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.

Cycle simplifié du carbone

On pense1 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.



Dans les profondeurs de la Terre, il y a une quantité d'énergie très importante qui se manifeste et s'échappe par de nombreux moyens possibles: le volcanisme de subduction en fait partie.
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. Le volcanisme fournit à la Terre du CO2 (dioxyde de carbone) par le biais d'éruption et l'empêche de se refroidir.
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 écologiques, dans des « réservoirs » tels que la biosphère, la lithosphère ou les océans.
Intérêt du volcanisme et de ses dégagements du CO2 dans l'histoire de la Terre[modifier]
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[modifier]

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[modifier]
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)[modifier]
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 CO32-.

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 (CO32-)
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 an2.
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.