Le cycle du carbone et les perturbations actuelles

Exercice 1 — Restitution organisée : les perturbations anthropiques du cycle du carbone

Attendus de la restitution organisée (barème indicatif sur 6 pts).

Introduction (0,5 pt). Le carbone circule naturellement entre quatre réservoirs par des flux équilibrés. Depuis la révolution industrielle (~1850), l'humanité injecte du carbone fossile dans l'atmosphère. Problématique : comment ces apports déséquilibrent-ils le cycle et avec quelles conséquences ?

I. Les sources anthropiques de carbone (2 pts). Combustion des énergies fossiles (charbon, pétrole, gaz) : ~8–9 Gt C/an, mobilisant un carbone enfoui depuis des millions d'années dans la lithosphère. Déforestation et changement d'usage des terres : ~1–1,5 Gt C/an, par libération du carbone de la biomasse. À cela s'ajoutent la cimenterie (calcination du calcaire) et l'agriculture (CH₄, N₂O). Total : ~10 Gt C/an. Preuve de l'origine fossile : appauvrissement du CO₂ atmosphérique en ¹³C (signature isotopique).

II. Le déséquilibre du cycle (1,5 pt). Les puits naturels (océans ~2,8 Gt C/an, végétation ~3,1 Gt C/an) n'absorbent qu'environ la moitié des émissions ; il reste ~4 à 4,6 Gt C/an qui s'accumulent dans l'atmosphère. La concentration en CO₂ est passée de ~280 ppm à plus de 420 ppm, à un rythme (~2 ppm/an) sans précédent dans les 800 000 dernières années.

III. Les conséquences (1,5 pt). (1) Effet de serre additionnel : l'excès de GES accroît le forçage radiatif positif et réchauffe le climat. (2) Acidification des océans : la dissolution du CO₂ libère des ions H⁺, faisant chuter le pH de ~8,2 à ~8,1, ce qui menace les organismes calcifiants (coraux, mollusques). On peut mentionner les rétroactions positives (dégel du pergélisol, affaiblissement des puits).

Conclusion (0,5 pt). Les activités humaines transfèrent rapidement vers l'atmosphère un carbone stocké géologiquement, dépassant la capacité des puits naturels ; il en résulte un réchauffement et une acidification dont l'ampleur dépendra de la réduction future des émissions.

Critères de notation : exactitude scientifique, organisation (plan apparent), vocabulaire spécifique, exemples chiffrés. Un schéma clair (réservoirs et flux) est valorisé.

Exercice 2 — Raisonnement scientifique : attribuer la hausse du CO₂ aux combustibles fossiles

Démarche attendue (barème indicatif sur 6 pts). Un raisonnement scientifique = problème posé, exploitation ordonnée des documents, mobilisation des connaissances, conclusion argumentée.

Saisie d'informations — Doc 1 (1,5 pt). Le CO₂ augmente continûment de ~296 ppm (1900) à ~415 ppm (2020), parallèlement à la consommation d'énergies fossiles qui croît dans le même temps d'un facteur supérieur à 10. Les deux courbes évoluent de façon corrélée et croissante : la hausse du CO₂ accompagne celle de la combustion fossile.

Saisie d'informations — Doc 2 (1,5 pt). Le carbone fossile est appauvri en ¹³C et dépourvu de ¹⁴C. La baisse mesurée du ¹³C et du ¹⁴C dans le CO₂ atmosphérique (effet Suess) indique que le carbone ajouté possède une signature isotopique fossile : il provient de la combustion d'hydrocarbures, et non d'un dégazage volcanique ou océanique (qui auraient une signature différente).

Mise en relation et connaissances (2 pts). Le carbone fossile vient de la lithosphère, où il était stocké depuis des millions d'années ; le brûler transfère brutalement ce carbone vers l'atmosphère. Pour écarter une cause naturelle : (a) le volcanisme n'émet que ~0,3 Gt C/an, soit ~30 fois moins que les ~10 Gt C/an anthropiques, et ne peut donc expliquer la hausse ; (b) le rythme actuel (~2 ppm/an) et le niveau atteint (>420 ppm) dépassent tout ce qu'enregistrent les archives glaciaires sur 800 000 ans ; (c) la corrélation temporelle avec la consommation fossile (doc 1) et la signature isotopique (doc 2) convergent vers la même source.

Conclusion (1 pt). La convergence de ces preuves — corrélation CO₂/consommation fossile, signature isotopique appauvrie en ¹³C et ¹⁴C, flux volcanique trop faible, niveaux et rythmes inédits — permet d'attribuer avec une grande confiance la hausse récente du CO₂ à la combustion des énergies fossiles.

Exercice 3 — Analyse de document : la signature isotopique du puits océanique

Démarche attendue (barème indicatif sur 4 pts).

Lecture du document (1 pt). La quantité de carbone dissous dans l'eau de surface augmente depuis 1850 (indice 100 → 124), tandis que le pH diminue (8,2 → 8,1). Les deux évolutions sont simultanées : plus l'océan absorbe de carbone, plus son pH baisse.

Mécanisme chimique (2 pts). Le CO₂ atmosphérique se dissout dans l'eau de mer selon CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃⁻ ⇌ 2 H⁺ + CO₃²⁻. La dissolution libère des ions H⁺ qui font baisser le pH (pH = −log[H⁺]) : c'est l'acidification. L'augmentation du carbone dissous (absorption du CO₂ anthropique) est donc directement responsable de la baisse du pH.

Limite du puits (1 pt). L'acidification réduit la concentration en ions carbonate CO₃²⁻ et fragilise les organismes calcifiants qui participent à la pompe biologique ; de plus, un océan plus chaud dissout moins bien le CO₂. L'efficacité du puits océanique diminue donc au fur et à mesure que celui-ci se charge en carbone : il ne pourra pas absorber indéfiniment les émissions humaines.

Exercice 4 — Questions de cours appliquées

Éléments de correction (barème indicatif sur 4 pts).

1. Forçage radiatif (1,5 pt). Variation du bilan énergétique de la Terre, exprimée en W·m⁻², provoquée par un facteur externe. Une augmentation des GES (CO₂, CH₄…) accroît l'absorption du rayonnement infrarouge terrestre et produit un forçage radiatif positif, c'est-à-dire un gain net d'énergie qui se traduit par un réchauffement.

2. Dégel du pergélisol (1,5 pt). Le pergélisol contient d'énormes quantités de matière organique gelée. Le réchauffement le fait dégeler, libérant du CO₂ et du CH₄ stockés depuis des millénaires. Ces GES supplémentaires renforcent l'effet de serre et accentuent le réchauffement, qui accélère à son tour le dégel : la perturbation initiale est amplifiée, c'est donc une rétroaction positive.

3. Transfert hydrosphère → lithosphère (1 pt). La sédimentation calcaire : les organismes marins à squelette calcaire (foraminifères, coraux) fixent le carbone dissous sous forme de CaCO₃ ; à leur mort, leurs restes se déposent et forment des roches carbonatées. Ce flux relève du cycle long et opère à l'échelle de millions d'années.