Le cycle du carbone et l effet de serre anthropogène. UE libre UBO CLIMAT : Le cycle du carbone. Pourquoi faut-il nous intéresser au Carbone?

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1 UE libre UBO CLIMAT : Passé,, présent, futur Le cycle du carbone et l effet de serre anthropogène Chapitre 8 Le cycle du carbone S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 1 S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 2 Pourquoi faut-il nous intéresser au Carbone? Le recyclage des éléments à travers les diverses composantes à la surface de la Planète est fortement lié au fait que la Terre est une planète vivante. L'élément le plus critique attaché à ce recyclage est sans contredit le carbone. Depuis que le cycle biologique du carbone est apparu sur Terre, il a en quelque sorte transformé cette planète en un système fermé qui assure sa continuité. Il est le constituant majeur de deux gaz à effet de serre, CO 2 et CH 4 sans lequel il ne saurait y avoir de vie sur terre. Son recyclage influence particulièrement rement la productivité biologique et le climat. Évolution des concentrations de CO 2 et des températures au cours des temps géologiquesg S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 3 S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 4 1

2 Le Carbone sur la Terre Le Carbone sur la Terre Le taux de CO 2 dans l'air peut varier: Selon les saisons. Activité volcanique. Combustion du carbone fossile par les humains. Avant 1850 : 274 ppm ~1950 : 316 ppm Actuellement: 351 ppm Augmentation actuelle est estimée à ~ 1,5 ppm par année On retrouve du carbone: Sous forme de CO 2 : dans l'air et dans l'eau surtout. Sous forme de matière organique (êtres vivants). Sous forme de matière organique enfouie (charbon, pétrole). Sous forme rocheuse (carbonates). S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 5 S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 6 Le Carbone sur la Terre Il y a sur la Terre une quantité finie mais extrêmement importante de carbone. Le carbone est présent dans les océans, les sols, les réserves de carbone fossile, la roche mère, l'atmosphère et la biomasse végétale. 1 téragramme (Tg) = 1012 grammes ou 106 tonnes. 1 pétagramme (Pg) = 1015 grammes ou 109 tonnes. 1 gigatonne (Gt) = 109 tonnes ou 1 Pg. 1 Pg =1 Gt. ppmv ppbv pptv = Parties par million en volume. = Parties par milliard en volume. = Parties par trillion en volume. Cycle Global du Carbone On appelle cycle du carbone le déplacement du carbone, sous ses diverses formes, entre la surface de la Terre, son intérieur et l'atmosphère. Les principaux mécanismes de l'échange de carbone sont : la photosynthèse la respiration l'oxydation. Un transfert a lieu entre les organismes vivants, l'atmosphère, la terre et l'eau. Au cours des millions d'années, le cycle du carbone a concentré de grandes quantités de carbone dans la roche-mère, principalement sous forme de calcaire, et dans les combustibles fossiles. S. Speich N.Daniault UBO Climat 7_ 7 S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 8 2

3 Le cycle Global du Carbone : réservoirs r et flux Le cycle global du carbone et ses flux entre les quatre sphères "superficielles" de la Planète: lithosphère, hydrosphère, biosphère et atmosphère. Y est indiquée aussi la dimension des réservoirs de carbone impliqués, exprimée en Gtc (Gtc = gigatonnes en équivalent carbone), c'està-dire en milliards de tonnes métriques de carbone. En rouge: flux anthropiques le cycle Global du Carbone : réservoirs r et flux Au niveau des flux entre les réservoirs, on évalue que le temps de résidence d'un atome de carbone est de 4 ans dans l'atmosphère, de 11 ans dans la biosphère, de 385 ans dans l'hydrosphère superficielle (océan de 0 à 100 m), de plus de 100 Ka (milliers d'années) dans l'océan profond et de quelques 200 Ma (millions d'années) dans la lithosphère. S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 9 S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 10 Carbone organique et inorganique Le cycle global du carbone implique des processus qui agissent en milieu terrestre et en milieu océanique et où interviennent des réactions chimiques biologiques et non-biologiques. le cycle Global du Carbone : réservoirs r et flux 2 2 Transformations du CO 2 en matière organique et de la matière organique en CO 2 = processus rapide Dans la nature, le carbone se retrouve sous deux formes: le carbone organique (Corg) et le carbone inorganique (Cinorg). Le Corg est celui qui est produit par des organismes vivants et qui est lié à d'autres carbones ou à des éléments comme l'hydrogène (H), l'azote (N) ou le phosphore (P) dans les molécules organiques ou les hydrocarbures. Le Cinorg est celui qui est associé à des composés inorganiques, c'est-àdire des composés qui ne sont pas et n'ont pas été du vivant et qui ne contiennent pas de lien C-C ou C-H, comme par exemple le carbone du CO 2 atmosphérique ou celui des calcaires CaCO 3. S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 11 Chaque année, environ 1/7 du CO 2 est transformé en végétation et autant de CO 2 est produit par respiration. Transformation du CO 2 en carbonates et des carbonates en CO 2 = processus très s lent (millions d'années). Les océans absorbent beaucoup de CO 2 de l'air (= tampon à CO 2 ). Ce CO 2 peut former des carbonates qui se déposent pour former des roches sédimentaires. La plus grande quantité de carbone est sous forme rocheuse (50 fois plus de carbone sous cette forme que sous forme de CO 2 ). Le déplacement des plaques tectoniques permet l'échauffement des carbonates déposés et leur transformation en CO 2 (volcanisme). S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 12 3

4 Le cycle (court) du Carbone organique Pour le cycle court, on parle de processus qui s'étalent sur des temps inférieurs au siècle. Le processus de base du recyclage du carbone à court terme est le couple photosynthèse-respiration, c'est-à-dire la conversion du Cinorg du CO 2 en Corg par la photosynthèse, et l'inverse, la conversion du Corg de la matière organique en Cinorg par la respiration. la photosynthèse se qui utilise l'énergie solaire pour synthétiser la matière organique en fixant le carbone dans des hydrates de carbone (CHO) la respiration est l'inverse de la photosynthèse: à partir de l'oxygène libre O 2, elle transforme toute matière organique en CO 2 La fermentation produit du dioxyde de carbone et du méthane (l'hydrocarbure le plus simple, avec une seule molécule de carbone). Le cycle (long) du Carbone organique Sur des échelles de temps beaucoup plus longues, ce sont les processus de nature géologique qui deviennent les contrôles les plus importants, des processus qui agissent sur des milliers et des millions d'années. Il s'agit de processus tels l'enfouissement des matières organiques dans les sédiments et roches sédimentaires, leur transformation en combustibles fossiles et leur altération (oxygénation) subséquente. Les flux de carbone reliés à ces processus sont faibles; en revanche, les réservoirs sont immenses et le temps impliqué très long. one.html S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 13 S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 14 Le cycle du Carbone inorganique Le bilan global actuel «naturel» du CO 2 en GtC/an (1 GtC = gg) L'échange entre le CO 2 atmosphérique et le CO 2 de la surface des océans a tendance à se maintenir à l'équilibre. L'altération chimique des roches continentales convertit le CO 2 dissout dans les eaux météoriques (eaux de pluies et des sols) en HCO 3- qui est transporté dans les océans par les eaux de ruissellement. Les organismes combinent ce HCO 3- au Ca 2+ pour secréter leur squelette ou leur coquille de CaCO 3. Une partie de ce CaCO 3 se dissout dans la colonne d'eau et sur les fonds océaniques; l'autre partie s'accumule sur les planchers océaniques et est éventuellement enfouie pour former des roches sédimentaires carbonatées. Ces dernières sont ramenées à la surface après plusieurs dizaines de millions d'années par les mouvements tectoniques reliés à la tectonique des plaques. Une partie du carbone des roches carbonatées est recyclée dans les magmas de subduction et retournée à l'atmosphère sous forme de CO 2 émis par les volcans. S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 15 S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 16 4

5 Le bilan global actuel perturbé du CO2 en GtC/an (1 GtC =10 15 gc) Le bilan global actuel perturbé du CO2 en GtC/an (1 GtC = gc) S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 17 S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 18 Le cycle du Carbone océanique S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 19 S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 20 5

6 Absorption océanique du CO 2 Problème de la libération du Carbone par l Hommel Pompe de solubilité régie par l équilibre thermodynamique du CO 2 : CO 2 plus soluble dans les eaux froides des hautes latitudes qui sont des zones de formation d eaux denses => transfert du CO 2 en profondeur = engrais océaniques Pompe biologique : consommation de CO 2 et de sels nutritifs pour la réaction de photosynthèse dans les eaux de surface ( conversion du CO 2 en matière organique par le phytoplancton) => processus de transfert du carbone particulaire de la surface vers les eaux profondes où il est reminéralisé Cette libération est trop rapide, trop brutal. Augmentation des émissions de Carbone augmentation du CO 2 atmosphérique (et CH 4 ) augmentation de la température terrestre S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 21 S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 22 Emissions de Carbone «anthropique» et teneur de CO 2 atmosphérique Il est estimé que la combustion des énergies fossiles et la déforestation ont relargué au total quelques 350 GtC dans l atmosphère depuis Le CO 2 étant une molécule stable dans l atmosphère, une telle quantité aurait dû conduire à des concentrations atmosphériques en CO 2 de l ordre de 450 ppmv à la fin du XXème siècle. Or, il n en est rien puisque l augmentation observée en 1995 n est que de 29%, au lieu de 60%. Ceci indique que : l augmentation du CO 2 atmosphérique est d origine anthropique et que les réservoirs naturels (océan et biosphère continentale) ont réabsorbés près de la moitié des rejets anthropiques. Conséquences des émissions «anthropiques» de carbone Le cycle du carbone est fortement perturbé par les activités humaines ; l augmentation du CO 2 atmosphérique représentant la partie émergée de l iceberg carbone. Cette perturbation du CO 2 se propage à la fois au climat terrestre à travers l effet l de serre du CO 2, à la biomasse en tant qu é élément constitutif de toutes les molécules organiques, et à la géochimie g marine par acidification des eaux de surface. Une stabilisation du CO 2 atmosphérique nécessitera en premier lieu une diminution des rejets anthropiques ; par contre, l évolution de la capacité de stockage des systèmes naturels reste encore très mal connue. L e stockage du CO 2 par la biosphère terrestre est beaucoup plus précaire que par les océans. En effet les temps de stockage dans la végétation ou les sols sont courts, quelques années à quelques décennies, tandis que les constantes de temps océaniques peuvent dépasser plusieurs siècles. S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 23 S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 24 6

7 Flux de CO 2 CO 2 anthropique : flux global net de CO 2 non nul régions puits et source de CO 2 non équilibrées Flux air-mer de CO 2 puits sources Évaluation des flux globaux par modélisation numérique du système «Terre» (résultats de deux modèles différents) Flux de CO 2 (mol CO 2 m -2 an -1 ) CO 2 anthropique : flux global net de CO 2 non nul régions puits et source de CO 2 non équilibrées flux global non résolu car forte variabilité saisonnière de la pression partielle de CO 2 (pco 2 ) dans les eaux de surface de l océan => mesures en continu de pco 2eau et connaissance des processus conduisant à cette répartition S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 25 S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 26 Océan : Pompe de solubilité 7 6 CO2 Solubility 10e-2 moles/l.atm Temperature Section Nord sud de la température de l eau (Atlantique) A l équilibre pco2 océan= pco2 atmosphère Dans l atmosphère pco2 = 365ppm Là où l eau se refroidit, solubilité augmente, pco2 en eau de surface diminue à concentration constante elle pompe du CO2 depuis l atmosphère Là où elle se réchauffe, c est le contraire, et elle dégaze du CO2 : upwellings C est la pompe physique S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 27 S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 28 7

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