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Le cycle du carbone et les perturbations actuelles
Flux naturels et anthropiques du carbone — programme de Spécialité SVT Terminale (Géologie et enjeux climatiques)
À propos de cette page
Le 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).
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).
Les 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.
Les 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).
Le 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.
Les 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.
Conséquences : 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).
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).
Les 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.
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.
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.
- 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.
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