UE libre UBO CLIMAT : Passé, présent, futur Le cycle du carbone et

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Chapitre 8
Chapitre 8
Le cycle du carbone
Le cycle du carbone
UE libre UBO
UE libre UBO
CLIMAT :
CLIMAT :
Pass
Passé é, pr , pré ésent, futur sent, futur
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Le cycle du carbone et
l’effet de serre anthropogène
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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.
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 Il est le constituant majeur de deux gaz à àeffet de serre, CO effet de serre, CO
2
2
et CH
et CH
4
4
sans lequel il ne saurait y avoir de vie sur terre.
sans lequel il ne saurait y avoir de vie sur terre.
Son recyclage influence particuli Son recyclage influence particuliè èrement la productivit rement la productivité ébiologique biologique
et le climat
et le climat.
Pourquoi faut
Pourquoi faut
-
-
il nous
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int
inté éresser au Carbone ? resser au Carbone ?
http://www.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/s3/cycle.carbone.html
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É
Évolution des concentrations volution des concentrations
de CO
de CO
2
2
et des
et des
temp
tempé ératures au cours des ratures au cours des
temps g
temps gé éologiques ologiques

2
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Le taux de CO
2
dans l'air peut varier:
• Selon les saisons.
• Activité volcanique.
• Combustion du carbone fossile par les humains.
Avant 1850 : 274 ppm
~1950 : 316 ppm
Actuellement: 351 ppm
Augmentation actuelle est
estimée à ~ 1,5 ppm par année
Le Carbone sur la Terre
Le Carbone sur la Terre
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On retrouve du carbone:
• Sous forme de CO
2
: 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).
Le Carbone sur la Terre
Le Carbone sur la Terre
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Le Carbone sur la Terre
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 106tonnes.
1 pétagramme (Pg) =1015 grammes ou 109tonnes.
1 gigatonne (Gt) = 109tonnes 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.
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Cycle Global du Carbone
Cycle Global du Carbone
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.

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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'est-
à-dire en milliards de tonnes
métriques de carbone.
En rouge: flux anthropiques
Le cycle Global du Carbone : r
Le cycle Global du Carbone : ré éservoirs et flux servoirs et flux
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…
…le cycle Global du Carbone : r le cycle Global du Carbone : ré éservoirs et flux servoirs et flux … …
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Au niveau des flux entre les
réservoirs, on évalue que le temps de
résidence d'un atome de carbone est
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 .
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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
carbone organique (Corg) et le carbone inorganique 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 C inorg est celui qui est associé à des composés inorganiques, c'est-à-
dire 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 CO
2
atmosphérique ou celui des calcaires CaCO
3
.
Carbone organique et inorganique
Carbone organique et inorganique
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Les océans absorbent beaucoup de CO
2
de l'air (=
tampon à CO
2
). Ce CO
2
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 CO
2
). Le déplacement des plaques
tectoniques permet l'échauffement des carbonates
déposés et leur transformation en CO
2
(volcanisme).
•
•Transformations du CO Transformations du CO
2
2
en mati
en matiè ère organique re organique
et de la mati
et de la matiè ère organique en CO re organique en CO
2
2
=
=
processus rapide
processus rapide
Chaque année, environ 1/7 du CO
2
est transformé en
végétation et autant de CO
2
est produit par
respiration.
…
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•
•Transformation du CO Transformation du CO
2
2
en carbonates et des
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carbonates en CO
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2
2
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= processus tr processus trè ès lent s lent
(millions d'ann
(millions d'anné ées). es).
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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 CO
2
en
Corg par la photosynthèse, et l'inverse, la conversion du Corg de la matière
organique en Cinorg par la respiration.
la photosynth photosynthè èse se qui utilise l'énergie
solaire pour synthétiser la matière
organique en fixant le carbone dans des
hydrates de carbone (CHO)
la respiration respiration est l'inverse de la
photosynthèse: à partir de l'oxygène
libre O
2
, elle transforme toute matière
organique en CO
2
La fermentation fermentation produit du dioxyde de
carbone et du méthane (l'hydrocarbure
le plus simple, avec une seule molécule
de carbone).
Le cycle (court) du Carbone organique
Le cycle (court) du Carbone organique
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Le cycle (long) du Carbone organique
Le cycle (long) du Carbone organique
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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.
Les flux de carbone reliés à ces
processus sont faibles; en revanche,
les réservoirs sont immenses et le
temps impliqué très long.
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L'échange entre le CO
2
atmosphérique et
le CO
2
de la surface des océans a tendance
à se maintenir à l'équilibre.
L'altération chimique des roches
continentales convertit le CO
2
dissout dans
les eaux météoriques (eaux de pluies et des
sols) en HCO
3-
qui est transporté dans les
océans par les eaux de ruissellement.
Les organismes combinent ce HCO
3-
au Ca
2+
pour secréter leur squelette ou leur
coquille de CaCO
3
. Une partie de ce CaCO
3
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 CO
2
émis par les volcans.
Le cycle du Carbone
Le cycle du Carbone
inorganique
inorganique
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Le bilan global actuel «naturel» du CO
2
en GtC/an (1 GtC = 10
15
gG)

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Le bilan global actuel perturbé du CO 2 en GtC/an (1 GtC =10
15
gC)
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Le bilan global actuel perturbé du CO 2 en GtC/an (1 GtC = 10
15
gC)
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Le cycle du Carbone oc
Le cycle du Carbone oc
é
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anique
anique