Le cycle du carbone et son impact sur le climat - Maxicours

Le cycle du carbone et son impact sur le climat

Objectifs
  • Rassembler et confronter une diversité d’indices pour restituer les variations passées du cycle géochimique du carbone.
  • Mettre en évidence l’amplitude et la période des variations du taux de CO2 atmosphérique.
  • Exploiter les équations chimiques associées aux transformations d’origines géologiques pour modéliser les modifications de la concentration en CO2 atmosphérique.
Points clés
  • Il existe 4 réservoirs de carbone sur Terre : l’atmosphère, l’hydrosphère, la lithosphère et la biosphère.
  • La quantité de carbone est constante, mais sa répartition entre les quatre réservoirs varie.
  • Le CO2 étant un gaz à effet de serre, son augmentation dans l’atmosphère est corrélée à une augmentation de la température moyenne globale du globe.
  • Certains mécanismes sont associés à la baisse de la concentration atmosphérique en CO2 :
    • la hausse de la solubilité océanique ;
    • l’altération des matériaux continentaux ;
    • la production et l'enfouissement de matière organique.
  • Certains mécanismes sont associés à l’augmentation de la concentration atmosphérique en CO2 :
    • le volcanisme ;
    • certaines activités humaines.
  • D’environ 1 °C en 150 ans, le réchauffement climatique observé au début du XXIe siècle est corrélé à la perturbation du cycle biogéochimique du carbone par l’émission de gaz à effet de serre liée aux activités humaines.
Pour bien comprendre
  • Les climatologues disposent de plusieurs indices géologiques et paléoécologiques permettant de retrouver les concentrations de gaz atmosphériques passées.
    (cf. Fiche : Utiliser les indices de terrain et les données du laboratoire pour comprendre l’évolution du climat.)
1. Le cycle du carbone et son impact sur la température du globe
a. Le carbone et ses réservoirs planétaires

Le carbone se trouve sur Terre sous différentes formes et dans différents réservoirs :

  • sous forme de dioxyde de carbone gazeux dans l’atmosphère ;
  • sous forme de dioxyde de carbone dissout dans l’eau ;
  • sous forme de roches carbonées dans la lithosphère ;
  • sous forme de matière organique dans la biosphère.

Il se produit des échanges constants entre ces différents réservoirs. C’est le cycle du carbone. Celui-ci est équilibré lorsque les flux entrant et sortant de chaque réservoir s’équilibrent.

Mais si un flux entrant est supérieur à un flux sortant (ou l’inverse), alors un des réservoirs  (ou s’appauvrit) au profit d’un autre.

Ainsi, si la quantité globale de carbone est constante, sa répartition entre les réservoirs peut varier.


La teneur en CO2 atmosphérique est particulièrement surveillée car c’est un paramètre majeur du climat.

b. Impact sur la température globale du globe

L'analyse des roches sédimentaires a permis de déterminer les variations climatiques sur de grandes échelles de temps.

Les périodes froides sont reliées à de faibles taux en CO2 atmosphérique, tandis que les périodes chaudes sont reliées à de forts taux en CO2.


Toute modification du taux en CO2 atmosphérique semble avoir des conséquences sur le climat.

Quels sont les mécanismes de variation du taux de CO2 atmosphérique ?

2. Libération de CO2 dans l’atmosphère
a. L’apport du volcanisme

Le manteau supérieur contient du carbone. À chaque éruption volcanique, du carbone est libéré sous forme de dioxyde de carbone et l'atmosphère s'enrichit en CO2


On estime le flux actuel à 925 milliards de tonnes de CO2 par an ! Le volcanisme sous-marin y contribue à 80 % contre 20 % pour le volcanisme aérien.

Si on considère qu’avec l'activité des dorsales, l'activité volcanique était largement supérieure il y a plusieurs millions d'années, on comprend aisément que son rôle a pu être prépondérant dans l'évolution du taux de CO2 atmosphérique.

Exemple
Pendant le Crétacé, la Terre était dépourvue de glace, le climat était très doux. Cette hausse de température est due à un effet de serre accru lié à un taux élevé en CO2. L'enrichissement de l'atmosphère en CO2 peut s'expliquer par le volcanisme massif existant à cette époque.
b. L’apport des activités humaines

Depuis la révolution industrielle, l’Homme, par ses activités industrielles et notamment l’utilisation des énergies fossiles, a beaucoup participé à la libération de CO2 atmosphérique.

Les changements d’utilisation des terres et la déforestation, en diminuant la photosynthèse, accentuent également cette libération de CO2.

On estime que le CO2 relâché chaque année par les volcans tourne autour de 0,3 à 0,4 gigatonne. Les activités humaines, quant à elles, émettraient chaque année 100 fois plus de CO2 que l'activité volcanique.

Répartition des émissions mondiales de gaz à effet de serre issues des activités humaines :

On estime que le CO2 est responsable de 55 % de l'effet de serre non naturel provenant des activités humaines.

Le réchauffement climatique observé au début du XXIe siècle (+1 °C en 150 ans) est corrélé à cette perturbation du cycle biogéochimique du carbone par l’émission de gaz à effet de serre liée aux activités humaines.

3. Consommation et piégeage du CO2 atmosphérique
a. L’altération des roches et la précipitation des carbonates
Altération des roches

Certaines roches remises en surface subissent une altération par l’eau au cours d’une transformation chimique qui consomme du CO2.

L’altération des basaltes, contenant des minéraux calciques, consomme du CO2 selon l’équation :

CaSiO3 + H2O + 2CO2 → SiO2 + Ca2+ + 2HCO3-

L’altération des granites, contenant des minéraux sodiques, consomme du CO2 selon l’équation :

2NaAlSi3O8 + 11H2O + 2CO2 → Si2O5Al2(OH)4 + 2Na+ + 2HCO3- + 4H4SiO4

Ces altérations vont dépendre du climat et du relief. L'eau est le principal agent d'altération des roches.

Formation des roches carbonatées

La formation de certaines roches permet également le piégeage du CO2. C’est le cas des roches carbonatées, dont la formation stocke du CO2 :

CaCO3 + CO2 + H2O ⇄ 2 HCO3- + Ca2+

Cette réaction aboutit au final à un piégeage important du CO2 atmosphérique.

On en déduit donc que la formation des roches carbonatées contribue à faire chuter le taux de CO2.

Cas des orogénèses

Une orogénèse (surrection d’une chaine de montagne) est particulièrement propice à ce piégeage du carbone. En effet, le relief et les précipitations sont à l’origine d’un important phénomène d’altération des roches et donc d’une importante consommation de CO2.

Exemple
La mise en place de la chaine hercynienne (à l'origine des massifs anciens, tels que le Massif Central, les Vosges, etc.) s’est accompagnée de la formation des roches granitiques et métamorphiques, ce qui a eu pour effet de piéger une grande quantité de CO2 et de faire drastiquement baisser le taux atmosphérique de l’époque (Permien). Tous les produits liés à l'érosion de cette chaine se retrouvent dans les bassins d'effondrement autour de ces anciens massifs.

Aujourd’hui, on estime que les réservoirs de carbone inorganique se répartissent ainsi :

  • atmosphère : 800 Gt (gigatonnes) de carbone,
  • océans : 38 000 Gt,
  • roches carbonatées : 70 000 000 Gt.
b. Le rôle de la biosphère
Photosynthèse et respiration

La fabrication de matière organique par les végétaux permet de consommer du CO2. En effet, les végétaux consomment du CO2 pour la photosynthèse et produisent de la matière organique, selon l’équation bilan :

6 CO2 + 6 H2O —› C6H12O6 + 6O2
Énergie lumineuse

Ils en libèrent aussi lors de la respiration.

Ces métabolismes sont donc responsables de transferts de CO2 entre la biosphère et l’atmosphère (si l’organisme vivant est aérien), ou entre la biosphère et l’hydrosphère (si l’organisme vivant est aquatique).

Si l’ensoleillement est conséquent, la croissance du végétal chlorophyllien entraine une consommation de CO2 par photosynthèse supérieure à sa libération par respiration.

Fossilisation de la matière organique

Une partie de la matière organique produite est dégradée par des consommateurs (il y a alors rejet de CO2), mais toute la matière organique n'étant pas dégradée : elle peut être véhiculée, s'accumuler et être fossilisée, donnant ainsi des roches carbonées comme du charbon et du pétrole.
Toute cette matière permet de stocker des millions de tonnes de carbone.

Exemple des forêts du CarbonifèreLe climat chaud et humide du Carbonifère a permis le développement de denses forêts de fougères arborescentes, correspondant à une importante production de matière organique. L’enfouissement de celle-ci dans des roches sédimentaires est à l’origine des gisements de charbon actuels en Europe.
Ce stockage a entrainé une diminution de la teneur en CO2 atmosphérique et donc de la température.
4. Bilan chiffré

 

5. Estimations du climat futur

Les études des variations de climat et de températures sont devenues un enjeu et un fait de société, étant donné que la question et le problème du réchauffement de la planète inquiètent les pays du monde entier.

Il est difficile de déterminer avec précision le climat futur car il faut prendre en compte la variabilité naturelle du climat (la Terre a connu des périodes de glaciation et de réchauffement considérables), mais aussi les activités humaines.

Si on considère le climat aux grandes échelles de temps, nous sommes actuellement dans une période de refroidissement commencée il y a 20 millions d'années, mais de nombreux changements brutaux de climats demeurent incompris.

La production annuelle de CO2 liée aux activités humaines est estimée à près de 28 milliards de tonnes. Une grosse partie est piégée de façon naturelle mais il s'accumule environ 3 milliards de tonnes de CO2 par an dans l'atmosphère, d'où une hausse de l'effet de serre.

Un réchauffement imputé à cet effet de serre se superpose donc à la tendance de plus grande ampleur au refroidissement, et les scientifiques prévoient une hausse de la température au XXIe siècle de l'ordre de 2 à 5 °C.

6. Conclusion

Les modifications de climat sont liées à la teneur en CO2 atmosphérique.

De nombreux processus consomment du CO2 et tendent à refroidir le climat, tandis que d'autres en libèrent et contribuent à réchauffer la Terre.

À un moment donné, le climat ne correspond finalement qu'à un équilibre entre tous ces processus.

Actuellement, la prévision est à une hausse des températures au XXIe siècle avec le réchauffement de la planète.

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