Le cycle du carbone est actuellement l'objet de recherches intenses car le gaz carbonique (CO₂) est un des principaux gaz à effet de serre impliqués dans les changements climatiques actuels. Dans cette animation, nous allons comprendre ce qu'est l'effet de serre et voir les paramètres qui l'influencent. Car les gaz à effet de serre ne sont pas seuls à intervenir.

Le gaz carbonique (CO₂) est un gaz à effet de serre naturel. L’augmentation rapide de sa concentration dans l’atmosphère depuis une centaine d’année semble être la cause première du réchauffement actuel que connaît notre planète. Il est devenu ainsi essentiel de suivre l’évolution de sa concentration à court et à long termes et surtout de comprendre les mécanismes par lesquels cette concentration se modifie. Les concentrations atmosphériques de CO₂ en différents sites ne se mesurent que depuis une cinquantaine d’années. Voyons déjà quelques suivis de ces concentrations, puis essayons de déterminer les causes des évolutions observées. Nous entrerons alors dans le cycle du carbone.

Les concentrations atmosphériques en CO₂ se mesurent en ppm, ce qui signifie "parties par millions". Ceci représente le nombre de molécules de CO₂ présentes pour un million de molécules de tous les constituants présents dans l'air. Ainsi, une concentration atmosphérique de 380 ppm de CO₂ signifie que pour un million de molécules d'air, 380 sont des molécules de CO2.

Les ppm sont équivalents au ppmv, ppmv signfie "parties par millions en volume". Une concentration atmosphérique de 380 ppmv en CO₂ signifie que dans un volume d'un million de m³ d'air, 380 m³ sont occupés par le CO₂.

Un cycle du CO₂ atmosphérique

Mesures de la concentration en dioxyde de carbone atmosphérique à la station de MaceHead (Irlande), capteur à 25 mètres de hauteur, source : LSCE

La station de Mace Head, en Irlande montre deux points importants :

1) la concentration moyenne en CO₂ atmosphérique augmente régulièrement

2) il existe un rythme annuel de la concentration atmosphérique du CO₂.

- Entre janvier et avril, elle augmente.
- Entre avril et octobre, elle diminue.
- Entre octobre et décembre, elle augmente (cette augmentation se prolonge l’année suivante, jusqu’au mois d’avril).

Si nous regardons maintenant l’évolution du CO₂ atmosphérique dans une région de l’hémisphère nord, mais éloignée des continents, voilà ce que nous observons.

 

Mesures de la concentration en dioxyde de carbone atmosphérique à la station de Sand Island (milieu Pacifique Nord), capteur à 7 mètres de hauteur, source : NOAA/GMD

Nous observons, comme pour la station de Mace Head, que la concentration moyenne en CO₂ atmosphérique augmente régulièrement et qu'il existe un cycle annuel. Cependant, l'amplitude de ce cycle est plus petite (10 ppm au milieu de l'océan au lieu de 15 ppm proche du continent).

Si nous regardons maintenant l’évolution du CO₂ atmosphérique dans une région de l’hémisphère sud, voilà ce que nous observons.

Mesures de la concentration en dioxyde de carbone atmosphérique à la station de Cape Grim (Australie), capteur à 94 mètres de hauteur, source : NOAA/GMD

Nous remarquons que le cycle annuel est inversé :

- Entre janvier et avril, la concentration du CO₂ atmosphérique diminue.
- Entre avril et octobre, elle augmente.
- Entre octobre et décembre, elle diminue (cette diminution se prolonge l’année suivante, jusqu’au mois d’avril).
Le cycle annuel est cependant moins visible dans cette station que dans la précédente.

Dans l’animation suivante, vous pouvez comparer plus facilement les observations des trois stations. Deux autres points de mesure sont présentés.

Comment expliquer ces cycles annuels ?

Les cycles annuels s’expliquent par les saisons. La concentration atmosphérique en CO₂ augmente pendant la fin de l’automne et l’hiver (d’octobre à avril dans l’hémisphère nord, d’avril à septembre dans l’hémisphère sud) ; elle diminue du milieu du printemps au début de l’automne (d’avril à septembre dans l’hémisphère nord, d’octobre à avril dans l’hémisphère sud).

Cependant, on observe que l’hémisphère nord a plus d’influence sur l’atmosphère, car une station située sur l’équateur se comporte comme une « faible station de l’hémisphère nord » et les stations de l’hémisphère sud présentent des cycles annuels moins marqués.

Depuis le XVIII^e siècle, on sait que le gaz carbonique (le CO₂) est absorbé par les plantes vertes, en présence de lumière, dans un processus appelé « photosynthèse ». Ce processus est la porte d’entrée principal du carbone dans le cycle du vivant. Presque tout le carbone retrouvé dans les êtres vivants provient de ce processus, car les plantes sont ensuite mangées et digérées par des animaux. En même temps, le CO₂ est rejeté par tout être vivant dans un processus appelé « respiration ». Il s’agit en fait d’un échange nécessaire à la vie cellulaire, les cellules ont besoin du dioxygène (O₂) comme source énergétique, et rejettent du CO₂, après des réactions particulières.

Ainsi tous les êtres vivants respirent, c’est-à-dire rejettent du CO₂. Mais les plantes vertes, terrestres et aquatiques, font de la photosynthèse en plus, c’est-à-dire, qu’en présence de lumière, elles absorbent du CO₂. Selon l’importance des réactions de photosynthèse, il y a un gain de CO₂ vers l’atmosphère (photosynthèse moins importante que respiration) ou il y a une perte de CO₂ atmosphérique (photosynthèse plus importante que respiration). Ce premier équilibre peut expliquer les rythmes saisonniers aperçus précédemment :

Milieu printemps-été-début automne : photosynthèse > respiration : le CO₂ atmosphérique baisse.

Milieu automne-hiver-début printemps : photosynthèse < respiration : le CO₂ atmosphérique augmente.

Les différents échanges entre l'atmosphère et la biosphère ou les océans

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Une augmentation due à l’homme ?

Depuis plusieurs millénaires, la concentration atmosphérique du CO₂ était stable autour de 280 ppmv. Depuis cent à deux ans, elle augmente régulièrement pour atteindre 380 ppmv en 2008  est-ce dû à l'Homme ?

Les mesures proviennent des analyses des carottes de glace (points colorés, chaque couleur correspondant à une étude) ou de prélèvements d'air atmosphérique (ligne rouge).

On pense que l’augmentation est due à la production de CO₂ par l’homme depuis le début de la révolution industrielle. En effet, depuis 100-150 ans, l’homme brûle des énergies fossiles qui se sont accumulées pendant des millions d’années, libérant brutalement du CO₂, qui avait été absorbé sur une très longue période (le pétrole, le charbon se forme sur des millions d’années). Il y a donc perturbation par l’homme du cycle du CO₂. Cette perturbation, peut-elle expliquer l’augmentation du taux moyen de CO₂ depuis 150 ans ? Comment la nature réagit-elle à cette perturbation ? C’est tout l’enjeu de la recherche actuelle.

On a réussi à estimer la production de CO₂ due à la combustion des énergies fossiles, cela donne un résultat actuel de 8 milliards de tonnes de carbone/an (ce qui fait 29 milliards de tonnes de CO₂/an). D'après ces calculs, connaissant le volume de l'atmosphère, on estime que la concentration atmosphérique de CO₂ devrait augmenter de 3,5 ppm par an. Or, elle n’augmente que de 1,9 ppm par an (pour la période 2000-2006). Ceci prouve que d’autres phénomènes interviennent dans la régulation du CO₂ atmosphérique.

Les plantes nous "aident"

Première chose, l’augmentation du CO₂ atmosphérique peut stimuler la photosynthèse chez les plantes. Il semble, en effet, que, actuellement, la biomasse absorbe plus de CO₂ qu’elle n’en rejette (les processus de photosynthèse chez les plantes dépassent, en échanges nets, les processus de respiration des êtres vivants).

Le rôle des océans

Deuxième phénomène, une grande surface atmosphérique est en contact avec les mers et les océans, qui représentent 70% de la surface du globe. Les océans et les mers sont des fluides, tout comme l’atmosphère, des échanges gazeux continuels ont ainsi lieu. Si la concentration de CO₂ dans l’atmosphère augmente, les océans vont absorber de ce CO₂, jusqu’à l’atteinte d’un nouvel équilibre. Or, il semble que le CO₂ atmosphérique "en supplément" ne s’est pas encore complètement dissous dans le volume océanique. Le problème est que cette dissolution du CO₂ dans les océans entraîne une acidification de leurs eaux. En effet, les formes de CO₂ dissous dans l'océan forment un acide faible. L'acidification est pour le moment minime (0,1 unité pH) et est limitée aux eaux de surface, mais, à long terme, elle atteindra toutes les profondeurs.

Variation du pH des océans en fonction de la profondeur, entre 1750 et l'an 3000, selon un scénario moyen d'émission de dioxyde de carbone

Au dessus des variations de pH sont représentés les flux des émissions de CO₂ d'origine humaine, ainsi que les concentrations atmosphériques en CO₂, en fonction d'un scénario moyen d'émissions du GIEC (IS92a). Le scénario est envisagé jusqu'en 2100 (pointillés serrés). La suite des émissions correspond à une consommation identique des énergies fossiles jusqu'à l'épuisement de leurs réserves. L'évolution du pH des océans est estimé en fonction de ce scénario.

Ensuite, tout comme sur les continents, le CO₂ est absorbé par des plantes, le phytoplancton, qui se trouve au début de la chaîne alimentaire. Ce CO₂ absorbé représente une masse de carbone, qui, une fois digéré par d’autres organismes, ne réapparaitra pas dans l’atmosphère, mais restera dans les océans, pour ensuite se déposer vers le fond, une fois les organismes morts. Il est donc important d’élargir notre compréhension du cycle du CO₂ vers le cycle du carbone proprement dit.

Autre point important à noter, l’augmentation actuelle du CO₂ provient ainsi de l’émergence plus ancienne d’un phénomène humain, la déforestation par les feux de forêt. Comme pour l’utilisation du pétrole ou du charbon ou du gaz naturel, il s’agit de la libération rapide d’une réserve de CO₂ (de quelques heures à quelques jours) qui s’est constituée en un temps beaucoup plus long (de quelques années à plusieurs siècles, selon l’âge des arbres partis en fumée). Ainsi, on peut dire que la production de CO₂ vers l’atmosphère est supérieure à 7 milliards de tonnes de carbone par an*, ce qui prouve bien que les plantes et les océans atténuent, pour le moment, l’augmentation de la concentration atmosphérique en CO₂.

*On estime la production annuelle de CO₂ vers l'atmosphère due aux différentes déforestations et autres utilisations des sols tourne autour de 1,5 milliards de tonnes de carbone par an (5.5 milliards de tonnes de CO₂ par an) pour les dix dernières années.

Les flux de CO₂ des émissions et dans l'atmosphère, les océans et la végétation terrestre

Source : J. G. Canadell et al, PNAS, 2007

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Les trois grands réservoirs, soumis à des mouvements pour une échelle de temps humaine (on va dire trois générations), sont : l'atmosphère, la biosphère (plantes et animaux continentaux) et les océans.

Le carbone suit un cycle, c’est-à-dire que, grossièrement, il n’y a pas de création de nouvel atome de carbone, mais des passages par différentes molécules, dans les différentes sphères.

L’état du carbone qui nous intéresse particulièrement dans ce site Internet est celui sous forme de CO₂ dans l’atmosphère, car il joue ainsi dans l’effet de serre. Certains processus comme la photosynthèse, la respiration, la fermentation affectent l'équilibre du CO₂ atmosphérique, sur une échelle de temps inférieure au siècle. On parle alors de cycle court du carbone. Le cycle court peut être défini comme les échanges de carbone entre l'atmosphère, la biosphère et les océans.

Cependant, le remplissage de l’immense réservoir que constituent les roches sédimentaires s'est fait petit à petit au cours des temps géologiques. Le flux de carbone est faible, mais s'étend sur une longue période de temps. Il en est ainsi pour l'oxydation du réservoir de carbone qui se trouve dans les kérogènes, hydrocarbures et charbons. On évalue le temps de résidence du carbone organique dans ce réservoir à plus de 200 millions d'années, soit en gros le laps de temps correspondant au dépôt des sédiments et matières organiques dans un bassin océanique, à l'enfouissement et la transformation des sédiments en roches sédimentaires, et finalement le soulèvement et l'émergence lors de la formation d'une chaîne de montagne.

L'extraction et la combustion des pétroles, gaz et charbons que nous pratiquons allègrement sont venues transformer une partie de ce cycle long en cycle court. En effet, du carbone qui se trouve dans un réservoir stable, le carbone dans le charbon, le pétrole et le gaz naturel, va être libéré dans un réservoir à échange rapide : l'atmosphère. Il s'agit donc de nouveaux atomes de carbone qui viennent s'intégrer dans le cycle court et, ainsi, le perturbent.

Évolution du cycle du carbone à différentes époques

Les échanges et les bilans sont exprimés en milliards de tonnes de carbone par an et correspondent aux échanges vers l'atmosphère. Par exemple une flèche dirigée vers l'atmosphère (vers le haut), accompagnée d'une valeur de 7.1 indique un flux de CO₂ vers l'atmosphère de 7.1 milliards de tonnes de carbone par an (ce qui représente 26 milliards de tonnes de CO₂, car le poids en carbone d'une molécule de CO₂ représente 1/3.66 du poids total de la molécule).

Sources : Christopher L. Sabine et al, Science (2004), Josep G. Canadell et al, PNAS (2007), Raupach et al, PNAS (2007), GIEC 2007

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