Cycle du carbone

99,6 % du carbone terrestre (correspondant à approximativement 10⁸ gigatonnes de carbone) est piégé dans le réservoir géologique, et évolue à des vitesses géologiques. Pour l'essentiel, tout le carbone est passé à un moment ou à un autre de son histoire sous forme de carbonate. Par contraste, la biosphère ne concerne que 0,002 % du carbone terrestre[5].

Le cycle du carbone débute par l'arrivée du dioxyde de carbone (CO₂) à la surface de la Terre. Elle résulte du dégazage du manteau terrestre lors des éruptions volcaniques, qui rejettent dans l'atmosphère divers gaz dont le CO₂ et le monoxyde de carbone (CO). Ainsi, l'atmosphère primitive de la Terre était principalement composée de CO₂. Aujourd'hui, ce dégazage continue selon un flux faible, soit environ 0,1 Gt/an.

Au cours des âges, et alors que la température du soleil augmente, la plupart de ce CO₂ originel a été peu à peu piégée surtout par des processus biologiques dans des « réservoirs » tels que la lithosphère (roches carbonatées, charbon…), la biosphère ou les océans.

Les interactions chimiques du CO₂ avec la lithosphère et l'hydrosphère ont été décrites par Harold Clayton Urey en 1952, mais avaient déjà été étudiées par Jacques-Joseph Ebelmen[6] dès 1845.

Le gaz carbonique présent dans l'atmosphère se dissout dans l'eau pour former de l'acide carbonique, présent dans les eaux de pluie et de ruissellement :

CO₂ + H₂O ↔ H⁺ + HCO₃⁻

L'acide carbonique est un acide faible, mais au fil des temps géologiques il contribue à l'érosion en rongeant les silicates, par exemple de la wollastonite de formule CaSiO₃ (ainsi bien entendu que les carbonates), les dissociant en silice et en ions calcium, qui restent dissous :

CaSiO₃ + 2 H⁺ → Ca²⁺ + SiO₂ + H₂O

À ce stade, le gaz carbonique est consommé pour produire de la silice et du bicarbonate en solution, par lequel il est fixé :

CaSiO₃ + 2 CO₂ + H₂O → Ca²⁺ + 2 HCO₃⁻ + SiO₂

Lorsqu'il précipite naturellement, le bicarbonate se transforme en carbonate. Dans le cycle biologique, les organismes aquatiques et surtout marins utilisent ces ions calcium pour bâtir leur squelette et coquilles, ce qui après leur mort sédimente et réalise une précipitation biologique de carbonate, pratiquement insoluble :

Ca²⁺ + CO₃H⁻ → CaCO₃↓ + H⁺

En pratique, l'équation est équilibrée sur le plan ionique par un deuxième ion bicarbonate, et la précipitation du carbonate s'accompagne de la restitution de CO₂[6] :

Ca²⁺ + 2 CO₃H⁻ → CaCO₃↓ + CO₂ ↑ +H₂O

Au bilan, la transformation en milieu aqueux du silicate en silice et carbonate fixe une mole de gaz carbonique :

CO₂ + CaSiO₃ → SiO₂ + CaCO₃

Après avoir sédimenté sur les fonds marins, où ils deviennent piégés, les carbonates peuvent avoir deux destins possibles suivant le devenir de leur couche géologique. À la suite de mouvements tectoniques, un bassin sédimentaire peut se trouver soulevé et exposé par l'orogenèse, ce qui l'expose à l'érosion et réalise l'inverse de la précipitation biologique :

CaCO₃ + H⁺ → Ca²⁺ + HCO₃⁻

Alternativement, la plaque océanique chargée de carbonates peut disparaître dans le manteau terrestre, à travers une fosse de subduction. Dans ces conditions de température et de pression élevées, le carbonate réagit avec la silice présente pour former de nouveaux silicates et du gaz carbonique :

CaCO₃ + SiO₂ → CaSiO₃ + CO₂

Le gaz carbonique du manteau peut ensuite s'échapper avec les éruptions volcaniques, bouclant le cycle.

Le cycle entraîne une rétroaction négative critique entre les niveaux de dioxyde de carbone et les changements climatiques[7] - [8].

Si par exemple le CO₂ s'accumule dans l'atmosphère, l'effet de serre augmentera la température de surface, ce qui augmentera également le taux de précipitations et l'altération du silicate, ce qui éliminera le carbone de l'atmosphère. De ce fait, le cycle carbonate-silicate a un effet stabilisateur sur le climat de la Terre sur de longues périodes, raison pour laquelle il a été appelé « le thermostat de la Terre »[9] - [10].

À l'échelle de dizaines, voire de centaines de millions d'années, les niveaux de dioxyde de carbone dans l'atmosphère peuvent varier en raison de perturbations naturelles du cycle[11] - [12] - [13].

Des modifications de la surface de la planète, telles que l'absence de volcans ou l'élévation du niveau de la mer, qui réduiraient la quantité de surface exposée aux intempéries, peuvent modifier les vitesses auxquelles se déroulent les différents processus de ce cycle[5]

À plusieurs périodes dans l'histoire de la Terre, celle-ci a connu des refroidissements tels qu'elle était entièrement recouverte de glace des pôles à l'équateur. C'est la théorie de la « Terre boule de neige » (Snowball Earth). Un de ces événements eut lieu au Paléo protérozoïque (2,2 à 2,3 milliards d’années), et 3 ou 4 autres glaciations totales se seraient déroulées au Néoprotérozoïque (entre 730 à 590 millions d’années). Ce phénomène peut être expliqué par l'augmentation de la pluie, le ruissellement et donc l'érosion de surface, et la présence de multiples autres facteurs qui vont conduire à la chute du taux de CO₂ atmosphérique.

Les volcans auraient joué un grand rôle en mettant fin à la glaciation « boule de neige ». Malgré la présence de glace partout, les éruptions volcaniques ont perduré et ont permis d'augmenter le taux de CO₂ dans l'atmosphère qui a induit un réchauffement. C’est grâce à des cataclysmes volcaniques que notre planète a pu sortir de son état de sphère gelée. La présence du CO₂ fut à l'origine de l'explosion de la vie, en permettant de ramener la température de la Terre dans une plage idéale (15 °C de moyenne) où les organismes vivants peuvent se développer.

L'ensemble volcans et monde vivant, plus précisément le plancton des océans, a permis d'ajuster le taux de CO₂ de l'atmosphère terrestre. En effet, les volcans rejettent des quantités gigantesques de dioxyde de carbone dans l'atmosphère et favorisent l'explosion de la vie. Le plancton lui est venu tamponner cet effet en absorbant une partie du CO₂ relargué et s'en sert encore aujourd'hui pour former sa coquille (formée souvent de CaCO₃), éliminant ainsi une grande partie du dioxyde de carbone.

Concentrations des eaux de surface en CO₂ dissout.

Le carbone « libre » sous forme de CO₂ se répartit entre l'atmosphère et l'hydrosphère, ces deux réservoirs étant en échanges constants.

Conceptuellement, l'océan peut être divisé en une couche de surface, de quelques centaines de mètres ou moins, dans laquelle l'eau établit un contact fréquent (quotidien ou annuel) avec l'atmosphère, et une couche profonde en dessous de la couche mélangée, dans laquelle le temps entre les contacts consécutifs peut être des siècles.

Le carbone inorganique dissout dans la couche de surface est échangé rapidement avec l'atmosphère, en maintenant l'équilibre.

Le sens de ces échanges dépend de la latitude, car la solubilité du CO₂ dépend de la température de l'eau des océans (les eaux froides contiennent plus de gaz dissous que les eaux chaudes). En se réchauffant, les masses d'eau océaniques tendent à dégazer leur CO₂ dissout ; et quand elles migrent vers les zones polaires, ces masses d'eau se chargent au contraire en CO₂ atmosphérique. Arrivées aux zones polaires, les masses d'eau, refroidies jusqu'à leur maximum de densité, plongent en entraînant le CO₂ dissout. dans les couches profondes océaniques.

Les échanges se font essentiellement au niveau de la couche supérieure océanique, brassée par les vents et courants. La vitesse des échanges dépend de l'état de l'interface air-eau, donc du vent et de la hauteur de la houle : plus la surface de l'eau sera agitée et plus les échanges seront facilités… Les couches profondes océaniques sont sensiblement isothermes, au maximum de densité de l'eau, et ne font pas l'objet de dégazages ou d'absorption significatifs au cours de leur circulation. Ce n'est qu'après qu'un upwelling les ait remises en surface qu'elles peuvent se réchauffer et dégazer leur CO₂, après une circulation thermohaline de l'ordre de 1 500 ans.

Principalement en raison de son volume plus important, et en partie parce que sa concentration en éléments gazeux carbonés est environ 15% plus élevée que la moyenne des eaux de surface[14], l'océan profond contient beaucoup plus de carbone - c'est le plus grand bassin de carbone à cycle actif dans le monde, contenant 50 fois plus que l'atmosphère[15]. Mais le temps nécessaire pour atteindre l'équilibre avec l'atmosphère se compte ici en centaines d'années: l'échange de carbone entre les deux réservoirs océaniques est lent à échelle humaine.

Du fait de la forte solubilité du dioxyde de carbone (CO₂) dans l'eau, et de l'importance du volume des océans, la capacité de stockage de l'hydrosphère est impressionnante : 63 fois plus élevée que celle de l'atmosphère.

Le carbone s'y retrouve sous diverses formes. En milieu aqueux, le CO₂ est en équilibre avec les formes hydrogénocarbonate (HCO₃⁻) et ion carbonate (CO₃²⁻) :

CO₂ + H₂O ↔ HCO₃⁻ + H⁺ ↔ CO₃²⁻ + 2 H⁺

La répartition de CO₂ dans l'océan est approximativement la suivante :

1 % dans le dioxyde de carbone (CO₂) ;

90 % dans l'hydrogénocarbonate (HCO₃⁻) ;

9 % dans les ions carbonates (CO₃²⁻).

Ces proportions dépendent du pH de l'eau et par conséquent sont très variables dans les eaux continentales.

Cet acide tend à attaquer les carbonates présents dans les fonds océaniques, libérant du CO₂ :

CaCO₃ + 2 H⁺ → Ca²⁺ + CO₂ + H₂O

Globalement, l'arrivée de CO₂ sur le carbonate de calcium conduit à la formation de bicarbonate de calcium :

CaCO₃ +CO₂ + H₂O → Ca²⁺ + 2 HCO₃⁻

Cette réaction limite la présence de l'ion hydrogène au profit du calcium dissout, et rend les océans plutôt basiques à cause du bicarbonate. Inversement, une arrivée massive de CO₂ peut dépasser la capacité tampon des carbonates, et provoquer une acidification des océans.

Le taux de CO₂ et la température (ici Antarctique) sont fortement corrélés : les eaux froides contiennent plus de gaz dissous que les eaux chaudes.

La réaction du cycle atmosphérique du carbone à des variations de température est plutôt complexe.

À court terme, une élévation de la température moyenne des océans diminue la capacité des eaux de surface à capturer le CO₂. Toutes choses égales par ailleurs, le CO₂ va dégazer dans l'atmosphère, augmentant la teneur atmosphérique moyenne. Cette augmentation conduit à un effet de serre, qui tend à accentuer la hausse de température et donc le dégazage. Cependant, le volume de la couche océanique superficielle reste limité, et à court terme, cet effet est freiné par le développement de la biosphère, en particulier du plancton marin, qui fixe une partie du carbone sous forme de carbone biologique, et en fait précipiter une autre partie sous forme de carbonates et de déchets organiques.

À plus long terme, la circulation thermohaline fait plonger les eaux les plus denses ; et donc le fond des océans reste à une température sensiblement constante, celle du maximum de densité, tant qu'il reste des régions polaires où ces températures puissent être atteintes. En présence d'une atmosphère plus chargée en CO₂, ces eaux froides seront elles-mêmes plus chargées lors de leur plongeon, et augmenteront de ce fait la masse de CO₂ présente dans ce réservoir des eaux océaniques profondes.

Les variations de la pression partielle du CO₂ dans l'air modifie les flux entre l'atmosphère et les eaux. Étant donné les valeurs très élevées des flux d'échanges dans les deux sens, une augmentation de teneur en CO₂ atmosphérique (réservoir de 800 Gt) de 2 à 3 % correspond à une arrivée dans l'océan d'environ 2 à 3 Gt de carbone par an[16].

La quantité de CO₂ dissoute dans l'océan varie avec son pH, du fait de l'équilibre de dissociation :

CO₂↑ + H₂O ↔ H⁺ + HCO₃⁻

Dans un milieu plus acide, si le pH diminue d'une unité (augmentation du H⁺ présent), le pCO2 augmente d'un facteur dix. De même, si l'océan devient plus chargé en gaz carbonique, l'équilibre est déplacé vers la droite et il s'acidifie.

Rôle des êtres vivants dans le cycle du carbone.

Les êtres vivants échangent 60 Gt/an de carbone avec l'atmosphère. Cet échange se fait dans les deux sens : alors que la fermentation, la respiration des bactéries, des animaux et des végétaux dégagent du CO₂, la photosynthèse (notamment celle des végétaux chlorophylliens) fixe le carbone dans la matière organique ou biomasse. Ces deux mécanismes font à la fois partie du cycle du carbone et du cycle de l'oxygène. La photosynthèse produit essentiellement un hydrate de carbone, dont la formule brute superpose du carbone et de l'eau, et de l'oxygène, à partir d'eau et de gaz carbonique. On aura par exemple, pour la fabrication du glucose :

6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

Inversement, la respiration consomme ces matières organiques et de l'oxygène pour produire du gaz carbonique et de l'eau, ce qui correspond globalement à une oxydation de la matière organique.

Dans un écosystème en équilibre, à biomasse constante, la quantité nette de dioxygène produit par les organismes autotrophes (photosynthèse) est égale à la quantité de dioxygène consommée par les organismes hétérotrophes (respiration). Ceci suppose que toute la matière organique sert effectivement à de la respiration, donc ne sort pas de la biosphère mais est consommée par son producteur, des prédateurs, des nécrophages, ou des micro-organismes fossoyeurs.

Mais les écosystèmes ne sont en général pas équilibrés. Globalement, un peu de matière organique s'échappe de la biosphère et n'est pas oxydée, et contribue alors à un stockage de carbone, par la sédimentation, la fossilisation, la formation de kérogène, etc. (voir infra biosphère-lithosphère). Les tourbières par exemple stockent des débris végétaux dans les sols, la tourbe. Cette biomasse « morte » est estimée à 1 600 Gt de carbone, deux fois la quantité de carbone de la biomasse « vivante ». C'est pourquoi le stockage de carbone dans les sols est considéré comme une potentielle solution pour atténuer les émissions de dioxyde de carbone dans l'atmosphère (e.g. 4p1000)[17].

Les ions carbonates seront eux-mêmes en équilibre avec des formes précipitées (carbonate de calcium, qu'on retrouve notamment dans les coquilles d'animaux marins qui formeront le calcaire).

Enfin, le développement des êtres vivants qui captent le CO₂ (photosynthèse, construction d'une coquille) ou en rejettent (respiration) a une importance non négligeable sur la quantité de carbone dissous et représente une part de la biomasse.

Pendant sa phase de croissance initiale une forêt joue un rôle de puits de carbone : la masse de carbone sous forme de branches, racines et humus augmente à partir de zéro. Par contre, il n'y a pas de consensus scientifique concernant les forêts anciennes.

Une hypothèse posée par Eugène Odum dans les années 1960 était que ces forêts étaient à l'état d'équilibre, c'est-à-dire émettant autant de CO₂ qu'elles en absorbent, parce qu'elles ne transféreraient pas de matériaux organiques dans les sols profonds et finalement les couches géologiques. Contrairement aux tourbières, les vastes zones forestières auraient alors été neutres dans le cycle du carbone.

Une étude internationale récente[18] infirme cette hypothèse, montrant que globalement, comme les jeunes forêts, les forêts anciennes peuvent stocker aussi du carbone (plus ou moins selon le contexte climatique et les apports atmosphériques en azote, mais tout à fait significativement). Les auteurs de cette étude invitent donc à intégrer dans les bilans les forêts de 15 et 800 ans d'âge, et surtout à mieux les protéger car leur destruction ou même leur perturbation[19] est cause d'importants relargages de carbone. En effet, les données récentes des réseaux d'observatoires « CarboEurope » et « AmeriFlux » ont prouvé que ces forêts anciennes séquestrent annuellement de 0,8 à 1,8 milliard de tonnes de carbone. Les forêts anciennes comptent encore pour environ 15 % de la surface forestière totale (forêt primaires pour 30 % de cette surface, dont la moitié est la forêt boréale située dans l'hémisphère Nord, couvrant (6 x 10⁸ hectares). Elles n'étaient jusqu'ici pas prises en compte dans les bilans-carbone, alors qu'elles séquestrent selon cette étude, notamment dans les transferts vers les litières et leurs sols[20] au moins 10 % de tout le CO₂ stocké[21].

La fossilisation des êtres vivants morts demande plusieurs millions d'années. Comme le nombre d'organismes vivants ne peut pas augmenter brutalement de manière significative, ce transfert ne change guère au cours du temps. Il est estimé à moins de 0,5 Gt/an.

La « sédimentation océanique » : les coquilles des crustacés, des mollusques ou des algues planctoniques se forment par précipitation du calcaire à partir des éléments dissous :

Ca²⁺ + 2 HCO₃⁻ ↔ CaCO₃ + CO₂ + H₂O.

Cette précipitation peut être spontanée dans certaines conditions physico-chimiques.

La sédimentation des coquilles est à l'origine de la plupart des roches contenant du calcaire (craie, calcaire, marne etc.). Ce calcaire ou carbonate de calcium (CaCO₃) reste stocké pendant des centaines de millions d'années (délai de renouvellement moyen : 330 millions d'années, à comparer avec le délai de renouvellement du carbone de l'atmosphère qui est de cinq ans).

Le cycle du carbone est donc un système de recyclage très complexe où les processus physiques, chimiques et biologiques sont si intimement liés qu'il devient difficile d'examiner séparément le recyclage des deux formes de carbone (carbone organique et inorganique).

Si le cycle du carbone semble équilibré sur l'échelle des temps géologiques, il arrive souvent que les quantités et les flux de carbone varient de façon assez importante entre différents réservoirs et ont ainsi des implications climatiques majeures[22].

Concentrations et flux en CO₂ atmosphérique.

Plate-forme pétrolière, dans le Golfe du Mexique.

Les interventions les plus évidentes de l'homme sont :

• la combustion massive de matières organiques due à la déforestation,
• la combustion de roches carbonées (charbon, pétrole, gaz naturel) qui rejettent énormément de dioxyde de carbone et de méthane.

La fabrication du ciment se fait, entre autres processus, par la calcination du calcaire dans les fours à calcination, dans lesquels CaCO₃ est converti en CaO (chaux) avec un rejet de CO₂ dans l'atmosphère : CaCO_{3 minéral ou roche} → CaO _solide + CO_{2 gaz}

Ce dégagement initial de CO₂ lors de la calcination du calcaire ne parait pas très préoccupant. En effet, lors de l'utilisation du ciment produit, la réaction physico-chimique complexe de prise des mortiers & bétons absorbe du CO₂ contenu dans l'air dans les mêmes proportions. Dans un premier temps, la transformation de chaux vive en chaux éteinte s'effectue par ajout d'eau (H₂O). Cette opération d'extinction, conduite dans un hydrateur industriel, produit l'hydroxyde de calcium Ca(OH)₂, avec un fort dégagement de chaleur : CaO + H₂O → Ca(OH)₂ + 1 155 kJ/kg

Dans un deuxième temps, la prise de la chaux dite « aérienne » s'effectue par carbonatation, c’est-à-dire en réabsorbant autant de dioxyde de carbone (CO₂) présent dans l'atmosphère qu'il en avait été précédemment rejeté : Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O

En revanche, la calcination initiale nécessite beaucoup d'énergie, souvent d'origine fossile. C'est à cause de cette calcination que la fabrication du ciment est à l’origine d’environ 7 à 8 % des émissions totales de CO₂ à l'échelle du globe[25].

La consommation d'énergie à partir de combustible fossile provoque un flux faible (0,2 Gt/an), quoique non négligeable ; le stockage du carbone dans les roches calcaires se ferait à une vitesse équivalente ou légèrement supérieure.

• Allen AP, Gillooly JF, Brown JH (2005) Linking the global carbon cycle to individual metabolism. Functional Ecology, 19, 202–213.
• Gérard Borvon, Histoire du carbone et du CO2. De l’origine de la vie jusqu’au dérèglement climatique, Vuibert, 2013, 256 pages

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• Site dédié au cycle du carbone, publié par le LSCE, le laboratoire des sciences du climat et de l'environnement. Contient des informations pédagogiques pour le grand public et aussi pour les enseignants du secondaire.
• (fr/en) CarBBAS Groupe de recherche en biogéochimie du carbone dans les écosystèmes aquatiques boréaux
• Comprendre le cycle du carbone sur le site energieplus-lesite.be de Architecture et Climat de l'Université catholique de Louvain
• Carbon cycle re-balancing (en)