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

Six problèmes sur documents : la pompe physique et la solubilité du CO₂, une forêt tropicale intacte ou dégradée, le bilan carbone mondial de 2024, un modèle préindustriel de l’atmosphère, les signatures isotopiques du CO₂ (δ¹³C et carbone 14), le cycle long en chiffres réels.

6 problèmes, du plus simple au plus difficile. Écris tes réponses, puis « Vérifier ».

Résoudre un problème : la méthode

Je lis chaque document : sa nature (mesures, bilan, modèle), sa source, si les valeurs sont réelles ou choisies, et les unités (GtC, Gt de CO₂, Mt, ppm, tC/ha/an, ‰).
Je convertis tout dans la même unité avant de comparer : ppm × 2,12 = GtC ; Gt de CO₂ × 12/44 = GtC ; 1 GtC = 1 000 MtC.
Je calcule dans l’ordre des questions : bilan = entrées − sorties, temps de résidence = stock ÷ flux, fraction = part ÷ total, CO₂ piégé d’après l’équation bilan.
J’interprète avec le cours : puits ou source, cycle court ou cycle long, carbone minéral ou organique, flux brut ou flux net, signature isotopique du carbone ajouté.
Je conclus par une phrase qui nomme le réservoir ou le mécanisme et cite les valeurs des documents.

Problème 1 · La pompe physique de l’océan★★★Facile

Document 1 — Solubilité du CO₂ dans l’eau pure sous une pression de CO₂ de 1 atmosphère (d’après le Lange’s Handbook of Chemistry).

Température	0 °C	10 °C	20 °C	30 °C
CO₂ dissous (g par litre)	3,35	2,32	1,69	1,26

Document 2 — Deux régions océaniques. Aux hautes latitudes, les eaux de surface, froides et rendues plus salées par la formation de la glace de mer, deviennent plus denses et plongent vers le fond, où elles circulent lentement, isolées de l’air. Dans certaines zones intertropicales, des eaux profondes froides et riches en carbone dissous remontent en surface et s’y réchauffent.

1. Entre 0 °C et 30 °C, la solubilité du CO₂ est divisée par (au dixième).
3,35 ÷ 1,26 ≈ 2,7 : la solubilité diminue quand la température augmente.
2. Entre 10 °C et 20 °C, elle diminue de % (à l’unité).
(2,32 − 1,69) ÷ 2,32 = 0,63 ÷ 2,32 ≈ 0,27, soit 27 %.
3. Les eaux froides des hautes latitudes absorbent le CO₂ de l’air : elles se comportent comme des de CO₂.
Des puits : l’eau froide dissout davantage de CO₂.
4. Les eaux remontées qui se réchauffent libèrent du CO₂ : elles se comportent comme des de CO₂.
Des sources : en se réchauffant, l’eau ne peut plus retenir tout son carbone dissous.
5. En plongeant, les eaux polaires emportent leur carbone hors de portée des échanges avec l’air pendant plusieurs .
Plusieurs siècles, jusqu’à un millénaire : c’est la pompe physique (ou de solubilité).
6. Un océan de surface plus chaud absorbera de CO₂ (plus ou moins).
Moins : la solubilité baisse et la stratification freine la plongée des eaux. Le puits océanique s’affaiblit, ce qui laisse plus de CO₂ dans l’air (rétroaction positive).

Problème 2 · Forêt tropicale : puits ou source ?★★★Moyen

Document 1 — Flux de carbone de deux parcelles de forêt tropicale (tC/ha/an, valeurs simplifiées choisies pour l’exercice).

Flux	Forêt intacte	Forêt dégradée (sécheresse, incendies)
Photosynthèse (production primaire brute)	30,0	24,0
Respiration des plantes	15,0	13,0
Respiration des décomposeurs du sol	13,5	12,6

Document 2 — Un défrichement (valeurs choisies). Une année, 1,15 million d’hectares de forêt sont défrichés par brûlis. La biomasse contient en moyenne 145 tC/ha ; on admet que tout ce carbone retourne à l’atmosphère. M(C) = 12 g/mol ; M(CO₂) = 44 g/mol.

1. Bilan net de la forêt intacte (photosynthèse − respirations) : tC/ha/an
30,0 − 15,0 − 13,5 = +1,5 tC/ha/an : l’écosystème gagne du carbone, c’est un puits.
2. Bilan net de la forêt dégradée : tC/ha/an
24,0 − 13,0 − 12,6 = −1,6 tC/ha/an.
3. La forêt dégradée se comporte donc comme une de carbone.
Une source : elle perd du carbone. La sécheresse fait fermer les stomates (moins de photosynthèse), tue des arbres dont le bois nourrit les décomposeurs, et les incendies brûlent de la biomasse.
4. D’une parcelle à l’autre, la photosynthèse baisse de tC/ha/an, alors que les deux respirations réunies ne baissent que de 2,9.
30,0 − 24,0 = 6,0 ; respirations : (15,0 + 13,5) − (13,0 + 12,6) = 28,5 − 25,6 = 2,9. C’est ce qui inverse le bilan.
5. Carbone libéré par le défrichement du document 2 : GtC (au centième)
1,15 × 10⁶ ha × 145 tC/ha = 1,6675 × 10⁸ tC, soit ≈ 0,17 GtC.
6. Masse de CO₂ correspondante : Gt (au centième)
$1, 6675 \times 10^{8} \times \frac{44}{12} \approx 6, 11 \times 10^{8}$ t, soit ≈ 0,61 Gt de CO₂. Le défrichement est doublement nuisible : il libère un stock et supprime un puits.

Problème 3 · Signatures isotopiques et origine du CO₂ supplémentaire★★★Moyen

Document 1 — δ¹³C moyen du CO₂ atmosphérique (air des glaces polaires puis mesures directes ; Graven et al., Global Biogeochemical Cycles, 2020). Le δ¹³C mesure l’écart relatif du rapport ¹³C/¹²C à celui d’un standard : plus il est négatif, plus le carbone est pauvre en ¹³C.

Année	1850	1950	2015
δ¹³C (‰)	−6,6	−6,9	−8,4

Document 2 — δ¹³C de quelques sources de carbone (ordres de grandeur). Carbone du manteau (dégazage volcanique) : ≈ −5 ‰. Matière organique des plantes les plus répandues : environ 18 ‰ de moins que le CO₂ de l’air, soit ≈ −25 ‰. Combustibles fossiles : −28 à −24 ‰ en moyenne mondiale. Roches carbonatées : ≈ 0 ‰.

Document 3 — Le carbone 14. Le ¹⁴C, radioactif (demi-vie : 5 730 ans), est produit en permanence dans la haute atmosphère et s’incorpore aux êtres vivants. Entre 1850 et 1950, avant les essais nucléaires dans l’atmosphère, la proportion de ¹⁴C du CO₂ de l’air a baissé d’environ 2 % (effet Suess).

1. Baisse du δ¹³C atmosphérique entre 1850 et 2015 : ‰
−8,4 − (−6,6) = −1,8 : une baisse de 1,8 ‰.
2. Rythme moyen de cette baisse entre 1950 et 2015 : ‰ par an (au millième)
1,5 ‰ en 65 ans : 1,5 ÷ 65 ≈ 0,023 ‰ par an.
3. Rythme moyen entre 1850 et 1950 : ‰ par an
0,3 ‰ en 100 ans : 0,003 ‰ par an, près de huit fois moins : la baisse suit l’essor des émissions.
4. Ajouter du CO₂ volcanique à l’air de 1850 ferait le δ¹³C (monter ou baisser).
Monter : un mélange prend une signature intermédiaire, et −5 ‰ est plus riche en ¹³C que −6,6 ‰. Le volcanisme ne peut pas expliquer la baisse ; un carbone organique (−25 à −28 ‰) le peut.
5. Un charbon formé il y a 300 millions d’années a connu environ demi-vies du ¹⁴C (au millier près).
$\frac{3 \times 10^{8}}{5 730} \approx 52 356$ , soit environ 52 000 demi-vies.
6. Après seulement 10 demi-vies (57 300 ans), il reste 1/ du ¹⁴C initial.
${(\frac{1}{2})}^{10} = \frac{1}{1 024}$ , moins de 0,1 % : un charbon de 300 millions d’années ne contient plus de ¹⁴C mesurable.
7. Bois brûlé et combustibles fossiles ont des δ¹³C voisins : c’est la baisse du qui désigne spécifiquement le carbone fossile.
Du carbone 14 : le bois de la déforestation a fixé du ¹⁴C récent, le carbone fossile n’en a plus et « dilue » celui de l’air. Le CO₂ accumulé vient surtout des combustibles fossiles, avec une part de déforestation.

Problème 4 · Le bilan carbone de l’année 2024★★★Difficile

Document 1 — Bilan mondial de 2024 (Global Carbon Budget 2025, Friedlingstein et al., Earth System Science Data, 2026).

Grandeur	Valeur
Combustibles fossiles et ciment	37,8 Gt de CO₂
Changement d’usage des sols	1,3 GtC
Hausse de la teneur de l’air en CO₂	3,73 ppm
Puits océanique	3,4 GtC
Puits continental estimé par les modèles	1,9 GtC (± 1,1)

Document 2 — Une année particulière. Selon le Global Carbon Budget, 2024 a connu les conditions chaudes et sèches d’El Niño, qui se sont ajoutées à un réchauffement record ; la chaleur et la sécheresse réduisent la photosynthèse et favorisent les incendies. Sur la décennie 2015-2024, environ la moitié des émissions est restée dans l’air.

Données : 1 ppm ≈ 2,12 GtC ; M(C) = 12 g/mol ; M(CO₂) = 44 g/mol.

1. Émissions des combustibles fossiles et du ciment en 2024 : GtC (au dixième)
$37, 8 \times \frac{12}{44} \approx 10, 3$ GtC.
2. Émissions anthropiques totales en 2024 : GtC
10,3 + 1,3 = 11,6 GtC.
3. Carbone accumulé dans l’atmosphère en 2024 : GtC (au dixième)
3,73 × 2,12 = 7,9076, soit ≈ 7,9 GtC.
4. Fraction des émissions restée dans l’atmosphère en 2024 : % (à l’unité)
7,9 ÷ 11,6 ≈ 0,68, soit 68 %, nettement plus que la moitié observée en moyenne sur 2015-2024.
5. Puits continental déduit par conservation du carbone (émissions − hausse atmosphérique − puits océanique) : GtC
11,6 − 7,9 − 3,4 = 0,3 GtC. Les modèles l’estiment à 1,9 ± 1,1 GtC : l’écart mesure l’incertitude du bilan (le Global Carbon Budget 2025 parle d’un déséquilibre de −1,7 GtC, calculé avec les valeurs non arrondies).
6. D’après le bilan et le document 2, le puits qui a surtout faibli en 2024 est le puits (océanique ou continental).
Le puits continental : chaleur et sécheresse ont réduit la photosynthèse et accru les incendies. Une année ne fait pas une tendance : on raisonne sur des moyennes de dix ans.

Problème 5 · Temps de résidence et durée d’une perturbation★★★Difficile

Document 1 — Un modèle simplifié de l’époque préindustrielle. L’atmosphère contient 610 GtC. Elle échange 75 GtC/an dans chaque sens avec l’océan et 115 GtC/an dans chaque sens avec la biosphère continentale.

Document 2 — La perturbation. On ajoute une émission humaine de 8,6 GtC/an. En réponse, l’absorption nette par l’océan passe de 0 à 2,1 GtC/an et celle de la biosphère continentale de 0 à 1,8 GtC/an. Donnée : 1 ppm ≈ 2,12 GtC.

1. Entrées de carbone dans l’atmosphère préindustrielle : GtC/an (elles égalent les sorties).
75 + 115 = 190 GtC/an dans chaque sens : stock constant, équilibre dynamique.
2. Temps de résidence du carbone atmosphérique : ans (au dixième)
$τ = \frac{610}{190} \approx 3, 2$ ans.
3. Après l’ajout des émissions, l’atmosphère gagne GtC/an.
Elle reçoit 8,6 GtC/an de plus et en perd 2,1 + 1,8 = 3,9 de plus : 8,6 − 3,9 = 4,7 GtC/an.
4. Fraction des émissions accumulée dans l’atmosphère : % (à l’unité)
4,7 ÷ 8,6 ≈ 0,55, soit 55 %.
5. Hausse annuelle de la teneur en CO₂ : ppm (au dixième)
4,7 ÷ 2,12 ≈ 2,2 ppm par an.
6. Un élève affirme : « le carbone ne reste qu’environ trois ans dans l’air, donc l’excès disparaîtrait en quelques années si les émissions cessaient ». Or l’excès ne diminue que grâce aux flux (bruts ou nets) vers l’océan et la biosphère.
Les flux nets : chaque atome qui quitte l’air est remplacé par un autre. L’océan de surface se met vite en équilibre et n’absorbe plus que si ses eaux plongent (siècles) ; la dissolution des carbonates des fonds marins puis l’altération des silicates prennent des milliers à des centaines de milliers d’années.

Problème 6 · Le cycle long en chiffres★★★Difficile

Document 1 — Le dégazage naturel. Volcans et autres régions magmatiques libèrent 0,28 à 0,36 Gt de CO₂ par an (Deep Carbon Observatory, 2019).

Document 2 — L’altération chimique des continents (Hartmann et al., Global and Planetary Change, 2009). Elle consomme environ 237 Mt de carbone de CO₂ atmosphérique par an : 63 % par l’altération des silicates, le reste par celle des carbonates. Dans l’océan, la précipitation des carbonates rend ensuite une partie de ce CO₂. 1 Mt = 10⁶ t ; 1 GtC = 1 000 MtC.

Document 3 — Les émissions humaines. En moyenne sur 2015-2024 : 11,2 GtC par an (Global Carbon Budget 2025). M(C) = 12 g/mol ; M(CO₂) = 44 g/mol.

1. Le dégazage du document 1 vaut entre et 0,10 GtC par an (au centième).
$0, 28 \times \frac{12}{44} \approx 0, 08$ et $0, 36 \times \frac{12}{44} \approx 0, 10$ GtC par an.
2. Carbone consommé par l’altération des silicates : Mt par an (à l’unité)
237 × 0,63 ≈ 149 Mt par an.
3. Carbone piégé durablement par les silicates, une fois les carbonates précipités : Mt par an (à l’unité)
La précipitation rend un CO₂ sur deux : 149 ÷ 2 ≈ 75 Mt par an (0,075 GtC).
4. Carbone consommé par l’altération des carbonates : Mt par an (à l’unité)
237 × 0,37 ≈ 88 Mt par an, entièrement rendus quand le calcaire reprécipite : bilan nul.
5. Combien d’années de ce piégeage durable par les silicates faudrait-il pour compenser une seule année d’émissions humaines ? ans (à la dizaine)
11 200 Mt ÷ ≈ 74,7 Mt par an ≈ 150 ans : le cycle long ne peut pas absorber les émissions à l’échelle humaine.
6. Le dégazage du document 1 (au plus 0,10 GtC par an) vaut au plus fois le piégeage durable par les silicates (au dixième).
0,10 ÷ 0,075 ≈ 1,3 : les deux flux sont du même ordre de grandeur (≈ 0,1 GtC par an) ; à long terme, les sources et les puits du cycle long se compensent à peu près, avec l’enfouissement et l’oxydation de la matière organique.

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