À propos de cette page
Ce cours de spécialité svt en terminale sur « Le cycle du carbone et les perturbations actuelles » suit le programme officiel de spécialité svt de terminale. Il présente les définitions, les propriétés et les méthodes essentielles, accompagnées d'exemples résolus pour bien comprendre. Au programme : Le carbone, un élément universel du vivant et de la géosphère, Les grands réservoirs de carbone, Les flux naturels du cycle court : biosphère et atmosphère, Le cycle long : lithosphère, volcanisme et sédimentation. Chaque notion est expliquée pas à pas, puis mise en pratique grâce à des exercices interactifs, un QCM et une évaluation corrigée. Idéal pour réviser à son rythme, combler ses lacunes et progresser, en autonomie ou avec un professeur. Cours rédigé par un professeur particulier à Marseille pour aider les élèves de terminale à réussir en spécialité svt.
Au programme
1 · Le carbone, un élément universel du vivant et de la géosphère
2 · Les grands réservoirs de carbone
3 · Les flux naturels du cycle court : biosphère et atmosphère
4 · Le cycle long : lithosphère, volcanisme et sédimentation
5 · Les perturbations anthropiques du cycle du carbone
6 · Conséquences : effet de serre additionnel et acidification des océans
7 · Les puits de carbone et leurs limites
1Le carbone, un élément universel du vivant et de la géosphère
Le carbone (symbole C, numéro atomique 6) est un élément chimique fondamental. Il constitue la base de toute la chimie organique et entre dans la composition de tous les êtres vivants. Dans l'atmosphère, il se trouve principalement sous forme de dioxyde de carbone (CO₂) et de méthane (CH₄). Dans les roches, il forme les carbonates (calcaire CaCO₃, dolomite…) et est présent dans les combustibles fossiles (charbon, pétrole, gaz naturel).
Définition — Cycle biogéochimique. Un cycle biogéochimique décrit la circulation d'un élément chimique entre différents réservoirs (atmosphère, hydrosphère, biosphère, lithosphère) via des flux entrants et sortants.
Le cycle du carbone est l'ensemble des transferts de carbone entre ces réservoirs. On distingue un cycle court (échelle de temps de quelques années à quelques siècles, impliquant biosphère et atmosphère) et un cycle long (échelle de temps géologique, impliquant lithosphère et volcanisme).
Astuce. Pour mémoriser : le cycle court est dominé par la biologie (photosynthèse, respiration), le cycle long par la géologie (volcanisme, sédimentation).
2Les grands réservoirs de carbone
On identifie quatre grands réservoirs de carbone :
| Réservoir | Forme chimique principale | Stock estimé (Gt C) |
|---|
| Atmosphère | CO₂, CH₄ | ~870 |
| Hydrosphère (océans) | CO₂ dissous, carbonates, HCO₃⁻ | ~38 000 |
| Biosphère terrestre | Matière organique (glucose, cellulose…) | ~2 000 |
| Lithosphère | Roches carbonatées, kérogène, charbon, pétrole | ~100 000 000 |
La lithosphère est de loin le réservoir le plus important, mais les échanges avec ce réservoir sont très lents (cycle long). L'hydrosphère joue un rôle tampon essentiel car les océans absorbent une grande quantité de CO₂ atmosphérique.
Attention ! Les stocks sont exprimés en gigatonnes de carbone (Gt C). 1 Gt C = 10¹² kg de carbone. Ne pas confondre avec des gigatonnes de CO₂ (facteur 44/12 ≈ 3,67).
3Les flux naturels du cycle court : biosphère et atmosphère
Le cycle court du carbone met en jeu des échanges rapides entre l'atmosphère, la biosphère et l'hydrosphère. Les principaux flux sont :
- Photosynthèse : absorption de CO₂ atmosphérique par les végétaux et les algues. Elle stocke le carbone dans la matière organique (biomasse). Bilan : $6\,\text{CO}_2 + 6\,\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\,\text{O}_2$.
- Respiration cellulaire : libération de CO₂ par tous les êtres vivants lors de la dégradation de la matière organique. Réaction inverse de la photosynthèse.
- Décomposition : les décomposeurs (bactéries, champignons) minéralisent la matière organique morte, libérant du CO₂ et du CH₄.
- Dissolution océanique : les océans échangent du CO₂ avec l'atmosphère selon la solubilité du gaz (plus élevée à basse température).
Exemple. Un hectare de forêt tropicale absorbe en moyenne 2 à 8 t C/ha/an par photosynthèse nette (après soustraction de la respiration des végétaux). À l'échelle planétaire, la photosynthèse brute absorbe ~120 Gt C/an, tandis que la respiration totale de la biosphère en restitue ~119 Gt C/an : le bilan net est donc légèrement positif.
Astuce. La Productivité Primaire Nette (PPN) = photosynthèse brute − respiration des producteurs primaires. C'est la quantité de carbone réellement stockée dans la biomasse végétale.
4Le cycle long : lithosphère, volcanisme et sédimentation
Le cycle long du carbone implique la lithosphère et s'étend sur des millions d'années. Il comprend plusieurs processus géologiques :
- Sédimentation calcaire : les organismes marins à squelette calcaire (foraminifères, coraux) fixent le carbone sous forme de CaCO₃. À leur mort, ils se déposent et forment des roches carbonatées (calcaires). Cela constitue un flux de carbone de l'hydrosphère vers la lithosphère.
- Enfouissement de matière organique : certaines matières organiques non décomposées s'enfouissent sous des sédiments. Sous l'effet de la chaleur et de la pression, elles se transforment en kérogène puis en hydrocarbures (pétrole, gaz) ou en charbon. Ce processus a formé les combustibles fossiles sur des dizaines à centaines de millions d'années.
- Volcanisme : la subduction entraîne les roches carbonatées en profondeur. Le métamorphisme libère du CO₂, rejeté dans l'atmosphère par les volcans (dégazage mantellique). Ce flux représente environ 0,1–0,4 Gt C/an.
- Altération des roches silicatées : la réaction de Urey ($\text{CaSiO}_3 + \text{CO}_2 \rightarrow \text{CaCO}_3 + \text{SiO}_2$) consomme du CO₂ atmosphérique lors de l'érosion et de l'altération des silicates. C'est un puissant régulateur naturel du CO₂ sur des échelles géologiques.
Définition — Kérogène. Matière organique solide dispersée dans les roches sédimentaires, issue de l'enfouissement et de la transformation de la biomasse. Il est le précurseur des hydrocarbures liquides et gazeux.
Attention ! Le volcanisme libère ~0,1–0,4 Gt C/an, soit environ 100 fois moins que les émissions humaines actuelles (~10 Gt C/an). L'argument selon lequel les volcans émettent autant que les humains est faux.
5Les perturbations anthropiques du cycle du carbone
Depuis la révolution industrielle (~1850), les activités humaines ont profondément perturbé le cycle du carbone en injectant massivement du carbone fossile dans l'atmosphère :
- Combustion des énergies fossiles : charbon, pétrole, gaz naturel — environ 8–9 Gt C/an. Ces combustibles, formés sur des millions d'années, sont brûlés en quelques siècles.
- Déforestation et changements d'usage des terres : l'abattage des forêts libère le carbone stocké dans la biomasse (~1–2 Gt C/an) et réduit la capacité de photosynthèse.
- Cimenterie : la calcination du calcaire ($\text{CaCO}_3 \rightarrow \text{CaO} + \text{CO}_2$) libère environ 0,5 Gt C/an.
- Agriculture : élevage (méthane des ruminants), riziculture et gestion des sols contribuent aux émissions de CH₄ et N₂O, qui sont aussi des gaz à effet de serre.
Exemple chiffré. La concentration atmosphérique en CO₂ est passée de ~280 ppm (parties par million) avant l'ère industrielle à plus de 420 ppm en 2023. Le rythme d'augmentation actuel est d'environ +2–3 ppm/an, une vitesse sans précédent dans les archives géologiques des 800 000 dernières années.
Attention ! L'augmentation de CO₂ est principalement due aux combustibles fossiles (signature isotopique en ¹³C appauvri) et non au volcanisme ou à la biosphère. Les analyses isotopiques permettent d'identifier la source du carbone.
6Conséquences : effet de serre additionnel et acidification des océans
L'accumulation de CO₂ (et d'autres gaz à effet de serre) dans l'atmosphère entraîne deux grandes conséquences :
A. L'effet de serre additionnel
L'effet de serre naturel est indispensable à la vie : il maintient la température moyenne terrestre autour de +15 °C (au lieu de −18 °C sans atmosphère). Les gaz à effet de serre (GES) absorbent le rayonnement infrarouge émis par la Terre et le réémetent dans toutes les directions, dont vers la surface.
Les GES principaux : vapeur d'eau (H₂O), CO₂, CH₄, N₂O, ozone (O₃). L'augmentation anthropique du CO₂ et du CH₄ amplifie cet effet, provoquant un forçage radiatif positif (bilan énergétique déséquilibré vers un réchauffement).
Définition — Forçage radiatif. Variation du bilan énergétique de la Terre (en W/m²) due à un facteur externe (augmentation des GES, éruption volcanique…). Un forçage positif entraîne un réchauffement climatique.
B. L'acidification des océans
Environ 25–30 % du CO₂ émis est absorbé par les océans. Il se dissout dans l'eau de mer selon la réaction :
$\text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_2\text{CO}_3 \rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{HCO}_3^- \rightleftharpoons 2\,\text{H}^+ + \text{CO}_3^{2-}$
La libération d'ions H⁺ entraîne une diminution du pH océanique (acidification). Depuis 1850, le pH moyen de surface des océans est passé de ~8,2 à ~8,1 (diminution de 0,1 unité = multiplication de la concentration en H⁺ par ~1,26).
Attention ! L'océan reste basique (pH > 7), mais la diminution du pH réduit la concentration en ions carbonate (CO₃²⁻) nécessaires aux organismes calcifiants (coraux, mollusques, ptéropodes). On parle d'acidification par rapport au passé, pas d'acidité au sens strict.
Exemple. Les coraux souffrent du blanchissement coralien dû à la fois au réchauffement (expulsion des zooxanthelles) et à l'acidification (dissolution partielle de leur squelette calcaire). La Grande Barrière de Corail a connu des épisodes massifs de blanchissement depuis 2016.
7Les puits de carbone et leurs limites
Un puits de carbone est un réservoir qui absorbe plus de carbone qu'il n'en émet. Les principaux puits naturels actuels compensent environ la moitié des émissions anthropiques :
| Puits | Absorption (Gt C/an) | Limites |
|---|
| Océans | ~2,5–3 | Acidification, saturation possible, ralentissement avec le réchauffement |
| Végétation terrestre (forêts) | ~2,5–3 | Déforestation, incendies, sécheresses réduisent l'absorption |
Les émissions anthropiques totales sont d'environ 10–11 Gt C/an. Les puits naturels n'en absorbent qu'environ 5–6 Gt C/an, laissant ~5 Gt C/an s'accumuler dans l'atmosphère.
Bilan carbone anthropique :
Émissions fossiles (~9 Gt C/an) + déforestation (~1,5 Gt C/an) = ~10,5 Gt C/an
Absorption océanique (~2,8 Gt C/an) + absorption végétation (~3,1 Gt C/an) = ~5,9 Gt C/an
Bilan atmosphérique net : +~4,6 Gt C/an → augmentation de ~2,4 ppm/an.
Attention — Rétroactions ! Le réchauffement peut transformer des puits en sources de carbone : le dégel du pergélisol libère du CO₂ et du CH₄ stockés depuis des millénaires, amplifiant le réchauffement (rétroaction positive).
La compréhension et la préservation des puits de carbone sont des enjeux majeurs pour limiter le changement climatique. La séquestration artificielle du carbone (CCS — Carbon Capture and Storage) tente de compenser les émissions résiduelles, mais reste techniquement et économiquement limitée à ce jour.
★À retenir
À retenir — Le cycle du carbone :
• Le carbone circule entre 4 réservoirs : atmosphère, hydrosphère, biosphère, lithosphère.
• Cycle court (biologique) : photosynthèse ↔ respiration/décomposition (flux ~120 Gt C/an).
• Cycle long (géologique) : sédimentation calcaire, enfouissement organique, volcanisme — à l'échelle du million d'années.
• Les activités humaines injectent ~10 Gt C/an dans l'atmosphère (combustibles fossiles + déforestation).
• Conséquences : hausse du CO₂ (280 → 420 ppm), effet de serre additionnel, acidification des océans (pH −0,1).
• Les puits naturels (océans + végétation) n'absorbent que ~50 % des émissions anthropiques.
• Le dégel du pergélisol est une rétroaction positive qui risque d'amplifier le réchauffement.