Le cycle du carbone et les perturbations actuelles

Exercice 1 — Les réservoirs de carbone et leurs échanges
Corrigé :
1. Atmosphère : CO₂ et CH₄ (~870 Gt C) ; Hydrosphère : CO₂ dissous, HCO₃⁻, CO₃²⁻ (~38 000 Gt C) ; Biosphère : matière organique (~2 000 Gt C) ; Lithosphère : carbonates et hydrocarbures fossiles (~100 millions Gt C).
2. La lithosphère stocke une quantité considérable de carbone sous forme minérale stable (calcaire) et organique fossilisée (combustibles fossiles). Ces formes sont très stables et ne participent aux échanges qu'à l'échelle géologique (millions d'années), via la subduction, le métamorphisme et le volcanisme pour les carbonates, ou via la combustion anthropique pour les hydrocarbures.

Exercice 2 — Flux du cycle court : calcul et bilan
Corrigé :
1. PPN = 120 − 119 = 1 Gt C/an stockée nettement dans la biomasse terrestre.
2. Émissions : 10 Gt C/an. Absorption totale : 3 + 3 = 6 Gt C/an. Accumulation atmosphérique : 10 − 6 = 4 Gt C/an. Conversion en ppm : 4 / 2,1 ≈ 1,9 ppm/an. (La valeur observée est ~2,4 ppm/an car les puits sont légèrement inférieurs à 6 Gt C/an dans la réalité.)

Exercice 3 — Perturbations anthropiques et preuves isotopiques
Corrigé :
1. (i) Combustion des énergies fossiles (charbon, pétrole, gaz naturel) : ~8–9 Gt C/an. (ii) Déforestation et changement d'usage des terres : ~1–1,5 Gt C/an. Total : ~10 Gt C/an.
2. Lors de la photosynthèse, les végétaux discriminent le ¹³C (plus lourd) par rapport au ¹²C. La matière organique végétale, donc aussi les combustibles fossiles issus de la biomasse ancienne, est appauvrie en ¹³C. En brûlant ces combustibles, on injecte dans l'atmosphère un CO₂ appauvri en ¹³C. L'observation d'un appauvrissement atmosphérique en ¹³C corrélé à l'augmentation de [CO₂] démontre que l'excédent de CO₂ provient bien de la combustion de matière organique fossile (signature isotopique fossile), et non du volcanisme (qui a une signature isotopique différente et des flux bien moindres).

Exercice 4 — Acidification des océans : mécanisme et conséquences
Corrigé :
1. CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃⁻ ⇌ 2H⁺ + CO₃²⁻. La dissolution du CO₂ libère des ions H⁺ (protons), ce qui augmente l'acidité de la solution et donc diminue le pH (pH = −log[H⁺]). Le pH océanique est passé de ~8,2 à ~8,1 depuis 1850 (multiplication par ~1,26 de [H⁺]).
2. La diminution du pH réduit la concentration en ions carbonate (CO₃²⁻). Or, les organismes calcifiants (coraux, mollusques, échinodermes, coccolithophores) utilisent CO₃²⁻ pour synthétiser leur squelette ou coquille en CaCO₃. Avec moins de CO₃²⁻ disponible, la calcification est plus lente, voire le squelette peut se dissoudre. Exemple : les récifs coralliens subissent le blanchissement (réchauffement) ET la fragilisation de leur squelette (acidification). La Grande Barrière de Corail australienne a perdu plus de 50 % de ses coraux depuis les années 1990.

Exercice 5 — Rétroactions climatiques et puits de carbone
Corrigé :
Rétroaction positive (amplificatrice) : mécanisme qui amplifie le changement initial. Exemple : le réchauffement fait fondre le pergélisol → libération de CO₂ et CH₄ stockés → amplification du réchauffement → fonte accélérée. Autre exemple : réchauffement → moins de glace → albédo diminue → absorption d'énergie accrue → réchauffement supplémentaire.
Rétroaction négative (modératrice) : mécanisme qui freine le changement. Exemple : l'augmentation du CO₂ stimule la photosynthèse (effet fertilisant) → absorption accrue de CO₂ par les végétaux → limitation partielle de l'augmentation du CO₂. Attention : cette rétroaction négative reste insuffisante face aux émissions anthropiques actuelles.