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Carbone et climat : réservoirs géologiques et cycle long

Réservoirs, flux et temps de résidence, carbonates et matière organique fossile, cycle long (altération des silicates, enfouissement, dégazage) et ses équations, modélisation des variations du CO₂ à l’échelle géologique, perturbation humaine du cycle du carbone.

À propos de cette page
Un devoir surveillé de deux heures noté sur 20, sans calculatrice comme au bac : un exercice de mobilisation des connaissances sur les réservoirs géologiques et le cycle long, l’altération de l’anorthite et le climat, puis un raisonnement sur documents comparant les émissions humaines au cycle long (GIEC 2013). Le corrigé détaillé est fourni.
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Devoir surveillé · ★★ et ★★★ · Durée 120 min · Noté sur 20
120:00
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Devoir surveillé – Carbone et climat : réservoirs géologiques et cycle long

Durée : 120 min – Calculatrice interdite – Sur 20 points · Spécialité SVT Terminale

Nom : Date : Note : / 20

Les réponses doivent être rédigées et justifiées. Soigne l'orthographe et la présentation.

Exercice 1 – Mobiliser ses connaissances ★★

(6 pts)

Répondez à chaque question par un texte structuré (introduction, développement organisé, conclusion), appuyé sur des exemples et des équations chimiques. Un schéma est attendu à la question 2.

  1. a)Présentez les deux grands réservoirs géologiques de carbone, les roches carbonatées et la matière organique fossile : la forme du carbone, les conditions de leur formation, l’ordre de grandeur de leur stock et de leur temps de résidence.
  2. b)Expliquez comment les sources et les puits du cycle long, illustrés par des équations chimiques, stabilisent la teneur en CO2 de l’atmosphère à l’échelle des millions d’années. Un schéma du cycle long est attendu.

Exercice 2 – L’altération d’un feldspath et le climat ★★

(6 pts)

Document 1 — L’anorthite, un feldspath calcique, s’altère selon : CaAl2Si2O8 + 2 CO2 + 3 H2O → Ca2+ + 2 HCO3− + Al2Si2O5(OH)4 (une argile, la kaolinite). Dans l’océan : Ca2+ + 2 HCO3− → CaCO3 + CO2 + H2O. M(anorthite) ≈ 278 g/mol ; M(CO2) = 44 g/mol.
Document 2 — Ions HCO3− exportés par trois rivières drainant des granites (valeurs relatives choisies) : bassin froid (5 °C, 500 mm de pluie par an) : 1 ; bassin tempéré (15 °C, 1 000 mm) : 3 ; bassin tropical (25 °C, 2 000 mm) : 8.
Document 3 — Sous un même climat, un bassin de montagne jeune, où l’érosion met sans cesse à nu de la roche fraîche, exporte 4 fois plus d’ions HCO3− qu’un bassin de plaine aux sols épais (valeurs choisies).

  1. a)Écrivez l’équation bilan de l’altération de l’anorthite suivie de la précipitation du calcaire, et montrez qu’une mole d’anorthite piège au bilan une mole de CO2.
  2. b)Calculez la masse de CO2 piégée au bilan par l’altération de 278 kg d’anorthite.
  3. c)À l’aide du document 2, décrivez l’effet du climat sur l’altération et expliquez-le.
  4. d)En utilisant les trois documents, expliquez pourquoi l’altération des silicates joue le rôle d’un thermostat, et comment la surrection d’une chaîne de montagnes peut faire baisser durablement le CO2 de l’atmosphère.

Exercice 3 – Une perturbation rapide face au cycle long ★★★

(8 pts)

Document 1 — Bilan moyen 2000-2009 (GIEC, 2013, 5e rapport, figure 6.1), en GtC/an : combustibles fossiles et ciment 7,8 ; changement d’usage des sols 1,1 ; hausse du stock de l’atmosphère 4,0 ; puits océanique 2,3 ; puits continental 2,6.
Document 2 — Dégazage volcanique : environ 0,1 GtC/an (même source).
Document 3 — Processus qui retirent une émission de CO2 de l’atmosphère et durée de leur action (GIEC, 2013, encadré 6.1) : photosynthèse et respiration, 1 à 100 ans ; dissolution dans l’océan, 10 à 1 000 ans ; réaction avec les carbonates des fonds marins, 1 000 à 10 000 ans ; altération des silicates, 10 000 à 1 000 000 d’années.
Donnée : M(C) = 12 g/mol ; M(CO2) = 44 g/mol.

  1. a)Convertissez les émissions des combustibles fossiles et du ciment en Gt de CO2, puis calculez les émissions anthropiques totales en GtC.
  2. b)Vérifiez que le bilan du document 1 est équilibré, puis calculez la fraction des émissions restée dans l’atmosphère.
  3. c)Comparez les émissions humaines au dégazage volcanique et expliquez en quoi l’humanité « court-circuite » le cycle long.
  4. d)À l’aide du document 3 et de vos connaissances, expliquez pourquoi l’excès de CO2 durera bien plus longtemps que le temps de résidence du carbone dans l’atmosphère (quelques années), et quels réservoirs finiront par l’absorber.

Bon courage !

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Corrigé et barème – Carbone et climat : réservoirs géologiques et cycle long

Durée : 120 min – Calculatrice interdite – Sur 20 points · Spécialité SVT Terminale

Exercice 1 – Mobiliser ses connaissances ★★

(6 pts)
  1. a)Roches carbonatées : carbone minéral (CaCO3). Dans l’océan, des êtres vivants (coccolithophoridés de la craie, foraminifères, coraux, mollusques) précipitent du calcaire : Ca2+ + 2 HCO3− → CaCO3 + CO2 + H2O ; leurs restes s’accumulent puis deviennent des roches. Stock : plus de 60 millions de GtC. Matière organique fossile : carbone organique. Une infime partie de la matière organique échappe aux décomposeurs dans un milieu pauvre en dioxygène (fond confiné, marécage) et s’enfouit ; la hausse de température et de pression la transforme en kérogène (≈ 15 millions de GtC), qui donne pétrole (vers 60 à 120 °C) puis gaz ; les végétaux des marécages donnent tourbe, lignite, houille, anthracite. Ces réservoirs contiennent plus de 99,9 % du carbone de surface et n’échangent que moins de 0,3 GtC/an : temps de résidence de 10 000 ans à des centaines de millions d’années, contre quelques années pour l’atmosphère. (3)
  2. b)Puits : altération des silicates, CaSiO3 + 2 CO2 + H2O → Ca2+ + 2 HCO3− + SiO2, puis précipitation du calcaire dans l’océan ; bilan CaSiO3 + CO2 → CaCO3 + SiO2 (un CO2 piégé par calcium) ; enfouissement de matière organique (CO2 + H2O → CH2O + O2 sans décomposition). L’altération des calcaires a un bilan nul. Sources : dégazage volcanique (dorsales, points chauds, subduction), décarbonatation des carbonates enfouis (CaCO3 + SiO2 → CaSiO3 + CO2), oxydation de la matière organique fossile remise à l’affleurement. Stabilisation : les flux, de l’ordre de 0,1 GtC/an, se compensent ; l’altération s’accélère quand le climat est chaud et humide : si le CO2 monte, le climat se réchauffe, l’altération piège plus de CO2 et le CO2 redescend — une rétroaction négative, à l’échelle des centaines de milliers d’années. Schéma : cycle court, roches carbonatées, matière organique fossile, manteau, avec les flèches d’altération, d’enfouissement, de dégazage et de subduction. (3)

Piège — Compter la dissolution d’un calcaire comme un puits : la reprécipitation rend le CO2.

Exercice 2 – L’altération d’un feldspath et le climat ★★

(6 pts)
  1. a)On additionne et on retire Ca2+, 2 HCO3−, un CO2 et une molécule d’eau des deux côtés : CaAl2Si2O8 + CO2 + 2 H2O → CaCO3 + Al2Si2O5(OH)4. L’altération consomme 2 CO2, la précipitation en rend 1 : une mole de CO2 piégée dans le calcaire par mole d’anorthite. (1,5)
  2. b)278 kg d’anorthite = 278 000 ÷ 278 = 1 000 mol ; elles piègent 1 000 mol de CO2, soit 1 000 × 44 = 44 000 g = 44 kg de CO2. (1,5)
  3. c)Du bassin froid au bassin tropical, l’export d’ions est multiplié par 8 (par 3 dès le bassin tempéré) : l’altération augmente avec la température, qui accélère les réactions chimiques, et avec les pluies, qui apportent l’eau chargée de CO2 et évacuent les ions. (1,5)
  4. d)Si le CO2 augmente, l’effet de serre réchauffe le climat et intensifie le cycle de l’eau : l’altération s’accélère (doc. 2) et piège davantage de CO2 (doc. 1), qui redescend ; s’il baisse, l’altération ralentit et le dégazage le fait remonter : rétroaction négative, donc thermostat. Une chaîne de montagnes jeune expose sans cesse des silicates frais (doc. 3 : ×4) : le puits augmente durablement sans que le dégazage change, le CO2 baisse et le climat se refroidit, jusqu’à un nouvel équilibre plus froid. (1,5)

Méthode — Pour un bilan, on additionne les deux réactions, puis on retire ce qui figure des deux côtés.

Exercice 3 – Une perturbation rapide face au cycle long ★★★

(8 pts)
  1. a)7,8 × 44 ÷ 12 = 7,8 ÷ 12 × 44 = 0,65 × 44 = 28,6 Gt de CO2. Émissions totales : 7,8 + 1,1 = 8,9 GtC/an. (2)
  2. b)Destination : 4,0 + 2,3 + 2,6 = 8,9 GtC/an = émissions : le carbone se conserve, le bilan est équilibré. Fraction atmosphérique : 4,0 ÷ 8,9 ≈ 0,45, soit environ 45 % ; l’océan et les continents prennent le reste. (2)
  3. c)8,9 ÷ 0,1 = 89 : les émissions humaines sont près de 90 fois plus fortes que le dégazage volcanique. Le carbone fossile a été retiré du cycle court par l’enfouissement de matière organique pendant des millions d’années ; on le rend à l’atmosphère en quelques décennies, sans passer par le dégazage, alors que les puits du cycle long ne retirent que de l’ordre de 0,1 GtC/an : aucun flux rapide ne le ramène dans les roches. (2)
  4. d)Le temps de résidence (quelques années) décrit le renouvellement des molécules par des échanges bruts qui se compensent ; seuls les flux nets réduisent l’excès. D’après le document 3 : la biosphère et l’océan de surface absorbent une partie en années à décennies ; la dissolution dans l’océan profond demande des siècles, limitée par la lenteur du mélange des eaux ; la réaction avec les carbonates des fonds marins demande des millénaires ; seule l’altération des silicates retire le reste, en centaines de milliers d’années. Après 1 000 ans, 15 à 40 % de l’excès sont encore dans l’air. Réservoirs finaux : l’océan (ions hydrogénocarbonate), puis les roches carbonatées. (2)

Piège — Confondre le temps de résidence d’une molécule et la durée de l’excès de CO2.

Ce document est la propriété intellectuelle de Ben, professeur particulier (benprofparticulier.fr), protégée par le Code de la propriété intellectuelle (art. L. 111-1 et L. 122-4). Il est mis à disposition pour un usage personnel de révision. Toute reproduction, diffusion, mise en ligne ou revente, totale ou partielle, sans autorisation écrite est interdite et constitue une contrefaçon (art. L. 335-2).

Ce contrôle de spécialité SVT Terminale en bref

Un devoir surveillé type contrôle en classe sur « Carbone et climat : réservoirs géologiques et cycle long » : 3 exercices, 120 minutes, noté sur 20. Le sujet et le corrigé sont téléchargeables en PDF, prêts à imprimer, pour travailler comme en classe.

  • Exercice 1 — Mobiliser ses connaissances ★★/ 6 pts
  • Exercice 2 — L’altération d’un feldspath et le climat ★★/ 6 pts
  • Exercice 3 — Une perturbation rapide face au cycle long ★★★/ 8 pts

Notions évaluées

Réservoir de carbone, stock, GtC, flux, source, puits, équilibre dynamique, temps de résidence, ppm, Gt de CO₂, carbone minéral, carbone organique, cycle court, cycle long, ion hydrogénocarbonate, pompe physique, pompe biologique, roche carbonatée, calcaire, craie, coccolithe, foraminifère, précipitation des carbonates, matière organique fossile, milieu anoxique, kérogène, roche-mère, fenêtre à huile, pétrole, gaz naturel, tourbe, lignite, houille, charbon, Carbonifère, altération des silicates, wollastonite, réaction de Urey, altération des calcaires, enfouissement de matière organique, dégazage volcanique, décarbonatation, subduction, oxydation, thermostat géologique, rétroaction négative, orogenèse, émissions anthropiques, fraction atmosphérique, puits océanique, puits continental, δ¹³C, carbone 14, effet Suess, courbe de Keeling, méthane, durée de l’excès de CO₂.

Pour préparer ce contrôle

  1. Relire le cours et la fiche de révision.
  2. Refaire les exercices corrigés.
  3. Se tester avec le QCM (24 questions).
  4. Faire ce sujet en conditions réelles — 120 min, sans le cours — puis se corriger et noter les points à revoir.

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Questions fréquentes sur ce sujet
Combien de temps dure ce contrôle sur « Carbone et climat : réservoirs géologiques et cycle long » ?
120 minutes pour 3 exercices notés sur 20. Prévois le double si tu enchaînes avec la correction.
Le corrigé est-il fourni ?
Oui : le corrigé complet est fourni en PDF (bouton « Télécharger le corrigé »), avec le barème exercice par exercice.
Ce sujet peut-il servir de DS, de contrôle ou d'interrogation ?
Oui : c'est un devoir surveillé complet de 120 minutes. Pour une interrogation courte, garde un ou deux exercices ; pour un DS ou un contrôle de fin de chapitre, fais le sujet entier en temps limité.
Ce sujet suit-il le programme de spécialité SVT de terminale ?
Oui : il évalue uniquement les notions du chapitre « Carbone et climat : réservoirs géologiques et cycle long » du programme officiel de spécialité SVT en terminale, soit : réservoirs de carbone, stock, flux, source et puits, équilibre dynamique, temps de résidence, conversions entre ppm, GtC et Gt de CO₂ ; réservoirs géologiques : carbonates (précipitation biologique du calcaire, craie) et matière organique fossile (milieu pauvre en dioxygène, kérogène, pétrole, gaz, charbon) ; cycle long : altération des silicates et précipitation des carbonates, bilan nul de l’altération des calcaires, enfouissement de matière organique, dégazage volcanique, décarbonatation, oxydation ; modélisation des variations du CO₂ par les équations chimiques, thermostat de l’altération ; perturbation humaine du cycle : émissions, puits, preuves isotopiques, durée de l’excès de CO₂.
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Moi c'est Ben, j'ai créé ce site pour aider le plus d'élèves possible, partout en France. Je peux aussi reprendre avec toi ce qui coince en cours particulier : en visio, ou à domicile si tu es à Marseille.

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