Cycle du carbone - Définition

Introduction

La déforestation modifie le cycle naturel 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.

Intérêt

Cycle simplifié du carbone

On pense 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.

Les réservoirs de carbone à renouvellement rapide

Échanges atmosphère-biosphère

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 CO, 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)

Du fait de la forte solubilité du dioxyde de carbone (CO) 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 CO se transforme intégralement en hydrogénocarbonate (HCO₃^-) et d'autre part celui-ci peut lui-même devenir un ion carbonate de formule CO₃^2-.

La répartition du CO dans l'hydrosphère est approximativement la suivante :

1 % dans le dioxyde de carbone (CO)

90 % dans l'hydrogénocarbonate (HCO₃^-)

9 % dans les ions carbonates (CO₃^2-)