LUMIÈRES et LIBERTÉ

Comprendre le cycle du carbone

Source dpt US M: A. Gorelick (remerciements)

Carbon moves between plants and animals, earth, atmosphere and oceans in a continuous cycle.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Le cycle des échanges du carbone entre la masse terrestre, l’atmosphère et les océans affecte notre climat.

 

Le carbone est un élément chimique, le quatrième en abondance dans l’univers. Il est essentiel à la vie sur terre.

 

Des échanges de carbone se produisent constamment sur notre planète – entre l’atmosphère, les océans, les roches, la terre, les plantes et les animaux, un phénomène que les scientifiques ont baptisé le cycle du carbone.

 

Comprendre le fonctionnement de ce cycle est essentiel aux prévisions climatiques.

 

« Pour prédire le comportement du système climatique sur terre dans l’avenir, nous devons d’abord comprendre le fonctionnement du cycle du carbone et prédire l’évolution du gaz carbonique (CO₂), ou gaz carbonique, dans l’atmosphère », ont écrit les scientifiques Jorge Sarmiento, Steve Wofsy et leurs collègues dans une étude publiée en 1999 intitulée « Schéma scientifique américain du cycle du carbone ».

 

 

À l’état pur, le carbone existe sous forme de diamant ou de graphite, celui-ci souvent utilisé pour fabriquer la mine de crayon. Quand il se lie à des atomes d’oxygène, d’hydrogène ou d’autres carbones, il forme des composés essentiels – du glucose et des lipides qui fournissent de l’énergie aux plantes et aux animaux ; du pétrole, du charbon et du gaz naturel qui servent de combustible aux activités humaines ; et du gaz carbonique et du méthane qui sont des gaz atmosphériques qui piègent la chaleur du soleil et réchauffent la terre.

 

Les végétaux, les algues planctoniques et certaines bactéries fixent le gaz carbonique qui est présent dans l’atmosphère et dans les océans et le convertissent en glucose (du carbone lié à d’autres carbones, de l’hydrogène et des atomes d’oxygène) – un processus dit de photosynthèse. Les animaux mangent le glucose, qui est une source d’énergie, et exhalent du gaz carbonique (du carbone attaché à deux atomes d’oxygène) par la respiration.

 

Les animaux et les végétaux meurent et finissent dans la terre mais leurs composés carboniques demeurent intacts, une source d’énergie pour les microbes qui se nourrissent de leurs restes et produisent du gaz carbonique et du méthane (du carbone lié à quatre atomes d’hydrogène), dont une certaine quantité restera fixée dans les sols et une autre s’échappera dans l’atmosphère.

 

Dans certains cas, les restes des végétaux et des animaux sont enterrés sous terre ou au fond des océans mais sont protégés des microbes. Au cours des centaines de millions d’années suivantes, ces restes deviennent une nécromasse de plus en plus compressée et profondément enfouie sous terre. Les tissus et les os se décomposent mais le carbone demeure, ayant formé des composés appelés hydrocarbures, de longues chaînes d’atomes de carbones liés les uns aux autres et à des atomes d’hydrogène, l’élément principal du charbon et du pétrole, c’est-à-dire les combustibles fossiles.

 

Les êtres humains utilisent les combustibles fossiles pour générer de la chaleur et de l’électricité, et ce faisant, les hydrocarbures dans ces combustibles fossiles sont convertis en gaz carbonique qui échappe dans l’atmosphère.

 

 

Les phénomènes climatiques et l’érosion perpétuent les échanges carboniques entre les roches sur la surface de la terre et dans les océans. Le carbone plonge sous le manteau de la terre lors d’un processus dit de subduction – tandis que les volcans, les thermes et les geysers laissent échapper de nouveau le gaz carbonique et le méthane dans l’atmosphère.

Les émissions accrues de gaz carbonique affectent la composition chimique des eaux, décimant ainsi les espèces marines, telles que cette anémone géante dans la mer des Caraïbes. //

Les émissions accrues de gaz carbonique affectent la composition chimique des eaux, décimant ainsi les espèces marines.

Le carbone atmosphérique est dissous dans les océans et se fixe dans les végétaux, ce qui permet au cycle de se perpétuer.

 

Les phases géologiques du cycle du carbone – les phénomènes climatiques, l’érosion, la subduction et la formation de combustibles fossiles – se déroulent sur une période de millions d’années. Les phases biologiques du cycle du carbone – la photosynthèse, la respiration, la décomposition par les microbes – peuvent se produire, elles, sur une période allant de quelques jours à des milliers d’années.

 

En moyenne, la quantité de carbone qui s’échange par an par le biais de composants biologiques est mille fois plus importante que celle qui se fait par la voie des composants géologiques.

 

Le bilan-carbone mondial

 

Le problème actuellement est le fait que le cycle du carbone n’est plus équilibré. Il a fallu des centaines de millions d’années pour séquestrer le gaz carbonique dans la lithosphère, à l’intérieur de la masse terrestre et sous les océans, mais les activités humaines ont causé à des quantités de gaz carbonique d’être relâchées dans l’atmosphère au cours du siècle écoulé.

 

Christine Goudale, une écologiste forestière de l’université Cornell à New York, a dit que la situation actuelle « revient à prendre le carbone piégé dans la terre et à le relâcher dans l’atmosphère sous une forme beaucoup plus active ».

 

Les êtres humains détruisent aussi les forêts, provoquant l’émission de gaz carbonique dans l’atmosphère et réduisant le nombre de végétaux qui peuvent le réabsorber.

 

L’atmosphère contient des quantités abondantes de carbone, notamment du gaz carbonique. On sait que certains de ces gaz sont fixés dans les océans, les végétaux et les roches bien que ce phénomène ne soit pas encore bien élucidé.

 

Le carbone qui reste dans l’atmosphère absorbe la chaleur du soleil, l’empêchant de s’échapper dans l’espace. Sans cette chaleur, la planète serait inhabitable ; mais trop de chaleur entraîne des changements climatiques qui la rendraient moins vivable. Le même principe s’applique aux océans, où les émissions accrues de gaz carbonique affectent la composition chimique des eaux, les rendant peu propices à la vie et décimant les espèces marines.

 

Le carbone dans l’atmosphère est à la fois bénéfique et néfaste, tout comme l’eau : les êtres humains en ont besoin pour survivre mais ils se noient s’il y en a trop.

 

Selon un rapport rédigé par le Groupe de travail intergouvernemental sur les changements climatiques de l’ONU, « environ 50 % des émissions excédentaires de gaz carbonique seront éliminées de l’atmosphère dans les 30 prochaines années, et 30 % le seront au cours de quelques siècles grâce au cycle habituel de séquestration. Mais il faudra des milliers d’années avant que cela ne se produise pour les autres 20 % qui demeurent dans l’atmosphère ».

 

La planète Terre et son atmosphère sont un système fermé dans lequel le carbone n’est ni créé ni détruit. Les quantités de carbone ne changent pas – elles se déplacent seulement entre les différentes phases du cycle, de l’atmosphère aux océans, du sol aux couches de sédimentation, mais elles ne peuvent ni augmenter ni diminuer. En effet, le carbone dans l’atmosphère ne peut pas s’échapper dans l’espace ; il doit d’une façon ou d’une autre être séquestré sur Terre : fixé par les végétaux ou dissous de nouveau dans les océans.

 

Version anglaise:

Understanding the Carbon Cycle

Carbon cycles between Earth, atmosphere and oceans, affecting our climate

 

Washington — Carbon: the fourth most abundant element in the universe and the building block of life on Earth.

 

Carbon moves throughout the Earth — between the atmosphere, the oceans, sedimentary rock, soil and plants and animals — in what scientists call the carbon cycle.

 

Understanding how the carbon cycle works is critical to predicting Earth’s climate in the future.

 

“To predict the behavior of Earth’s climate system in the future, we must be able to understand the functioning of the carbon system and predict the evolution of atmospheric carbon dioxide,” wrote scientists Jorge Sarmiento, Steve Wofsy and their colleagues in the 1999 report “A U.S. Carbon Cycle Science Plan.”

 

In its pure form carbon exists as diamond or graphite, the lead in pencils. Bound to oxygen, hydrogen and other carbon atoms, carbon forms essential compounds: sugars and fats that provide energy for plants and animals; petroleum, coal and natural gas that power human activity; and carbon dioxide and methane, atmospheric gases that trap heat from the sun and warm the Earth.

 

Plants, algae and some bacteria take up carbon dioxide from the atmosphere or oceans and convert it into sugars (carbon bound to other carbon, hydrogen and oxygen atoms), a process called photosynthesis. Animals eat sugar, a source of energy, and exhale carbon dioxide (carbon bound to two oxygen atoms) — respiration.

 

Animals and plants die and are buried in the earth, but their carbon compounds remain intact, a source of energy for microbes that feast on their remains and produce carbon dioxide and methane (carbon bound to four hydrogen atoms), some of which remains in the soil, some of which is released into the atmosphere.

 

Sometimes, plant and animal remains are buried in the earth or sink to the ocean floor and are protected from microbes. Over hundreds of millions of years animal remains are compressed deeper and deeper into the earth. Tissue and bone are destroyed but the carbon still remains, having formed compounds called hydrocarbons, long chains of carbon atoms bound to each other and to hydrogen atoms. Hydrocarbons are the main component of coal and petroleum — fossil fuels.

 

Humans use fossil fuels to produce heat and electricity, and in doing so the hydrocarbons in fossil fuels are converted into carbon dioxide and released into the atmosphere. Atmospheric carbon dissolves into the oceans or is taken up by plants and the cycle continues.

 

Rock in the Earth’s crust is composed of carbon, formed over millions of years when carbon binds to minerals. Carbon dioxide dissolved in the ocean forms bicarbonate, which combines with calcium to form limestone.

 

Weathering and erosion wash carbon compounds from rock in the Earth’s crust into the ocean. Carbon is also pulled beneath Earth’s crust — a process called subduction — and volcanoes, hot springs and geysers spew carbon dioxide and methane back into the atmosphere.

 

The geological components of the carbon cycle — weathering, erosion, subduction, the formation of fossil fuels — occur over millions of years. The biological components of the carbon cycle — photosynthesis, respiration, decomposition by microbes — occur over days to thousands of years.

 

On average, the amount of carbon that moves through biological components each year is 1,000 times greater than the amount of carbon that moves through geological components each year.

 

GLOBAL CARBON BUDGET

 

The problem now is that the carbon cycle is lopsided. It took hundreds of millions of years to sequester carbon deep in the earth and under the ocean floor, and humans have released much of that carbon into the atmosphere during the last century.

 

Christine Goodale, a forest ecologist at Cornell University in New York state, characterizes it as “taking carbon that was locked away and putting it into a much more active form in the atmosphere.”

 

Humans are also destroying forests, releasing more carbon dioxide into the atmosphere and reducing the number of plants that absorb it from the atmosphere.

 

The atmosphere is overflowing with carbon, largely carbon dioxide. Some is absorbed by the oceans, some is absorbed by plants and soil, though how this happens is not well understood.

 

The carbon that remains in the atmosphere absorbs heat, preventing it from radiating out into space. Without this trapped heat the Earth would not be habitable. Too much heat, and the climate will change and become less habitable. The same applies to the oceans, where increased carbon changes the chemistry of sea water, making the oceans less habitable and killing sea life.

 

Atmospheric carbon is both good and bad, much like water: Humans need it to survive, but too much and you will drown.

 

According to a 2007 report by the United Nations Intergovernmental Panel on Climate Change, “about 50 percent of a carbon dioxide increase will be removed from the atmosphere within 30 years, and a further 30 percent will be removed within a few centuries. The remaining 20 percent may stay in the atmosphere for many thousands of years.”

 

The Earth and its atmosphere are a closed system, where carbon is neither created nor destroyed. The total amount of carbon does not change — carbon can be shuffled from pool to pool, from atmosphere to ocean, from soil to sediment, but cannot be added or removed. Carbon in the atmosphere, for example, cannot drift off into outer space. It has to go somewhere on Earth: taken up by plants, or dissolved back into oceans.