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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
Trois QCM de 12 questions sur le cycle du carbone : facile pour les notions (réservoirs, kérogène, fenêtre à huile, courbe de Keeling), moyen pour les calculs (temps de résidence, conversions, fraction atmosphérique, déséquilibre du cycle long), difficile pour raisonner sur le thermostat, la craie, le Carbonifère et la décarbonatation.

Les 36 questions du QCM en version texte

Pour réviser sans écran ou imprimer : chaque question avec ses propositions ; la bonne réponse et son explication se déplient.

Niveau facile ★ — 12 questions

  1. Quel réservoir contient le plus de carbone à la surface de la Terre ?

    • A. L’océan profond
    • B. Les roches carbonatées
    • C. Les sols et le pergélisol
    • D. La végétation des continents
    Réponse

    B. Les roches carbonatées — Les carbonates des roches sédimentaires contiennent plus de 60 millions de GtC, contre environ 38 000 GtC pour l’océan.

  2. Sous quelle forme se trouve l’essentiel du carbone de l’océan ?

    • A. Du dioxyde de carbone gazeux
    • B. Du méthane dissous dans l’eau
    • C. De la matière organique morte
    • D. Des ions hydrogénocarbonate
    Réponse

    D. Des ions hydrogénocarbonate — Le CO₂ dissous réagit avec l’eau et forme surtout des ions HCO₃⁻.

  3. Un réservoir de carbone est un puits lorsque :

    • A. ses entrées dépassent ses sorties
    • B. ses sorties dépassent ses entrées
    • C. son stock reste toujours constant
    • D. son temps de résidence est court
    Réponse

    A. ses entrées dépassent ses sorties — Un puits accumule du carbone : son stock augmente.

  4. À l’équilibre, le temps de résidence du carbone dans un réservoir est égal à :

    • A. flux sortant ÷ stock
    • B. stock × flux sortant
    • C. stock ÷ flux sortant
    • D. stock − flux sortant
    Réponse

    C. stock ÷ flux sortant — Des GtC divisées par des GtC/an donnent une durée en années.

  5. Le carbone du charbon, du pétrole et du gaz naturel provient :

    • A. de CO₂ volcanique piégé
    • B. de calcaires transformés par la chaleur
    • C. de matière organique enfouie
    • D. de carbonates dissous dans l’océan
    Réponse

    C. de matière organique enfouie — Les combustibles fossiles résultent de l’enfouissement et de la transformation de matière organique pendant des millions d’années.

  6. Quelle transformation forme du calcaire dans l’océan ?

    • A. Ca²⁺ + 2 HCO₃⁻ → CaCO₃ + CO₂ + H₂O
    • B. CaCO₃ + SiO₂ → CaSiO₃ + CO₂
    • C. 6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂
    • D. CaCO₃ + CO₂ + H₂O → Ca²⁺ + 2 HCO₃⁻
    Réponse

    A. Ca²⁺ + 2 HCO₃⁻ → CaCO₃ + CO₂ + H₂O — La précipitation du carbonate de calcium, souvent par des êtres vivants, consomme les ions Ca²⁺ et HCO₃⁻ et rend un CO₂. Les autres équations décrivent une décarbonatation, la photosynthèse et la dissolution d’un calcaire, la réaction inverse.

  7. Dans quel milieu la matière organique a-t-elle le plus de chances d’être conservée ?

    • A. Un sol de forêt très bien aéré
    • B. Une plage battue par les vagues
    • C. Une savane parcourue par les feux
    • D. Un fond de mer pauvre en dioxygène
    Réponse

    D. Un fond de mer pauvre en dioxygène — Sans dioxygène, les décomposeurs ne détruisent pas la matière organique, qui peut être enfouie.

  8. Le kérogène est :

    • A. du carbonate formé au fond des océans
    • B. de la matière organique dans les roches
    • C. du gaz carbonique libéré par les volcans
    • D. un minéral silicaté riche en calcium
    Réponse

    B. de la matière organique dans les roches — Le kérogène est la matière organique insoluble des roches sédimentaires ; chauffé, il donne pétrole et gaz.

  9. Une roche-mère produit surtout du pétrole quand elle atteint environ :

    • A. 60 à 120 °C
    • B. 300 à 500 °C
    • C. 0 à 20 °C
    • D. 800 à 900 °C
    Réponse

    A. 60 à 120 °C — C’est la « fenêtre à huile », vers 2 à 4 km de profondeur ; au-delà, la roche-mère donne surtout du gaz.

  10. La courbe de Keeling montre, d’une année sur l’autre :

    • A. une hausse continue sans aucune oscillation
    • B. des oscillations autour d’une valeur fixe
    • C. des oscillations saisonnières et une hausse
    • D. une baisse chaque été, puis une stagnation
    Réponse

    C. des oscillations saisonnières et une hausse — La teneur en CO₂ oscille avec les saisons (végétation de l’hémisphère Nord) tout en augmentant d’année en année.

  11. Les flux naturels entre les roches et le cycle court sont de l’ordre de :

    • A. 10 GtC par an
    • B. 100 GtC par an
    • C. 1 000 GtC par an
    • D. 0,1 GtC par an
    Réponse

    D. 0,1 GtC par an — Moins de 0,3 GtC par an au total (GIEC 2 013), mais ils agissent pendant des millions d’années.

  12. Une forêt ancienne dont la biomasse et les sols ne varient plus :

    • A. est un puits car elle photosynthétise
    • B. n’est ni un puits ni une source
    • C. est une source car elle respire
    • D. stocke toute sa photosynthèse
    Réponse

    B. n’est ni un puits ni une source — Stock constant : entrées = sorties. Elle conserve un stock, mais n’absorbe pas de carbone supplémentaire.

Niveau moyen ★★ — 12 questions

  1. Un réservoir à l’équilibre contient 1 200 GtC et reçoit 40 GtC/an. Son temps de résidence vaut :

    • A. 0,03 an
    • B. 48 000 ans
    • C. 30 ans
    • D. 1 160 ans
    Réponse

    C. 30 ans — τ = 1 200 ÷ 40 = 30 ans ; à l’équilibre, le flux sortant égale le flux entrant.

  2. Une hausse de 3 ppm de la teneur en CO₂ de l’air correspond à environ :

    • A. 6,4 GtC
    • B. 1,4 GtC
    • C. 3,0 GtC
    • D. 23 GtC
    Réponse

    A. 6,4 GtC — 3 × 2,12 = 6,36, soit ≈ 6,4 GtC ; 1,4 GtC vient d’une division au lieu d’une multiplication.

  3. Une masse de 7 GtC correspond à une masse de CO₂ d’environ :

    • A. 1,9 Gt
    • B. 7,0 Gt
    • C. 12 Gt
    • D. 25,7 Gt
    Réponse

    D. 25,7 Gt — 7 × 44 ÷ 12 ≈ 25,7 Gt de CO₂ ; 1,9 Gt est la conversion faite dans le mauvais sens.

  4. Une année, les émissions valent 10 GtC et l’atmosphère gagne 4,1 GtC. La fraction atmosphérique vaut :

    • A. 0,41 %
    • B. 41 %
    • C. 59 %
    • D. 4,1 %
    Réponse

    B. 41 % — 4,1 ÷ 10 = 0,41, soit 41 % ; 59 % est la part prise par l’océan et les continents.

  5. Un réservoir de 540 GtC a un temps de résidence de 12 ans. Le flux qui le traverse vaut :

    • A. 45 GtC/an
    • B. 6 480 GtC/an
    • C. 0,022 GtC/an
    • D. 552 GtC/an
    Réponse

    A. 45 GtC/an — Flux = stock ÷ τ = 540 ÷ 12 = 45 GtC/an.

  6. La teneur en CO₂ passe de 396 à 404 ppm en quatre ans. Le gain moyen de carbone de l’atmosphère vaut environ :

    • A. 2,0 GtC/an
    • B. 8,5 GtC/an
    • C. 4,2 GtC/an
    • D. 17 GtC/an
    Réponse

    C. 4,2 GtC/an — 8 ppm en 4 ans, soit 2 ppm/an ; 2 × 2,12 ≈ 4,2 GtC/an ; 17 GtC est le gain sur les quatre ans.

  7. Quelle équation résume l’altération de la wollastonite suivie de la précipitation du calcaire ?

    • A. CaCO₃ + SiO₂ → CaSiO₃ + CO₂
    • B. CaSiO₃ + CO₂ → CaCO₃ + SiO₂
    • C. CaCO₃ + CO₂ + H₂O → Ca²⁺ + 2 HCO₃⁻
    • D. CaSiO₃ + 2 CO₂ → Ca²⁺ + 2 HCO₃⁻
    Réponse

    B. CaSiO₃ + CO₂ → CaCO₃ + SiO₂ — Au bilan, un CO₂ est piégé dans le calcaire. La réaction inverse est la décarbonatation ; les deux autres décrivent la dissolution d’un calcaire et une étape incomplète de l’altération.

  8. La décomposition complète de 50 g de calcaire pur (CaCO₃, 100 g/mol) libère :

    • A. 44 g de CO₂
    • B. 6 g de CO₂
    • C. 50 g de CO₂
    • D. 22 g de CO₂
    Réponse

    D. 22 g de CO₂ — 50 g = 0,5 mol de CaCO₃, donc 0,5 mol de CO₂ : 0,5 × 44 = 22 g ; 6 g est la masse de carbone.

  9. Une roche-mère est enfouie à 2 km dans un bassin à 10 °C en surface, où la température gagne 40 °C par km. Elle produit surtout :

    • A. du gaz, à 90 °C
    • B. du pétrole, à 80 °C
    • C. du gaz, à 130 °C
    • D. du pétrole, à 90 °C
    Réponse

    D. du pétrole, à 90 °C — 10 + 2 × 40 = 90 °C : dans la fenêtre à huile (60 à 120 °C) ; 80 °C oublie la température de la surface.

  10. Pendant 100 000 ans, le dégazage vaut 0,09 GtC/an et le piégeage 0,07 GtC/an. Le cycle court gagne :

    • A. 200 GtC
    • B. 2 000 GtC
    • C. 20 000 GtC
    • D. 16 000 GtC
    Réponse

    B. 2 000 GtC — (0,09 − 0,07) × 100 000 = 0,02 × 100 000 = 2 000 GtC ; 16 000 GtC vient de la somme des deux flux.

  11. Un réservoir passe de 2 000 à 1 990 GtC en 5 ans. Il se comporte comme :

    • A. une source de 2 GtC par an
    • B. un puits de 2 GtC par an
    • C. une source de 10 GtC par an
    • D. un puits de 10 GtC par an
    Réponse

    A. une source de 2 GtC par an — Il perd 10 GtC en 5 ans, soit 2 GtC par an : son stock diminue, c’est une source.

  12. Une tourbière drainée contient 50 kgC/m² et en perd 0,5 kgC/m² par an. À ce rythme, elle perd tout son stock en :

    • A. 25 ans
    • B. 1 000 ans
    • C. 100 ans
    • D. 50 ans
    Réponse

    C. 100 ans — 50 ÷ 0,5 = 100 ans ; drainée, la tourbière est devenue une source de carbone.

Niveau difficile ★★★ — 12 questions

  1. Le temps de résidence du carbone dans l’atmosphère n’est que de quelques années. On peut en déduire que :

    • A. l’excès de CO₂ disparaîtra en quelques années
    • B. l’atmosphère n’échange pas avec l’océan
    • C. les émissions humaines sont négligeables
    • D. une molécule de CO₂ y séjourne peu de temps
    Réponse

    D. une molécule de CO₂ y séjourne peu de temps — Le temps de résidence décrit le renouvellement des molécules ; l’excès ne se résorbe qu’au rythme des flux nets, sur des siècles à des millénaires.

  2. La lente baisse du dioxygène de l’air indique que le CO₂ ajouté provient surtout :

    • A. du dégazage des volcans actifs
    • B. d’une combustion de carbone organique
    • C. de l’océan de surface qui se réchauffe
    • D. de l’altération des roches silicatées
    Réponse

    B. d’une combustion de carbone organique — Brûler du carbone organique consomme du dioxygène ; le dégazage volcanique ou océanique n’en consomme pas, et l’altération retire du CO₂.

  3. La pompe biologique transfère du carbone vers les profondeurs de l’océan grâce :

    • A. à la chute de matière organique et de coquilles
    • B. à la dissolution du CO₂ dans les eaux froides
    • C. au dégazage des remontées d’eaux profondes
    • D. à l’évaporation de l’eau de mer en surface
    Réponse

    A. à la chute de matière organique et de coquilles — Le phytoplancton fixe le carbone ; matière organique et coquilles coulent. La dissolution dans l’eau froide relève de la pompe physique.

  4. Environ la moitié des émissions humaines reste dans l’atmosphère. On en déduit que :

    • A. l’autre moitié est détruite chimiquement
    • B. la moitié des émissions est en fait naturelle
    • C. l’océan et les continents stockent le reste
    • D. le cycle naturel reste strictement équilibré
    Réponse

    C. l’océan et les continents stockent le reste — Le carbone se conserve : ce qui ne s’accumule pas dans l’air est absorbé par l’océan et la biosphère continentale.

  5. L’altération des silicates stabilise le climat à long terme parce que :

    • A. un climat plus froid l’accélère, ce qui fait monter le CO₂
    • B. un climat plus chaud l’accélère, ce qui fait baisser le CO₂
    • C. un climat plus chaud la ralentit, ce qui fait monter le CO₂
    • D. elle consomme autant de CO₂ quel que soit le climat
    Réponse

    B. un climat plus chaud l’accélère, ce qui fait baisser le CO₂ — Chaleur et humidité accélèrent l’altération, qui piège plus de CO₂ et refroidit le climat : c’est une rétroaction négative.

  6. La craie est formée par des êtres vivants. Son carbone est :

    • A. organique, car il vient d’êtres vivants
    • B. organique, car la craie peut brûler
    • C. minéral, car il vient du dégazage volcanique
    • D. minéral, car la craie est un carbonate
    Réponse

    D. minéral, car la craie est un carbonate — Les coccolithes sont en CaCO₃ : le carbone d’un carbonate est minéral, même produit par un être vivant.

  7. L’enfouissement massif de végétaux pendant le Carbonifère a eu pour effet :

    • A. une baisse du CO₂ et une hausse du dioxygène
    • B. une hausse du CO₂ et une baisse du dioxygène
    • C. une baisse du CO₂ et une baisse du dioxygène
    • D. une hausse du CO₂ et une hausse du dioxygène
    Réponse

    A. une baisse du CO₂ et une hausse du dioxygène — Le carbone enfoui quitte le cycle court ; le dioxygène produit par la photosynthèse n’est plus consommé par la décomposition.

  8. Brûler des combustibles fossiles perturbe le cycle du carbone parce que :

    • A. leur carbone a une nature chimique inconnue ailleurs
    • B. leur combustion détruit définitivement du carbone
    • C. on rend vite au cycle court un carbone du cycle long
    • D. ils libèrent plus de carbone qu’ils n’en contiennent
    Réponse

    C. on rend vite au cycle court un carbone du cycle long — En quelques décennies, on rend à l’air un carbone stocké depuis des millions d’années ; aucun flux naturel rapide ne le ramène dans les roches.

  9. Une jeune plantation d’arbres :

    • A. est un puits définitif dès sa plantation
    • B. est une source car ses arbres respirent
    • C. est un puits tant que son stock augmente
    • D. ne stocke rien tant qu’elle n’est pas coupée
    Réponse

    C. est un puits tant que son stock augmente — Un puits est un réservoir qui grossit : arrivée à maturité, la forêt n’est plus un puits net.

  10. Le dégazage volcanique de CO₂ appartient au cycle long parce que :

    • A. son carbone vient du manteau et de roches enfouies
    • B. il ne libère que de très petites quantités
    • C. les volcans sont tous situés sur les continents
    • D. son CO₂ ne se mélange pas à celui de l’air
    Réponse

    A. son carbone vient du manteau et de roches enfouies — Le volcanisme rend au cycle court du carbone stocké en profondeur, dont celui des carbonates entraînés en subduction.

  11. En zone de subduction, la décarbonatation des calcaires entraînés en profondeur :

    • A. piège durablement du CO₂ dans le manteau
    • B. transforme le calcaire en matière organique
    • C. a un bilan nul, comme l’altération des calcaires
    • D. rend au cycle court du carbone des carbonates
    Réponse

    D. rend au cycle court du carbone des carbonates — CaCO₃ + SiO₂ → CaSiO₃ + CO₂ : le CO₂ libéré rejoint le magma puis l’atmosphère par le dégazage.

  12. Les volcans dégazent du CO₂ depuis des milliards d’années, et pourtant le CO₂ de l’air n’a pas augmenté sans fin. Pourquoi ?

    • A. Le CO₂ volcanique se décompose en carbone et dioxygène
    • B. L’altération des silicates et l’enfouissement le compensent
    • C. La photosynthèse le transforme une fois pour toutes en sucre
    • D. Le CO₂ s’échappe peu à peu de l’atmosphère vers l’espace
    Réponse

    B. L’altération des silicates et l’enfouissement le compensent — Les puits du cycle long piègent le carbone dans les carbonates et la matière organique fossile ; à long terme, sources et puits s’équilibrent.

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