

Toute variation de la pression partielle du CO₂ dans l'air entraîne des variations en sens inverse du flux de dégazage dans les zones tropicales et des variations de même sens aux hautes latitudes. Etant donné les valeurs très élevées des flux d'échanges dans les deux sens, une augmentation de teneur en CO₂ atmosphérique de 2 à 3 % correspond à une arrivée dans l'océan d'environ 2 à 3 milliards de tonnes de carbone par an^[2].

Les flux de CO₂ dépendent aussi de la température de l'eau des océans (les eaux froides contiennent plus de gaz dissous que les eaux chaudes) mais aussi de l'état de l'interface air- eau, donc du vent et de la hauteur de la houle. Plus la surface de l'eau sera agitée et plus les échanges seront facilités.

Les échanges lents avec la lithosphère

Échanges biosphère-lithosphère (fossilisation)

La « fossilisation des êtres vivants morts » demande plusieurs millions d'années. Comme le nombre d'organismes vivants ne peut pas augmenter brutalement de manière significative, ce transfert ne change guère au cours du temps. Il est estimé à moins de 0,5 Gt/an.

Les échanges hydrosphère-lithosphère (sédimentation)

La « sédimentation océanique » : les coquilles des crustacés, des mollusques ou des algues planctoniques se forment par précipitation du calcaire à partir des éléments dissous:

Cette précipitation peut être spontanée dans certaines conditions physico-chimiques.

La sédimentation des coquilles est à l'origine de la plupart des roches contenant du calcaire (craie, calcaire, marne etc.). Ce calcaire ou carbonate de calcium (CaCO₃) reste stocké pendant des centaines de millions d'années (délai de renouvellement moyen : 330 millions d'années, à comparer avec le délai de renouvellement du carbone de l'atmosphère qui est de cinq ans).

Conclusion des échanges

Le cycle du carbone est donc un système de recyclage très complexe ou les processus physiques, chimiques et biologiques sont si intimement liés qu'il devient difficile d'examiner séparément le recyclage des deux formes de carbone (carbone organique et inorganique).

Si le cycle du carbone semble équilibré sur l'échelle des temps géologiques, il arrive souvent que les quantités et les flux de carbone varient de façon assez conséquente entre différents réservoirs et ont ainsi des implications climatiques majeures^[3].

Apport des météorites

Plus exceptionnellement, du carbone peut être apporté à l'occasion de l'impact d'une importante météorite sur la Terre. Selon la violence de cet événement, la quantité de matière expulsée et les conséquences peuvent varier considérablement. Alors que l'activité volcanique normale fait augmenter le taux atmosphérique des gaz à effet de serre, la chute d'un corps lourd ou une éruption exceptionnellement puissante propagent dans la haute atmosphère de grandes quantités de poussière qui réduisent le flux du rayonnement solaire, ce qui provoque une diminution de la température qui peut aller jusqu'à plusieurs dizaines de degrés en quelques semaines. Un cataclysme de ce type est peut-être la cause de la disparition des dinosaures.

Polémiques sur le rôle des forêts, anciennes notamment

Il y a consensus scientifique sur le fait qu'une jeune forêt (si elle ne brûle pas et dispose d'assez d'eau pour pousser normalement) joue un rôle de puits de carbone.

Concernant les forêts anciennes, une hypothèse posée par Eugène Odum dans les années 1960 était que ces forêts étaient à l'état d'équilibre, c'est-à-dire émettant autant de CO₂ qu'elles en absorbent.
Une étude internationale récente^[4] infirme cette hypothèse, montrant que globalement, comme les jeunes forêts, les forêts anciennes peuvent stocker aussi du carbone (plus ou moins selon le contexte climatique et les apports atmosphériques en azote, mais tout à fait significativement). Les auteurs de cette étude invitent donc à intégrer dans les bilans les forêts de 15 et 800 ans d'âge, et surtout à mieux les protéger car leur destruction ou même leur perturbation^[5] est cause d'importants relargages de carbone. En effet, les données récentes des réseaux d'observatoires « CarboEurope » et « AmeriFlux » ont prouvé que ces forêts anciennes séquestrent annuellement de 0,8 à 1,8 milliard de tonnes de carbone. Les forêts anciennes comptent encore pour environ 15 % de la surface forestière totale (forêt primaires pour 30 % de cette surface, dont la moitié est la forêt boréale située dans l'hémisphère Nord, couvrant (6 10⁸ hectares). Elles n'étaient jusqu'ici pas prise en compte dans les bilans-carbone, alors qu'elles séquestrent selon cette étude, notamment dans les litières et leurs sols^[6] au moins 10% de tout le CO₂ stocké^[7].

Les activités humaines modifient le cycle du carbone

Les quantités de carbone émis par les activités humaines dans l'atmosphère sont de :

• 6,4 Gt/an pour les années 1990^[8].
• 7,2 Gt/an pour la période 2000-2005.
• Selon l'Académie Nationale des Sciences des États-Unis, pour 2000-2006, 10 Gt/an de carbone ont été émis, soit 37 % de plus par rapport à 1990^[9].

Environ la moitié de ce carbone a été réabsorbée par la biosphère, par photosynthèse accrue, et les océans, par dissolution.

Ainsi la quantité de carbone dans l'atmosphère s'est accrue de 3,2 à 3,3 Gt/an dans la période 1990-1999.

Combustion

Les interventions les plus évidentes de l'homme sont :

• la combustion massive de matières organiques due à la déforestation,
• la combustion de roches carbonées (charbon, pétrole, gaz) qui rejettent énormément de dioxyde de carbone.

Ces rejets déséquilibrent, par effet de dominos, les échanges avec d'autres réservoirs de carbone, comme les échanges avec les océans.

Les deux molécules rejetées dans l'atmosphère, méthane et dioxyde de carbone, contiennent du carbone et font partie des principaux gaz à effet de serre. L'effet de serre s'accentue, d'où un déséquilibre des échanges d'énergie et de chaleur qui provoque le réchauffement climatique. La hausse de température perturbe en retour le cycle du carbone, de telle sorte qu'elle s'amplifie.

Le déséquilibre provient du fait que les mécanismes qui ramènent le dioxyde de carbone atmosphérique dans la lithosphère sont très lents : 0,2 Gt/an, à comparer avec les 6 Gt/an de carbone émis par les activités humaines. Les solutions sont le reboisement et la réduction de la consommation de charbon, pétrole et gaz. L'espèce humaine et l'ensemble des écosystèmes seront obligés de s'adapter pendant plusieurs siècles.

La fabrication du ciment

La fabrication du ciment se fait, entre autres processus, par la calcination du calcaire dans des fours. Le CaCO₃ est converti en CaO (chaux) avec un rejet de CO₂ dans l'atmosphère. Ce dégagement de CO₂ lors de la calcination du calcaire ne parait pas très préoccupant. En effet lors de l'utilisation du ciment produit, la réaction physico-chimique complexe de prise des mortiers & bétons absorbe du CO₂ contenu dans l'air dans les mêmes proportions. Ainsi la boucle est bouclée.^{[réf. nécessaire]}

En revanche la consommation d'énergie à partir de combustible fossile provoque un flux faible (0,2 Gt/an, quoique non négligeable ; le stockage du carbone dans les roches calcaires se ferait à une vitesse équivalente ou légèrement supérieure.

Effet du réchauffement climatique sur le cycle du carbone

Les déséquilibres des échanges de CO₂ provoqués par les activités humaines en causant un réchauffement climatique, modifient en retour les flux. Ces modifications provoquent dans certains cas une rétroaction positive, dans d'autre une rétroaction négative :

• Le réchauffement climatique diminue la dissolution du CO₂ dans les océans : la solubilité du dioxyde de carbone dans les océans dépend de leur température. Si cette température augmente à la suite à la hausse des taux atmosphériques de dioxyde de carbone, la capacité de stockage des océans diminue et ils se mettent à rejeter eux-mêmes du dioxyde de carbone. Comme le plus important réservoir à carbone est l'hydrosphère, l'enclenchement d'un tel cercle vicieux serait catastrophique.

• Le réchauffement climatique peut diminuer le transfert du CO₂ vers les eaux profondes, et donc diminuer encore davantage sa dissolution dans les eaux superficielles. S'il prend trop d'ampleur, pourrait aussi diminuer en grande partie la sédimentation océanique, en ralentissant, voire supprimant sous certaines latitudes, les courants océaniques profonds de la plongée (au niveau du Groenland pour le Gulf Stream et dans l'Océan Pacifique pour la branche asiatique) des eaux froides et plus salées chargée de dioxyde de carbone. Même si cette sédimentation est très faible, c'est elle qui génère l'ensemble des roches carbonatées, c’est-à-dire contenant des carbonates tels le carbonate de calcium (calcaire).

• Le réchauffement climatique augmente la dégradation de la matière organique des sols gelés (pergélisol) et des milieux tourbeux ce qui rejette du CO₂ et du méthane, aggravant l'effet de serre additionnel.

• Le réchauffement climatique augmente l'évaporation d'eau, multiplie les nuages qui réfléchissent les rayons du soleil, mais en même temps la vapeur d'eau participe à l'effet de serre.

Articles connexes

• Fermentation
• Fossilisation
• Sédimentation
• Respiration
• Photosynthèse
• Combustion
• Biosphère
• Hydrosphère
• Lithosphère
• Atmosphère
• Stockage géologique du carbone
• Puits de carbone

Liens externes

• Série de trois pages qui montrent l'évolution du cycle du carbone depuis l'époque pré-industrielle jusqu'à nos jours, plus prédictions pour le prochain siècle et indications pour les millénaires suivants.
• Voir l'évolution récente du cycle du carbone.
• Site dédié au cycle du carbone, publié par le LSCE, le laboratoire des sciences du climat et de l'environnement. Vous trouverez des informations pour le grand public et aussi pour les enseignants du secondaire sur comment traiter ce cycle en classe.
• Carboscope, un site web présentant des cartes des flux de gaz à effet de serre (CO₂ et CH₄)
• www.carbon-the-film.com,un film de Nicolas Koutsikas & Stéphan Poulle ©Georama TV/BlueWIng/2d3d Animations/ERT 2010

en partenariat avec Meteo France et Prix Nobel de la Paix Dr Pachauri,le négociateur américain pour le climat Todd Stern, les commissaires européens Potochnik et Dimas, Greenpeace

• (fr/en) CarBBAS Groupe de recherche en biogéochimie du carbone dans les écosystèmes aquatiques boréaux

Références

v · Cycle biogéochimique
Cycle de l'azote • Cycle du carbone • Cycle de l'eau • Cycle de l'hydrogène • Cycle des métaux • Cycle de l'oxygène • Cycle du phosphore • Cycle du soufre

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