Le cycle du carbone

 

Mots clés :  Carbonates, CO₂, Cycle, Flux, Réservoirs, Temps de résidence.

Résumé :

Le CO₂ et le méthane, CH₄, sont deux gaz à effet de serre formés de carbone. Or, leur quantité augmente régulièrement ce qui augmente le réchauffement climatique. Ces deux gaz sont produits par les animaux lors de la respiration et de la fermentation microbienne. Comme ces animaux consomment des molécules riches en énergie fabriquées par les végétaux lors de la photosynthèse alors on dit que le CO₂ fait une boucle courte entre l’atmosphère et la biosphère. Mais, si le CO₂ augmente dans l’atmosphère alors il augmente aussi dans l’eau car sa solubilité est forte : atmosphère et hydrosphère sont en équilibre du point de vue de la molécule de CO_2. Dans l’hydrosphère, le CO₂ se transforme en ion carbonate, lequel se lie à un ion calcium pour former du calcaire qui précipite sur le fond de océans. Ces bancs calcaires doivent être vus comme des puits à carbone. Le CO₂ piégé dans les calcaires ne retournera dans l’atmosphère qu’à la faveur d’une sortie des eaux du banc (lors de mouvements tectoniques) puis d’une altération par les eaux de pluie dont l’acidité dissout le calcaire. C’est la boucle la plus longue. Il y en a une autre de longueur intermédiaire : la fossilisation de forêts entières conduisant à la formation de pétrole, gaz et charbon qui doivent aussi être vus comme des puits à carbone. Là, les hydrocarbures sont piégés dans le sous-sol, ils n’en sortiront qu’à la faveur d’une extraction par les humains. Leurs combustions renvoient du CO₂ dans l’atmosphère.

C’est parce que l’atome de carbone peut se présenter sous forme solide, ionique, et gazeux ; qu’il forme 25% des molécules du vivant et qu’il peut former du calcaire et des hydrocarbures, qu’il peut voyager entre les 4 grands réservoirs terrestres que sont l’atmosphère, l’hydrosphère, la biosphère et la géosphère.

L'hypothèse Gaïa, appelée également hypothèse biogéochimique, est une hypothèse controversée, initialement avancée en 1970 par le climatologueanglaisJames Lovelock en collaboration avec la microbiologisteaméricaineLynn Margulis, mais également évoquée par d'autres scientifiques avant eux, selon laquelle la Terre serait « un système physiologique dynamique qui inclut la biosphère et maintient notre planète depuis plus de trois milliards d'années en harmonie avec la vie ». D’après Wikipédia.

 

 

Introduction

Parmi tous les éléments présents à la surface de la Terre, le carbone C n’est pas le plus abondant, loin derrière l’oxygène et le silicium, mais il correspond à l’un des paramètres essentiels impliqués dans l’apparition et le maintien de la vie sur notre planète.

Il est surtout le constituant majeur de deux gaz carbonés à effet de serre, le CO₂ et le CH₄,
qui contrôlent le fonctionnement du système climatique terrestre à travers un système de recyclage naturel entre les 4 grands réservoirs de carbone que sont :

ð L’atmosphère,

ð L’hydrosphère (principalement océanique),

ð La géosphère,

ð Et la biosphère.

Le cycle du carbone implique des processus géologiques qui agissent en milieu terrestre et océanique où interviennent des réactions biochimiques et chimiques inorganiques.

Il est souvent utile de faire la distinction entre les deux différentes formes de carbone présentes dans la nature :

ð Le carbone organique (Corg)

ð Le carbone inorganique (Cinorg)

Le carbone organique (Corg), produit par les organismes vivants et qui présente des liaisons avec d’autres carbones ou d’autres éléments comme l’hydrogène (H), l’azote (N)ou le phosphore (P) dans le cas de molécules organiques ;

Le carbone inorganique (Cinorg), associé à des composés inorganiques qui ne contiennent pas de liaisons C-C ou C-H, est présent sous différents états : gazeux, comme dans le cas du CO₂ atmosphérique, solide dans les carbonates CaCO₃, ou encore sous forme ionique dissoute (HCO^-) dans les océans.

 

• Le CO2 est un gaz inerte, très soluble dans l’eau
• L’atome possède 6 protons et 6 neutrons : il lui manque donc 4 électrons pour remplir sa 2^e couche électronique.
• Par conséquent, l’atome de Carbone forme toujours 4 liaisons covalentes qui peuvent être organiques et minérales.
• Il représente environ 25% des atomes de nos cellules.

 

 

• Réservoir ou boîte : c’est une unité élémentaire contenant l’atome (C) ou la molécule considérée (H₂O) repartie de façon +/- homogène et sous une forme +/- identique. N’est pas nécessairement délimité́ physiquement

• Flux : un échange de matière entre réservoirs (masse par unité de temps) comportant des entrées (ou sources) et des sorties (ou puits)

• Cycle : modèle représentant le parcours et les transformations cycliques d’une molécule ou d’un atome entre les grands réservoirs

Il existe quatre réservoirs de carbone :

 

 

→ Le cycle du C est un modèle représentant le parcours entre les grands réservoirs de C sur Terre

 

 

 

 

 

• Temps de résidence ou de séjour : c’est le temps « moyen » durant lequel un atome ou une molécule du cycle considéré reste dans un réservoir avant de changer de réservoir

NB : on fait l’hypothèse qu’on est à l’équilibre

Flux entrant = flux sortant

 

 

 

 

 

L’Atmosphère représente un carrefour, un point de départ et d’aboutissement du cycle.

Flux et taille des réservoirs étant constants, alors le cycle est stationnaire.

 

Calculer les temps de résidence du C pour l’atmosphère, la biosphère, l’océan et la croûte

 

 

 

 

 

 

Cycle court (année) → échanges entre réservoirs de surface (atmosphère, biosphère, océan)

Cycle long (Ma) → implique la géosphère

→ Les différents réservoirs interviennent à des échelles de temps très variables dans le stockage du carbone

 

Les flux sont à l’équilibre donc la taille des réservoirs est constante → cycle stationnaire

Réservoirs de surface : petite taille et C rapidement renouvelé́ (cycle court)

Réservoirs profonds : grande taille et C renouvelé́ lentement (cycle long)

 

 

D’où un impact majeur du carbone atmosphérique sur le climat par l’effet de serre

Et si la taille de ce réservoir varie, l’effet de serre est susceptible de varier d’où l’intérêt majeur d’étudier les variations de ce cycle.

 

 

 

 

 

 

Réservoirs en GtC ; flux en Gt/an

 

ð  Apparition de nouveaux flux d’origine anthropique

ð  Augmentation de la taille du réservoir atmosphérique (+ 4 GtC/a)

Tout le Carbone émis ne reste pas dans l’atmosphère

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

La pompe biologique

La photosynthèse est le processus biologique qui capte du CO₂ atmosphérique et qui l’associe à l’eau pompée dans les racines ; une oxydo-réduction se passe grâce à l’énergie de la lumière ; du dioxygène est alors produit puis rejeté et du glucose, riche en énergie chimique est stocké.

 

Taux de réaction

 

 

Une augmentation de la teneur en CO2 de l’atmosphère accroit la photosynthèse.

Au-delà d’un seuil qui est fonction du type de plante (~30°C), l’efficacité de la photosynthèse sature (1000 ppmV)

La respiration :

C’est le mécanisme inverse de la photosynthèse, les produits deviennent des réactifs.

 

C6H12O6 + 6 O2 → 6 H2O + 6 CO2 (+énergie)

Sucre + oxygène => eau + gaz carbonique

 

Le bilan photosynthèse/respiration est fonction de la saison : aux latitudes extratropicales, les saisons sont marquées, il y a une absorption maximale du CO₂ lors période de végétation (printemps et été), et une émission maximale de CO₂ lors du repos hivernal, un peu comme si la Terre expirait du CO₂ durant tout l’hiver et en inspirait le reste du temps.

Bilan global annuel : absorption nette de 60 Gt C/an

 

 

La pompe physique :

La pompe à carbone océanique = dissolution dans les eaux de surface puis plongée

 

 

Remontée eau chaude entraine leur réchauffement et la libération d’une partie du CO2 dissout  Joue un rôle dans les refroidissement en début de période glaciaire et les réchauffements lors de la sortie de la glaciation  Réchauffement : dissolution CO2 plus difficile

Eau froide dissout beaucoup de CO2 < Circulation thermohaline : Forte P° => grande quantité́ CO2 stockée en profondeur

=> Boucle de rétroaction : plus il fait chaud, plus le CO2 est libéré dans l’atmosphère

 

Le système des carbonates dans les océans

ð Écrire les deux demi-réactions acido-basiques, puis l’équation-bilan correspondant à la réaction entre l’acide carbonique et l’eau

 

 

ð Écrire les deux demi-réactions acido-basiques, puis l’équation-bilan correspondant à la réaction entre l’hydrogénocarbonate et l’eau

 

 

ð Déduire l’équation-bilan de la réaction qui a lieu entre CO₂, H₂O _(aq) en excès et CO₃^2-

 

ð Calculer les pKA des deux premiers couples acido-basiques (questions a et b)

 

pKa ou pKA, l'indication de la « constante d'acidité » Ka d'un équilibre acido-basique (pKa = -log10Ka). Plus le pKa est petit, plus l'acide est fort ;

pKa =-log Ka

pKA1=-log(KA1)=-log(3.98*10-7)=6.4 pKA2=-log(KA2)=-log(5.01*10-11)=10.3

ð Tracer un axe pH sur lequel apparaissent les valeurs des pKA et les domaines où les espèces conjuguées prédominent

 

 

ð Quelle espèce dissoute, parmi les trois précédentes, prédomine dans les océans ?

 

 

A pH~8, c’est l’ion hydrogénocarbonate qui domine : HCO₃^- (aq)

 

ð Quel est l’effet d’une augmentation importante de la concentration en dioxyde de carbone de l’atmosphère PCO2atm sur le squelette des coraux ?

 

 

 

 

Florida keys :

 

 

 

Estimation du PH moyen de surface. D’après Feely et al. Oceanography, 2009

Pour aller plus loin : http://edu.mnhn.fr/mod/page/view.php?id=1351

 

La pompe à carbone océanique

 

→ L’océan absorbe ainsi 2.3 GtC sur les 9 Gt d’émissions anthropiques en un an.
→ Rôle essentiel pour expliquer les variations de P_CO2 à l’échelle de plusieurs ka durant les glaciations

https://vimeo.com/156037683

 

 

 

 

Micrographie de stomates

 

 

 

 

Indice stomatique = rapport entre nombre de cellules stomatiques et de cellules épidermiques

→ L’indice stomatique donne une indication de la teneur en CO2 du passé (permet de remonter jusqu’au Carbonifère)

→ Cette teneur en CO2 a varié à l’échelle de plusieurs Ma

 

 

 

 

 

 

Quels sont les facteurs de contrôle du cycle long du Carbone ?

 

 

 Puits de CO2

1.  Effet du volcanisme et du taux d’expansion océanique

 

 

 

 

Le CO2 est le 2^e gaz émis par les volcans (3% en moyenne)

 

→ Le Volcanisme de dorsale, d’arc et de point chaud = sources de CO2

 

Cas théorique

→ Plus l’activité volcanique est importante, plus le dégazage est fort, plus la teneur en CO2 et l’effet de serre sont importants

 

L’activité volcanique au cours du Phanérozoïque :

→ Dégazage volcanique variable au cours de temps géologiques → Dégazage important au Crétacé́, réduit au Permien-Carbonifère

 

 

2.  Effet de la préservation de la matière organique

 

 

 

 

 

→ Si la matière organique est préservée, non décomposée alors il y a séquestration de CO2 sur le long terme dans le sous-sol.

Par conséquent, pendant les périodes de forte préservation de la matière organique (Permien + Carbonifère) : teneur en CO2 atmosphérique réduite

3.  Effet de l’altération chimique des roches

 

 

 

 

 

 

 

L’intensité́ de l’altération des silicates est variable au cours du temps

 

 

 

 

→ Altération forte en période d’orogenèses
→ Consommation de CO2 atmosphérique importante

Orogenèse hercynienne (Permo-Carbonifère) et orogenèse alpine (Cénozoïque) → Consommation de CO2 atmosphérique

4.  Effet de la précipitation et de la préservation des carbonates

 

Photo des falaises d’Étretat

 

 

 

 

Carbonates = immense stock de C sur le long terme

Pour aller plus loin : https://planet-terre.ens-lyon.fr/article/co2-et-carbonates.xml

 

Bilan entre altération chimique et précipitation des carbonates

En raisonnant sur les équations de réactions, faire le bilan de la quantité́ de CO₂ consommée ou produite dans le cas de l’érosion continentale de calcaire (et de basalte), suivie de la précipitation dans l’océan des ions carbonate.

 

Couplage altération des silicates + précipitation des carbonates → pompe à CO2

 

 

Couplage altération – précipitation : du CO2 atmosphérique à la roche carbonatée

→ Altération des silicates + précipitation des carbonates = pompe à CO2

Bilan : les facteurs de contrôle des flux du cycle du C sur le long terme sont :

Ces processus ont varié́ au cours des temps géologiques, entrainant des modifications du cycle du C

En faisant le bilan apports – exports il est possible de modéliser l’évolution de la teneur en CO₂ atmosphérique du passé

 

 

 

 

 

 

5.  Le modèle GEOCARB

 

 

 

 

La Terre semble fonctionner comme un peu comme système physiologique dynamique, c’est l’hypothèse Gaia. Les 4 enveloppes terrestres sont en équilibre aujourd’hui ce qui n’était pas le cas lors de la formation de la planète : la quantité de CO₂ atmosphérique était supérieure, la vie n’existait pas, le dioxygène n’était pas présent. Le carbone est le seul élément chimique capable de transiter dans les 4 enveloppes sous diverses formes et divers états. Les flux étaient équilibrés jusqu’à la révolution industrielle ; aujourd’hui, un flux est forcé par l’intermédiaire de l’Homme qui extrait des hydrocarbures du sous-sol et renvoi du CO₂ dans l’atmosphère lors de leur combustion, ce qui a tendance à acidifier les océans et à dissoudre les coraux formés de calcaire, en plus d’accentuer le réchauffement climatique. Il va falloir trouver des solutions alternatives aux hydrocarbures si l’on veut que le système retrouve un équilibre.