UE libre UBO CLIMAT : Passé, présent, futur Le cycle du carbone et
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UE libre UBO CLIMAT : Passé, présent, futur Le cycle du carbone et l’effet de serre anthropogène Chapitre 8 Le cycle du carbone S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 1 Pourquoi faut-il nous intéresser au Carbone ? Le recyclage des éléments à travers les diverses composantes à la surface de la Planète est fortement lié au fait que la Terre est une planète vivante. S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 2 Évolution des concentrations de CO2 et des tempé températures au cours des temps gé géologiques L'élément le plus critique attaché à ce recyclage est sans contredit le carbone. Depuis que le cycle biologique du carbone est apparu sur Terre, il a en quelque sorte transformé cette planète en un système fermé qui assure sa continuité. Il est le constituant majeur de deux gaz à effet de serre, CO2 et CH4 sans lequel il ne saurait y avoir de vie sur terre. Son recyclage influence particuliè particulièrement la productivité productivité biologique et le climat. climat http://www.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/s3/cycle.carbone.html S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 3 S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 4 1 Le Carbone sur la Terre Le taux de CO2 dans l'air peut varier: Le Carbone sur la Terre On retrouve du carbone: • Selon les saisons. • Activité volcanique. • Combustion du carbone fossile par les humains. Avant 1850 : 274 ppm ~1950 : 316 ppm Actuellement: 351 ppm • Sous forme de CO2 : dans l'air et dans l'eau surtout. • Sous forme de matière organique (êtres vivants). • Sous forme de matière organique enfouie (charbon, pétrole). • Sous forme rocheuse (carbonates). Augmentation actuelle est estimée à ~ 1,5 ppm par année S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 5 S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 6 Cycle Global du Carbone Le Carbone sur la Terre Il y a sur la Terre une quantité finie mais extrêmement importante de carbone. Le carbone est présent dans les océans, les sols, les réserves de carbone fossile, la roche mère, l'atmosphère et la biomasse végétale. 1 téragramme (Tg) = 1012 grammes ou 106 tonnes. 1 pétagramme (Pg) = 1015 grammes ou 109 tonnes. 1 gigatonne (Gt) = 109 tonnes ou 1 Pg. 1 Pg =1 Gt. ppmv = Parties par million en volume. ppbv = Parties par milliard en volume. pptv = Parties par trillion en volume. On appelle cycle du carbone le déplacement du carbone, sous ses diverses formes, entre la surface de la Terre, son intérieur et l'atmosphère. Les principaux mécanismes de l'échange de carbone sont : la photosynthèse la respiration l'oxydation. Un transfert a lieu entre les organismes vivants, l'atmosphère, la terre et l'eau. Au cours des millions d'années, le cycle du carbone a concentré de grandes quantités de carbone dans la roche-mère, principalement sous forme de calcaire, et dans les combustibles fossiles. S. Speich N.Daniault UBO Climat 7_ 7 S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 8 2 Le cycle Global du Carbone : ré réservoirs et flux … le cycle Global du Carbone : ré réservoirs et flux … Au niveau des flux entre les réservoirs, on évalue que le temps de résidence d'un atome de carbone est Le cycle global du carbone et ses flux entre les quatre sphères "superficielles" de la Planète: lithosphère, hydrosphère, biosphère et atmosphère. Y est indiquée aussi la dimension des réservoirs de carbone impliqués, exprimée en Gtc (Gtc = gigatonnes en équivalent carbone), c'està-dire en milliards de tonnes métriques de carbone. de 4 ans dans l'atmosphère, de 11 ans dans la biosphère, de 385 ans dans l'hydrosphère superficielle (océan de 0 à 100 m), de plus de 100 Ka (milliers d'années) dans l'océan profond et de quelques 200 Ma (millions d'années) dans la lithosphère. En rouge: flux anthropiques http://www.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/s3/cycle.carbone.html http://www.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/s3/cycle.carbone.html S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 9 Carbone organique et inorganique Le cycle global du carbone implique des processus qui agissent en milieu terrestre et en milieu océanique et où interviennent des réactions chimiques biologiques et non-biologiques. Dans la nature, le carbone se retrouve sous deux formes: le carbone organique (Corg) et le carbone inorganique (Cinorg). Le Corg est celui qui est produit par des organismes vivants et qui est lié à d'autres carbones ou à des éléments comme l'hydrogène (H), l'azote (N) ou le phosphore (P) dans les molécules organiques ou les hydrocarbures. Le Cinorg est celui qui est associé à des composés inorganiques, c'est-àdire des composés qui ne sont pas et n'ont pas été du vivant et qui ne contiennent pas de lien C-C ou C-H, comme par exemple le carbone du CO2 atmosphérique ou celui des calcaires CaCO3. S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 11 S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 10 … le cycle Global du Carbone : ré réservoirs et flux 2… 2… • Transformations du CO2 en matiè matière organique et de la matiè matière organique en CO2 = processus rapide Chaque année, environ 1/7 du CO2 est transformé en végétation et autant de CO2 est produit par respiration. • Transformation du CO2 en carbonates et des carbonates en CO2 = processus trè très lent (millions d'anné d'années). Les océans absorbent beaucoup de CO2 de l'air (= tampon à CO2). Ce CO2 peut former des carbonates qui se déposent pour former des roches sédimentaires. La plus grande quantité de carbone est sous forme rocheuse (50 fois plus de carbone sous cette forme que sous forme de CO2). Le déplacement des plaques tectoniques permet l'échauffement des carbonates déposés et leur transformation en CO2 (volcanisme). http://www.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/s3/cycle.carbone.html S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 12 3 Le cycle (court) du Carbone organique Pour le cycle court, on parle de processus qui s'étalent sur des temps inférieurs au siècle. Le processus de base du recyclage du carbone à court terme est le couple photosynthèse-respiration, c'est-à-dire la conversion du Cinorg du CO2 en Corg par la photosynthèse, et l'inverse, la conversion du Corg de la matière organique en Cinorg par la respiration. la photosynthè photosynthèse qui utilise l'énergie solaire pour synthétiser la matière organique en fixant le carbone dans des hydrates de carbone (CHO) Le cycle (long) du Carbone organique Sur des échelles de temps beaucoup plus longues, ce sont les processus de nature géologique qui deviennent les contrôles les plus importants, des processus qui agissent sur des milliers et des millions d'années. Il s'agit de processus tels l'enfouissement des matières organiques dans les sédiments et roches sédimentaires, leur transformation en combustibles fossiles et leur altération (oxygénation) subséquente. la respiration est l'inverse de la photosynthèse: à partir de l'oxygène libre O2, elle transforme toute matière organique en CO2 La fermentation produit du dioxyde de carbone et du méthane (l'hydrocarbure le plus simple, avec une seule molécule de carbone). Les flux de carbone reliés à ces processus sont faibles; en revanche, les réservoirs sont immenses et le temps impliqué très long. http://www.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/s3/cycle.carb one.html S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 13 http://www.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/s3/cycle.carbone.html S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 14 Le bilan global actuel «naturel» du CO2 en GtC/an (1 GtC = 1015gG) Le cycle du Carbone inorganique L'échange entre le CO2 atmosphérique et le CO2 de la surface des océans a tendance à se maintenir à l'équilibre. L'altération chimique des roches continentales convertit le CO2 dissout dans les eaux météoriques (eaux de pluies et des sols) en HCO3- qui est transporté dans les océans par les eaux de ruissellement. Les organismes combinent ce HCO3- au Ca2+ pour secréter leur squelette ou leur coquille de CaCO3. Une partie de ce CaCO3 se dissout dans la colonne d'eau et sur les fonds océaniques; l'autre partie s'accumule sur les planchers océaniques et est éventuellement enfouie pour former des roches sédimentaires carbonatées. Ces dernières sont ramenées à la surface après plusieurs dizaines de millions d'années par les mouvements tectoniques reliés à la tectonique des plaques. Une partie du carbone des roches carbonatées est recyclée dans les magmas de subduction et retournée à l'atmosphère sous forme de CO2 émis par les volcans. http://www.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/s3/cycle.carbone.html S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 15 S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 16 4 Le bilan global actuel perturbé du CO2 en GtC/an (1 GtC =1015 gC) S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 17 Le bilan global actuel perturbé du CO2 en GtC/an (1 GtC = 1015gC) S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 18 Le cycle du Carbone océanique S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 19 S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 20 5 Problè Problème de la libé libération du Carbone par l’l’Homme Absorption océanique du CO2 • Pompe de solubilité régie par l’équilibre thermodynamique du CO2 : CO2 plus soluble dans les eaux froides des hautes latitudes qui sont des zones de formation d ’eaux denses => transfert du CO2 en profondeur = engrais océaniques • Pompe biologique : consommation de CO2 et de sels nutritifs pour la réaction de photosynthèse dans les eaux de surface ( conversion du CO2 en matière organique par le phytoplancton) => processus de transfert du carbone particulaire de la surface vers les eaux profondes où il est reminéralisé S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 21 Emissions de Carbone « anthropique » et teneur de CO2 atmosphé atmosphérique Il est estimé que la combustion des énergies fossiles et la déforestation ont relargué au total quelques 350 GtC dans l’atmosphère depuis 1800. Le CO2 étant une molécule stable dans l’atmosphère, une telle quantité aurait dû conduire à des concentrations atmosphériques en CO2 de l’ordre de 450 ppmv à la fin du XXème siècle. Or, il n’en est rien puisque l’augmentation observée en 1995 n’est que de 29%, au lieu de 60%. • Ceci indique que : l’augmentation du CO2 atmosphérique est d’origine anthropique et que les réservoirs naturels (océan et biosphère continentale) ont réabsorbés près de la moitié des rejets anthropiques. Cette libération est trop rapide, trop brutal. Augmentation des émissions de Carbone ⇒ augmentation du CO2 atmosphérique (et CH4) ⇒ augmentation de la température terrestre S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 22 Consé Conséquences des émissions « anthropiques » de carbone Le cycle du carbone est fortement perturbé par les activités humaines ; l’augmentation du CO2 atmosphérique représentant la partie émergée de l’iceberg “carbone”. Cette perturbation du CO2 se propage à la fois au climat terrestre à travers l’l’effet de serre du CO2, à la biomasse en tant qu’é qu’éllément constitutif de toutes les molé molécules organiques, et à la gé géochimie marine par acidification des eaux de surface. Une stabilisation du CO2 atmosphérique nécessitera en premier lieu une diminution des rejets anthropiques ; par contre, l’évolution de la capacité de stockage des systèmes naturels reste encore très mal connue. L e stockage du CO2 par la biosphère terrestre est beaucoup plus précaire que par les océans. En effet les temps de stockage dans la végétation ou les sols sont courts, quelques années à quelques décennies, tandis que les constantes de temps océaniques peuvent dépasser plusieurs siècles. S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 23 S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 24 6 Flux air-mer de CO2 Flux de CO2 CO2 anthropique : flux global net de CO2 non nul régions puits et source de CO2 non équilibrées puits sources Évaluation des flux globaux par modélisation numérique du système « Terre » (résultats de deux modèles différents) Flux de CO2 (mol CO2 m-2 an-1) CO2 anthropique : flux global net de CO2 non nul régions puits et source de CO2 non équilibrées flux global non résolu car forte variabilité saisonnière de la pression partielle de CO2 (pCO2) dans les eaux de surface de l ’océan => mesures en continu de pCO2eau et connaissance des processus conduisant à cette répartition S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 25 S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 26 Océ Océan : Pompe de solubilité solubilité 7 6 10e-2 moles/l.atm CO2 Solubility 5 4 3 2 -10 0 10 20 Temperature 30 40 50 Section Nord sud de la température de l’eau (Atlantique) A l’équilibre pCO2 océan= pCO2 atmosphère Dans l’atmosphère pCO2 = 365ppm Là où l’eau se refroidit, solubilité augmente, pCO2 en eau de surface diminue à concentration constante elle pompe du CO2 depuis l’atmosphère Là où elle se réchauffe, c’est le contraire, et elle dégaze du CO2 : upwellings C’est la pompe physique S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 27 S.Speich - N.Daniault UBO Climat 7_ 28 7
