III) Les activités humaines modifient le cycle du carbone
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Le cycle du carbone Chazaly Olivier Division 205 4/05/2008 Exposé I) Introduction : Le cycle du carbone est le circuit que suit le carbone dans la nature. Présent dans les êtres vivants, les océans, l’air et l'écorce terrestre, il circule en permanence et sous différents états chimiques entre l’ atmosphère , la biosphère , la lithosphère et l’ hydrosphère . Les échanges de carbone s'expriment en milliards de tonnes par an (gigatonnes par an ou Gt/an) II) Les différents échanges naturels : Les échanges naturels en CO2 a) Les échanges atmosphère-biosphère : Les êtres vivants échangent 60 Gt/an, dans les deux sens, de carbone avec l'atmosphère : alors que la fermentation , la respiration des bactéries, des animaux et des végétaux dégagent du CO2, la photosynthèse 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. Cet échange est équilibré si on ne tient pas compte de la déforestation. Photosynthèse : 6 H20 + 6 CO2 + énergie solaire ====> C6H12O6 + 6 O2 eau + dioxyde de carbone =====> glucose + dioxygène gazeux Respiration cellulaire : C6H12O6 + 6 O2 =====> 6 H20 + 6 CO2 + E glucose + dioxygène gazeux =====> eau + dioxyde de carbone + énergie Fermentation : C6H12O6 =====> 6 CO2 + Energie+ déchets glucose =====> dioxyde de carbone + énergie + déchets variés (méthane, éthanol etc.) Dans un écosystème en équilibre, la quantité nette de dioxygène produit par les organismes autotrophes (photosynthèse) est égale à la quantité de dioxygène consommée par les organismes hétérotrophes (respiration). Remarque : certains écosystèmes ne sont pas équilibrés, comme les tourbières: ils stockent des débris végétaux dans les sols, la tourbe. Cette biomasse « morte » est estimée à 1600 Gt de Carbone, deux fois la quantité de carbone de la biomasse « vivante ». b) Echanges biosphère-lithosphère (fossilisation) : 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. c) Les échanges hydrosphère-lithosphère (sédimentation) : La sédimentation océanique : les coquilles des crustacés, des mollusques ou des algues planctoniques se forment par précipitation du calcaire à partir des éléments dissous. 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). d) Les échanges avec l’hydrosphère (dissolution - dégazage) : 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 des couches supérieures de l'hydrosphère, c’està-dire jusqu'à 100 mètres, est impressionnante. Mais si elle arrive à être 63 fois plus élevée que celle de l'atmosphère, c'est grâce à la diversité des formes du carbone dans les océans. D'une part en milieu aqueux le dioxyde de carbone (CO2) se transforme intégralement en hydrogénocarbonate (HCO3-) et d'autre part celui-ci peut lui-même devenir un ion carbonate de formule CO32-. La répartition du CO2 dans l'hydrosphère est approximativement la suivante : 1% dans le dioxyde de carbone (CO2) 90% dans l'hydrogénocarbonate (HCO3-) 9% dans les ions carbonates (CO32-) e) Apport des météorites : Plus exceptionnellement, du carbone peut être apporté à l'occasion de l'impact d'une importante météorite sur la Terre. Selon la violence de cet événement, la quantité de matière expulsée et les conséquences peuvent varier considérablement. Alors que l'activité volcanique normale fait augmenter le taux atmosphérique des gaz à effet de serre, la chute d'un corps lourd ou une éruption exceptionnellement puissante propagent dans la haute atmosphère de grandes quantités de poussière qui réduisent le flux du rayonnement solaire, ce qui provoque une diminution de la température qui peut aller jusqu'à plusieurs dizaines de degrés en quelques semaines. Un cataclysme de ce type est peut-être la cause de la disparition des dinosaures. III) Les activités humaines modifient le cycle du carbone : Les quantités de carbone émis par les activités humaines dans l'atmosphère sont de : 6,4 Gt/an pour les années 1990 Selon l'Académie Nationale des Sciences des États-Unis, pour 2000-2006, 10 Gt/an de carbone ont été émis (37% de plus par rapport à 1990). Environ la moitié de ce carbone a été réabsorbée par la biosphère (photosynthèse accrue) et les océans (par dissolution). Ainsi la quantité de carbone dans l'atmosphère s'est accrue de 3,3 Gt/an dans la période 1990-1999, il en résulte ainsi une modification du cycle du carbone suite aux activités humaines. Le surplus de CO0 injecté par les industries dans l’atmosphère a) La combustion : Les interventions les plus évidentes de l'homme sont : la combustion massive de matières organiques par la déforestation. la combustion de roches carbonées (charbon, pétrole, gaz) qui rejettent énormément de dioxyde de carbone. Ces rejets déséquilibrent, par effet de dominos, les échanges avec d'autres réservoirs de carbone, comme les échanges avec les océans. Les deux molécules rejetées dans l'atmosphère contiennent du carbone (méthane et dioxyde de carbone) et font partie des principaux gaz à effet de serre. L'effet de serre s'accentue, d'où un déséquilibre des échanges d'énergie et de chaleur qui provoque le réchauffement climatique. La hausse de température perturbe en retour le cycle du carbone, de telle sorte qu'elle s'amplifie. Le déséquilibre provient du fait que les mécanismes qui ramènent le dioxyde de carbone atmosphérique dans la lithosphère sont très lents (0,2 Gt/an, à comparer avec les 6 Gt/an de C émis par les activités humaines). Les solutions sont le reboisement et la réduction de la consommation de charbon, pétrole et gaz. L'espèce humaine et l'ensemble des écosystèmes seront obligés de s'adapter pendant plusieurs siècles. b) Effet du réchauffement climatique sur le cycle du carbone (rétroaction) : Les déséquilibres des échanges de carbone provoqués par les activités humaines en causant un réchauffement climatique, modifient en retour les flux. Il s'agit d'une rétroaction positive, qui laisse craindre un emballement de la crise climatique. Le réchauffement climatique diminue la dissolution du CO2 dans les océans : la solubilité du dioxyde de carbone dans les océans dépend de leur température. Si cette température augmente à la suite à la hausse des taux atmosphériques de dioxyde de carbone, la capacité de stockage des océans diminue et ils se mettent à rejeter eux-mêmes du dioxyde de carbone. Comme le deuxième plus important réservoir à carbone est l'hydrosphère, l'enclenchement d'un tel cercle vicieux serait catastrophique. Le réchauffement climatique peut diminuer le transfert du CO2 vers les eaux profondes, et donc diminuer encore davantage sa dissolution dans les eaux superficielles. S'il prend trop d'ampleur, pourrait aussi diminuer en grande partie la sédimentation océanique, en ralentissant, voire supprimant sous certaines latitudes, les courants océaniques profonds de la plongée (au niveau du Groënland pour le Gulf Stream et dans le Pacifique pour la branche asiatique) des eaux froides et plus salées chargée de dioxyde de carbone. Même si cette sédimentation est très faible, c'est elle qui génère l'ensemble des roches carbonatées, c’est-à-dire contenant des carbonates tels le carbonate de calcium (calcaire). Le réchauffement climatique augmente la dégradation de la matière organique des sols gelés (pergélisol) et des milieux tourbeux ce qui rejette du CO2 et du méthane, aggravant l'effet de serre additionnel. Lexique Atmosphère: L'atmosphère terrestre est l'enveloppe gazeuse entourant la Terre solide. Biosphère: Le mot biosphère désigne à la fois l'ensemble des organismes vivants qui habitent la Terre et l'espace qu'ils occupent, soit une partie de l'écorce terrestre (la lithosphère ), des océans (l' hydrosphère ) et de l' atmosphère . La biosphère est l'ensemble des écosystèmes de la planète. Elle compte plusieurs millions d’espèces qui interagissent entre elles et avec leur milieu en permanence. Lithosphère: La lithosphère constitue la partie minérale de la terre. Hydrosphère: Concernant la terre, l'hydrosphère est la partie du système terrestre constituée d'eau. Biomasse: La biomasse est l'ensemble de la matière organique d'origine végétale ou animale. Ecosystème : Un écosystème est un groupe de communautés biologiques qui se partagent un milieu physique. L’air, la terre, l’eau et les organismes vivants, y compris les êtres humains, interagissent pour former un écosystème. Fossilisation: Ensemble des processus qui permettent le passage de la matière organique d'un organisme mort à une empreinte minérale. Pour avoir une bonne fossilisation, il faut un taux de sédimentation important et un enfouissement rapide ainsi qu'un milieu anoxique (sans oxygène). Sédimentation: Formation de sédiments.
