F6 / La biosphère est une interface entre les différentes enveloppes terrestres

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1 F6 / La biosphère est une interface entre les différentes enveloppes terrestres F6_Activité 2_EXERCICE : Le cycle du Carbone Le cycle du carbone est un des plus importants cycles biogéochimiques planétaires et cela pour plusieurs raisons. Bien sûr, le carbone est à l origine de la Vie. Tous les êtres vivants sont construits à partir de composés dont la structure est essentiellement faite à partir d atomes de carbone. Ensuite, le carbone, sous forme de méthane (CH 4 ) et de dioxyde de carbone (CO 2 ) contribue grandement à réguler le climat de la Terre. Ainsi, dans les périodes géologiques reculées, la Terre était bien plus chaude à cause des concentrations élevées de CO 2 dans l atmosphère et c est avec l avènement de la vie qu elle s est refroidie à mesure que la végétation soustrayait du CO 2 à l atmosphère. La forte corrélation entre la concentration de CO 2 atmosphérique et la température lors des dernières glaciations et les changements climatiques actuels soulignent l importance du cycle du carbone pour notre planète. Le cycle du carbone est un des cycles élémentaires les plus complexes. Il est composé de deux cycles distincts, mais imbriqués, un cycle géologique lent et un cycle biologique court. Le carbone peut exister sous forme gazeuse (CO 2, CH 4, CO), sous forme aqueuse (CO 2 dissous, H 2 CO 3, HCO 3 -, CO 3 2- ), sous forme minérale (carbonates divers) ou sous forme organique (formule générique CH 2 O). Du carbone à l état élémentaire existe en tant que diamant, graphite ou charbon. Le carbone est présent dans les trois principales sphères de la terre : l atmosphère, l hydrosphère et la lithosphère. Dans le cycle global du carbone, les réservoirs les plus importants, le manteau et l océan, sont aussi ceux qui évoluent le plus lentement. Celui de l atmosphère, plus petit, est plus susceptible, et a un temps de renouvellement plus rapide. Le temps de renouvellement est défini comme la valeur du réservoir divisé par les flux l alimentant et se mesure en années. Celui du CO 2 atmosphérique est un peu supérieur à quatre ans, celui de l océan atteint quelques millénaires et celui du manteau plusieurs centaines de millions d années. Les processus géologiques sont, de manière générale, beaucoup plus lents que les processus biologiques. C est pour cette raison qu on distingue les deux cycles, même si les processus affectant les deux cycles agissent en même temps et continuellement. Les deux cycles sont imbriqués à plusieurs niveaux, entre autre dans l hydrosphère. La combustion de ressources fossiles, libérant du CO 2 d un réservoir du cycle lent représente un court-circuit de ce cycle lent vers le cycle court. Le carbone se retrouve sous deux formes: le carbone organique (C org ) et le carbone inorganique (C inorg ). Il est souvent utile de faire la distinction. 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 de quelques 200 Ma (millions d'années) dans la lithosphère. Il est important de se rappeler de ces valeurs relatives dans toute discussion sur l impact des gaz à effet de serre, en particulier le CO 2, sur les changements climatiques et les échelles de temps impliquées. Travail élève : A l aide de vos connaissances et par analyse des documents fournis, répondre aux questions suivantes. 1. Document 1 et Annexe. Compléter le cycle global du carbone avec les informations demandées. 2. Documents 2, 3 et Annexe Surligner dans 3 couleurs différentes sur l Annexe les processus impliqués dans le cycle du carbone organique, dans le cycle du carbone inorganique et dans les activités anthropiques (=humaines). 3. Document 2. Indiquer en quoi la biosphère joue un rôle clef dans le cycle du carbone. 4. Document 4. Indiquer en quoi les activités humaines engendrent un déséquilibre dans le cycle naturel du carbone. Page 1 sur 5

2 Sources : Chimie, Biochimie, Sciences du Vivant T ale STL, Ed CNDP Chimie, Biochimie, Sciences du Vivant T ale STL, Ed Casteilla Document 1 : Les réservoirs de carbone Enveloppes terrestres Quantité de carbone en Gt (giga tonne) Formes de carbone Temps de résidence du carbone dans les réservoirs (en année) Atmosphère 750 CO 2 CH 4 4 Biosphère Forme organique 11 Lithosphère : - roches carbonatées - roches carbonées Hydrosphère : - couches supérieures de l océan - couches intermédiaires et profondes CaCO CO 3 2 (9%) HCO 3 (90%) CO 2 (1%) Document 2 : Le cycle du Carbone Organique Pour le cycle court, on parle de processus qui s'étalent sur des temps inférieurs au siècle. Pour le cycle long, on parle de processus qui agissent sur des milliers et des millions d'années. Page 2 sur 5

3 Cycle court du carbone organique : Il comporte 3 réactions de base : la photosynthèse, la respiration et la fermentation. Equation globale de la photosynthèse (réaction «inverse» de la respiration) : n CO 2 + n H 2 O + énergie lumineuse (CH 2 O) n glucides + n O 2 Equation globale de la respiration (réaction «inverse» de la photosynthèse) : (CH 2 O) n glucides + n O 2 n CO 2 + n H 2 O + énergie chimique Equation globale de la fermentation : (CH 2 O) n glucides n 2 CO 2 + n 2 CH 4 Le processus de base du recyclage du carbone à court terme est le couple photosynthèse-respiration, c'est-à-dire la conversion du C inorg du CO 2 en C org par la photosynthèse, et subséquemment l'inverse, la conversion du C org de la matière organique en C inorg par la respiration. : Le dioxyde de carbone atmosphérique, CO 2 (g), est fixé par les êtres vivants photosynthétiques AUTOTROPHES, qui sont les producteurs primaires. Le carbone minéral à l état gazeux passe ainsi à l état de carbone organique sous forme de glucides simples. Ces sucres simples servent de précurseurs à des molécules plus complexes comme la cellulose. L hydrolyse de la cellulose (ou cellulolyse) des végétaux en cours de dégradation entraine la libération de glucose. Ce glucose alimente alors les voies métaboliques de dégradation des micro-organismes HETEROTROPHES. Lorsqu il est entièrement oxydé en CO 2 par respiration aérobie, l élément carbone regagne le réservoir de l atmosphère. Les flux de carbone générés par les chaînes alimentaires, via les consommateurs, conduisent également à la production de CO 2 par respiration des différents maillons. Il est intéressant de noter que dans la nature la biomasse des consommateurs est bien inférieure (ne comptant que pour environ 1% de la masse totale) à celle des producteurs primaires. Cycle long du carbone organique 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. Le remplissage de l immense réservoir que constituent les roches sédimentaires, principalement les schistes, s'est fait petit à petit au cours des temps géologiques, avec deux accélérations importantes, d abord lors de l'explosion de la vie métazoaire il y a quelques 600 Ma (millions d'années), puis lors de l avènement de la grande forêt il y a 360 Ma. 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. Page 3 sur 5

4 Document 3 : Le cycle du Carbone Inorganique 2 Les réservoirs importants de C inorg sont l'atmosphère avec le CO 2 (g), les océans avec CO 3 (aq), HCO 3 (aq) et CO 2 (aq), ainsi que les sédiments et roches carbonatées, principalement les calcaires CaCO 3, mais aussi les dolomies CaMg(CO 3 ) 2. 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. Page 4 sur 5

5 Document 4 : Le cycle du carbone et les échanges entre les 4 enveloppes de la Terre Page 5 sur 5