Le gaz carbonique (CO 2 ) Ami ou ennemi pour la planète?

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1 U3A 2014 Le gaz carbonique (CO 2 ) Ami ou ennemi pour la planète? Eric P. Verrecchia Faculté Géosciences et Environnement Laboratoire Biogéosciences

2 Pourquoi parle-t-on autant du gaz carbonique? Alors, qu est-ce donc que le gaz carbonique? D où vient-il? Comment est-il éliminé? Le cycle couplé du CO 2 et du vivant: court ou long terme? Qu est-ce que l effet de serre? Qu est-ce qu un gaz à effet de serre? Quels sont les effets du gaz carbonique... sur la température? sur la production de biomasse? sur la chimie des océans? Sa concentration a-t-elle varié au cours de l histoire de la Terre? Quel rôle a-t-il joué dans l histoire de la Terre? Conclusions: danger pour la planète ou pour l espèce humaine?

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4 Pourquoi parle-t-on autant du gaz carbonique? Température planétaire et taux de gaz carbonique auraient une relation directe Le gaz carbonique est massivement émis par les activité humaines

5 Alors qu est-ce donc que le gaz carbonique? Oxygène O Carbone C Oxygène O O avec C et avec un second O (soit 1 C et 2 O) ou CO 2

6 Alors qu est-ce donc que le gaz carbonique? c est un gaz (dans les conditions de surface) il est incolore (on ne le voit pas) il peut être liquifié et même solidifié à forte pression et basse température en forte concentration il est toxique pour les êtres vivants

7 D où vient le gaz carbonique? Respiration Feux Volcans Océan tropical Roches calcaires Le contexte naturel!!!

8 D où vient le gaz carbonique? Volcans Lors des éruptions, les volcans dégazent de grandes quantités de CO 2 et d eau. Ces causes sont parfaitement naturelles. Le contexte naturel!!!

9 D où vient le gaz carbonique? Volcans Respiration Lorsque les êtres vivants respirent, ils relachent du CO 2 et de l eau. Ces causes sont parfaitement naturelles. <CH 2 O> + O 2 H 2 O + CO 2

10 D où vient le gaz carbonique? Volcans Feux <CH 2 O> + O 2 H 2 O + CO 2 Combustion de la biomasse C + O 2 CO 2 Combustion du charbon Les combustions relachent aussi du CO 2 (et de l eau) lorsqu elles sont complètes. CH O 2 H 2 O + CO 2 Combustion du gaz de ville

11 D où vient le gaz carbonique? Respiration Feux Volcans Roches calcaires CaCO 3 + H + Ca 2+ + H 2 O + CO 2 Attaque par des acides forts (acide sulfurique) Le contexte naturel!!!

12 D où vient le gaz carbonique? Respiration Feux Volcans Océan tropical Courants chauds Upwellings Pression partielle Roches calcaires Le contexte naturel!!!

13 D où vient le gaz carbonique? Ciments Energies fossiles Déforestations Erosion des sols Bétail Le contexte anthropogénique!!!

14 Ces rejets s accumulent à plus de 50% dans l atmosphère Où va donc le CO 2 (naturel ou anthropique)? Ciments Energies fossiles Déforestations Erosion des sols Bétail Le contexte anthropogénique!!!

15 Où va donc le gaz carbonique? Photosynthèse Biomasse Tectonique Océan polaire Sols Roches silicatées Le contexte naturel!!!

16 Où va donc le gaz carbonique? CO2 et autres gaz volcaniques Tectonique Le contexte naturel!!! CaSiO 3 + CO 2 CaCO 3 + SiO 2 Croûte océaniques (Basalte) Sédiment carbonaté (Carbonates)

17 Où va donc le gaz carbonique? Photosynthèse Biomasse Tectonique H 2 O + CO 2 <CH 2 O> + O 2 Attention à l équilibre dans les forêts!!! Le contexte naturel!!!

18 Où va donc le gaz carbonique? Photosynthèse Biomasse Tectonique Sols Les sols préservent la matière organique de l oxydation: les humus et les complexes organo-minéraux Attention à l érosion des sols!!! Le contexte naturel!!!

19 Où va donc le gaz carbonique? Photosynthèse Biomasse Tectonique L attaque des roches silicatées consomme du CO 2 Sols Roches silicatées CaAl 2 Si 2 O 8 + 2CO 2 + 3H 2 O Ca HCO Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 anorthite kaolinite 2KAlSi 3 O 8 + 2CO 2 + 3H 2 O 2K HCO SiO 2 + Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 orthose Le contexte naturel!!! kaolinite

20 Où va donc le gaz carbonique? Photosynthèse Biomasse Tectonique Océan polaire Eau froide Blooms algaires Pression partielle Sols Roches silicatées Le contexte naturel!!!

21 Le cycle couplé du CO 2 et du vivant: court ou long terme? LUX Photosynthèse <CH 2 O> O 2 2 H 2 O CO 2 Respiration aérobie

22 Le cycle couplé du CO 2 et du vivant: court ou long terme? LUX CO 2atm Photosynthèse <CH 2 O> O 2 2 H 2 O CO 2 C fossile Respiration aérobie Combustion

23 Conclusion partielle Dans des conditions naturelles, un équilibre dynamique se met en place au cours du temps, avec plasticité!

24 Le Soleil chauffe la Terre

25 Dans le cas d une atmosphère neutre, et à réception des 342 W.m -2 d énergie solaire, quelle devrait être la température à la surface de la planète? La formule de Stefan-Boltzman va permettre de faire le calcul: avec S 0 ( ) = 1 4 σ T K 4 = 342 % ' & S α ( ) σ = 5, α =1 0,3 = 0,7, alors : T( K) = 255 K soit = 18 C La température moyenne de la planète devrait être de: - 18 C Pourtant l eau est bien liquide! Pourquoi? ( * )

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28 L effet de serre Atmosphère Rayonnement solaire incident Rayonnement de grande longueur d onde (IR) Couverture atmosphérique contenant les gaz à effet de serre θ C Rayonnement émis par la Terre (IR) Absorbtion et réémission par les gaz à effet de serre Réchauffement solaire de surface - 18 C + 15 C Terre

29 L effet de serre J. Lovelock Les âges de Gaia

30 Les gaz à effet de serre 1.96 % % 0.91 % % 1.04 % 2 % 54 % 40 % 2 % 2 %

31 Les gaz à effet de serre Gaz di-atomiques Gaz tri-atomiques O 2 O 3 H 2 O N 2 Gaz mono-atomique Ar CO 2 N 2 O Gaz poly-atomique CH 4

32 Faisons à présent le bilan dans l infrarouge thermique dû essentiellement au rayonnement terrestre. Le bilan n est-il pas largement excédentaire? En effet, on a : 392 W.m -2 émis par la surface, 32 passent au travers de la fenêtre atmosphérique, restent W.m -2 sont ré-émis vers l espace, La différence est donc de +153 W.m -2. C est l effet de serre naturel! ( ) = 1 4 σ T K 4 = 342 % ' & S α ( ) + E ES avec S σ = 5, α =1 0,3 = 0,7 E ES =153, alors : T( K) = 288 K soit = +15 C ( * )

33 Les gaz à effet de serre Effet de serre et planètes telluriques Vénus Terre Mars Température de surface approximative sans les gaz à effet de serre - 20 C - 18 C - 60 C Température de surface réelle C + 15 C - 55 C Réchauffement dû aux gaz à effet de serre C + 33 C + 5 C

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35 CO 2 et biomasse Nature Climate Change, 1, (2011)

36 CO 2 et biomasse La croissance des arbres est stimulée par le CO 2 en excès. La forêt boréale est en pleine luxuriance. Mais... Source : internet

37 Mais... CO 2 et océan ne font pas bon ménage... On parle alors d acidification des océans. Source : Nature

38 L acidification des océans Comment la vie des mers va-t-elle changer? CO 2 absorbée depuis l atmosphère Dioxyde de carbone Eau Ion carbonate 2 ions bicarbonate La consommation des ions carbonate met en péril la calcification Source : NOAA

39 Le CO 2 et l océan Les hausses des températures et du taux de gaz carbonique menacent la vie océanique Source : internet

40 En haut, l aragonite en Elle est très stable dans tout l océan tropical. En bas, l aragonite en Elle devient instable, voire corrodée dans une grande partie de l océan mondial. Que deviendront les écosystèmes?

41 Variation du CO 2 au cours des derniers 600 Ma Carbonifère

42

43 Variation du CO 2 au cours des derniers 600 Ma Glaciations

44 Le CO 2 ami de la Terre à sa naissance!

45 Conclusions: CO 2 ami ou ennemi? Le CO 2 est un produit naturel et n est pas un ennemi Il est un acteur fondamental du cycle du carbone, élément dont nous sommes fait Ses sources sont multiples, ainsi que ses puits, mais avec le temps le système trouve un équilibre dynamique Il est essentiel à la conservation de températures positives pour l eau liquide (effet de serre) Il est la source fondamental de la biomasse photosynthétique Néanmoins... il peut donner la fièvre à l atmosphère (effet de serre) il peut perturber la chimie des océans il peut modifier les cycles climatiques Sa variabilité en concentration au cours de l histoire de la Terre a montré qu il n est pas un danger pour la planète Alors, danger pour la planète ou pour l espèce humaine?

46 Merci pour votre attention!!!

47 La preuve d un réchauffement climatique mondial!

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