Cycle du carbone - Carbon cycle
| Fait partie d'une série sur le |
| Cycle du carbone |
|---|
 |
Le cycle du carbone est le cycle biogéochimique par lequel le carbone est échangé entre la biosphère , la pédosphère , la géosphère , l' hydrosphère et l' atmosphère de la Terre . Le carbone est le composant principal des composés biologiques ainsi qu'un composant majeur de nombreux minéraux tels que le calcaire . Avec le cycle de l' azote et le cycle de l' eau , le cycle du carbone comprend une séquence d'événements qui sont essentiels pour rendre la Terre capable de soutenir la vie. Il décrit le mouvement du carbone au fur et à mesure qu'il est recyclé et réutilisé dans toute la biosphère, ainsi que les processus à long terme de séquestration et de libération du carbone vers les puits de carbone . Les puits de carbone terrestres et océaniques absorbent actuellement environ un quart des émissions anthropiques de carbone chaque année.
Les humains ont perturbé le cycle biologique du carbone pendant de nombreux siècles en modifiant l'utilisation des terres, et de plus avec l' extraction récente à l'échelle industrielle de carbone fossile ( extraction de charbon , de pétrole et de gaz , et fabrication de ciment ) de la géosphère. Le dioxyde de carbone dans l'atmosphère avait augmenté de près de 52 % par rapport aux niveaux préindustriels d'ici 2020, forçant un réchauffement accru de l' atmosphère et de la surface de la Terre par le Soleil. L'augmentation du dioxyde de carbone a également augmenté l' acidité de la surface des océans d'environ 30 % en raison du dioxyde de carbone dissous, de l'acide carbonique et d'autres composés, et modifie fondamentalement la chimie marine . La majorité du carbone fossile a été extraite au cours du dernier demi-siècle seulement, et les taux continuent d'augmenter rapidement, contribuant au changement climatique d' origine humaine . Les conséquences les plus importantes sur le cycle du carbone et sur la biosphère, qui permet de manière critique la civilisation humaine, sont toujours en train de se produire en raison de l' inertie vaste mais limitée du système Terre . Le rétablissement de l'équilibre de ce système naturel est une priorité internationale, décrite à la fois dans l' Accord de Paris sur le climat et dans l'Objectif de développement durable 13 .
Composants principaux
| Fait partie d'une série sur |
| Cycles biogéochimiques |
|---|
 |
Le cycle du carbone a été décrit pour la première fois par Antoine Lavoisier et Joseph Priestley , et popularisé par Humphry Davy . Le cycle global du carbone est aujourd'hui généralement divisé en les principaux réservoirs de carbone suivants, interconnectés par des voies d'échange :
- L' atmosphère
- La biosphère terrestre
- L' océan , y compris le carbone inorganique dissous et le biote marin vivant et non vivant
- Les sédiments , y compris les combustibles fossiles , les systèmes d'eau douce et les matières organiques non vivantes.
- L'intérieur de la Terre ( manteau et croûte ). Ces réserves de carbone interagissent avec les autres composants par le biais de processus géologiques.
Les échanges de carbone entre réservoirs résultent de divers processus chimiques, physiques, géologiques et biologiques. L'océan contient le plus grand réservoir actif de carbone près de la surface de la Terre. Les flux naturels de carbone entre l'atmosphère, l'océan, les écosystèmes terrestres et les sédiments sont assez équilibrés ; les niveaux de carbone seraient donc à peu près stables sans influence humaine.
Atmosphère
Le carbone dans l'atmosphère terrestre existe sous deux formes principales : le dioxyde de carbone et le méthane . Ces deux gaz absorbent et retiennent la chaleur dans l'atmosphère et sont en partie responsables de l' effet de serre . Le méthane produit un effet de serre par volume plus important que le dioxyde de carbone, mais il existe en concentrations beaucoup plus faibles et a une durée de vie plus courte que le dioxyde de carbone, faisant du dioxyde de carbone le gaz à effet de serre le plus important des deux.
Le dioxyde de carbone est éliminé de l'atmosphère principalement par photosynthèse et pénètre dans les biosphères terrestres et océaniques. Le dioxyde de carbone se dissout également directement de l'atmosphère dans les plans d'eau (océan, lacs, etc.), ainsi que dans les précipitations lorsque les gouttes de pluie tombent dans l'atmosphère. Lorsqu'il est dissous dans l'eau, le dioxyde de carbone réagit avec les molécules d'eau et forme de l'acide carbonique , qui contribue à l'acidité des océans. Il peut ensuite être absorbé par les roches par altération. Il peut également acidifier d'autres surfaces qu'il touche ou être emporté dans l'océan.
Les activités humaines au cours des deux derniers siècles ont augmenté la quantité de carbone dans l'atmosphère de près de 50 % à partir de 2020, principalement sous forme de dioxyde de carbone, à la fois en modifiant la capacité des écosystèmes à extraire le dioxyde de carbone de l'atmosphère et en l'émettant directement, par exemple en brûlant des combustibles fossiles et en fabriquant du béton.
Dans un avenir lointain (2 à 3 milliards d'années), le taux d'absorption du dioxyde de carbone dans le sol via le cycle carbonate-silicate augmentera probablement en raison des changements attendus du soleil à mesure qu'il vieillit. L'augmentation attendue de la luminosité du Soleil accélérera probablement le taux d'altération de la surface. Cela finira par entraîner le rejet de la majeure partie du dioxyde de carbone dans l'atmosphère dans la croûte terrestre sous forme de carbonate. Une fois que la concentration de dioxyde de carbone dans l'atmosphère tombe en dessous d'environ 50 parties par million (les tolérances varient selon les espèces), la photosynthèse en C 3 ne sera plus possible. Cela a été prédit pour se produire 600 millions d'années à partir du présent, bien que les modèles varient.
Une fois que les océans de la Terre se seront évaporés dans environ 1,1 milliard d'années, la tectonique des plaques s'arrêtera très probablement en raison du manque d'eau pour les lubrifier. L'absence de volcans pompant du dioxyde de carbone entraînera la fin du cycle du carbone entre 1 milliard et 2 milliards d'années dans le futur.
Biosphère terrestre
La biosphère terrestre comprend le carbone organique de tous les organismes terrestres vivants et morts, ainsi que le carbone stocké dans les sols . Environ 500 gigatonnes de carbone sont stockées au-dessus du sol dans les plantes et autres organismes vivants, tandis que le sol contient environ 1 500 gigatonnes de carbone. La majeure partie du carbone de la biosphère terrestre est du carbone organique, tandis qu'environ un tiers du carbone du sol est stocké sous des formes inorganiques, telles que le carbonate de calcium . Le carbone organique est un composant majeur de tous les organismes vivant sur terre. Les autotrophes l' extraient de l'air sous forme de dioxyde de carbone, le convertissant en carbone organique, tandis que les hétérotrophes reçoivent du carbone en consommant d'autres organismes.
Étant donné que l'absorption de carbone dans la biosphère terrestre dépend de facteurs biotiques, elle suit un cycle diurne et saisonnier. En CO
2mesures, cette caractéristique est apparente dans la courbe de Keeling . Il est le plus fort dans l' hémisphère nord car cet hémisphère a plus de masse terrestre que l'hémisphère sud et donc plus de place pour que les écosystèmes absorbent et émettent du carbone.
Le carbone quitte la biosphère terrestre de plusieurs manières et à différentes échelles de temps. La combustion ou la respiration du carbone organique le libère rapidement dans l'atmosphère. Il peut également être exporté dans l'océan par les rivières ou rester séquestré dans les sols sous forme de carbone inerte. Le carbone stocké dans le sol peut y rester jusqu'à des milliers d'années avant d'être entraîné dans les rivières par l' érosion ou rejeté dans l'atmosphère par la respiration du sol . Entre 1989 et 2008, la respiration du sol a augmenté d'environ 0,1 % par an. En 2008, le total mondial de CO
2libérée par la respiration du sol était d'environ 98 milliards de tonnes, soit environ 10 fois plus de carbone que ce que les humains mettent maintenant dans l'atmosphère chaque année en brûlant des combustibles fossiles (cela ne représente pas un transfert net de carbone du sol à l'atmosphère, car la respiration est largement compensée par les apports au carbone du sol). Il y a quelques explications plausibles à cette tendance, mais l'explication la plus probable est que l'augmentation des températures a augmenté les taux de décomposition de la matière organique du sol , ce qui a augmenté le flux de CO
2. La durée de séquestration du carbone dans le sol dépend des conditions climatiques locales et donc des changements au cours du changement climatique .
| Piscine | Quantité (gigatonnes) |
|---|---|
| Atmosphère | 720 |
| Océan (total) | 38 400 |
| Inorganique totale | 37 400 |
| Total biologique | 1 000 |
| Couche de surface | 670 |
| Couche profonde | 36 730 |
| Lithosphère | |
| Carbonates sédimentaires | > 60 000 000 |
| Kérogènes | 15 000 000 |
| Biosphère terrestre (totale) | 2 000 |
| Biomasse vivante | 600 – 1 000 |
| Biomasse morte | 1 200 |
| Biosphère aquatique | 1 - 2 |
| Combustibles fossiles (total) | 4.130 |
| Charbon | 3 510 |
| Huile | 230 |
| Gaz | 140 |
| Autre ( tourbe ) | 250 |
océan
L'océan peut être conceptuellement divisé en une couche de surface au sein de laquelle l'eau est en contact fréquent (quotidien à annuel) avec l'atmosphère, et une couche profonde en dessous de la profondeur typique de la couche mixte de quelques centaines de mètres ou moins, dans laquelle le temps entre les contacts consécutifs peut-être des siècles. Le carbone inorganique dissous (DIC) dans la couche de surface est échangé rapidement avec l'atmosphère, maintenant l'équilibre. En partie parce que sa concentration de DIC est environ 15 % plus élevée, mais principalement en raison de son plus grand volume, l'océan profond contient beaucoup plus de carbone - c'est le plus grand réservoir de carbone activement cyclé au monde, contenant 50 fois plus que l'atmosphère - mais le L'échelle de temps pour atteindre l'équilibre avec l'atmosphère est de plusieurs centaines d'années : l'échange de carbone entre les deux couches, entraîné par la circulation thermohaline , est lent.
Le carbone pénètre dans l'océan principalement par la dissolution du dioxyde de carbone atmosphérique, dont une petite fraction est convertie en carbonate . Il peut également pénétrer dans l'océan par les rivières sous forme de carbone organique dissous . Il est converti par les organismes en carbone organique par photosynthèse et peut être soit échangé tout au long de la chaîne alimentaire, soit précipité dans les couches plus profondes et plus riches en carbone des océans sous forme de tissus mous morts ou dans des coquilles sous forme de carbonate de calcium . Il circule dans cette couche pendant de longues périodes avant de se déposer sous forme de sédiment ou, éventuellement, de retourner aux eaux de surface par circulation thermohaline. Les océans sont basiques (~pH 8,2), d'où le CO
2 l'acidification déplace le pH de l'océan vers la neutralité.
Absorption océanique du CO
2est l'une des formes les plus importantes de séquestration du carbone qui limite l'augmentation anthropique du dioxyde de carbone dans l'atmosphère. Cependant, ce processus est limité par un certain nombre de facteurs. CO
2l'absorption rend l'eau plus acide, ce qui affecte les biosystèmes océaniques. Le taux prévu d'augmentation de l'acidité océanique pourrait ralentir la précipitation biologique des carbonates de calcium , diminuant ainsi la capacité de l'océan à absorber le CO
2.
Géosphère
La composante géologique du cycle du carbone fonctionne lentement par rapport aux autres parties du cycle global du carbone. C'est l'un des déterminants les plus importants de la quantité de carbone dans l'atmosphère, et donc des températures globales.
La majeure partie du carbone terrestre est stockée de manière inerte dans la lithosphère terrestre . Une grande partie du carbone stocké dans le manteau terrestre y était stocké lorsque la terre s'est formée. Une partie s'est déposée sous forme de carbone organique de la biosphère. Du carbone stocké dans la géosphère, environ 80% est du calcaire et ses dérivés, qui se forment à partir de la sédimentation du carbonate de calcium stocké dans les coquilles des organismes marins. Les 20 % restants sont stockés sous forme de kérogènes formés par la sédimentation et l'enfouissement d'organismes terrestres soumis à une chaleur et une pression élevées. Le carbone organique stocké dans la géosphère peut y rester pendant des millions d'années.
Le carbone peut quitter la géosphère de plusieurs manières. Le dioxyde de carbone est libéré lors du métamorphisme des roches carbonatées lorsqu'elles sont subductées dans le manteau terrestre. Ce dioxyde de carbone peut être libéré dans l'atmosphère et l'océan par les volcans et les points chauds . Il peut également être éliminé par l'homme grâce à l'extraction directe de kérogènes sous forme de combustibles fossiles . Après extraction, les combustibles fossiles sont brûlés pour libérer de l'énergie et émettre le carbone qu'ils stockent dans l'atmosphère.
Le carbone terrestre dans le cycle de l'eau
Dans le schéma de droite :
- Les particules atmosphériques agissent comme des noyaux de condensation des nuages , favorisant la formation des nuages.
- Les gouttes de pluie absorbent le carbone organique et inorganique par le piégeage des particules et l'adsorption des vapeurs organiques tout en tombant vers la Terre.
- Les brûlures et les éruptions volcaniques produisent des molécules aromatiques polycycliques hautement condensées (c.-à-d. du noir de carbone ) qui sont renvoyées dans l'atmosphère avec des gaz à effet de serre tels que le CO 2 .
- Les plantes terrestres fixent le CO 2 atmosphérique par photosynthèse , en renvoyant une fraction dans l' atmosphère par la respiration . La lignine et les celluloses représentent jusqu'à 80 % du carbone organique des forêts et 60 % des pâturages.
- La litière et le carbone organique des racines se mélangent à des matériaux sédimentaires pour former des sols organiques où le carbone organique d'origine végétale et pétrogénique est à la fois stocké et transformé par l'activité microbienne et fongique.
- L' eau absorbe plante et dérivée d' aérosol et qui est réglée de carbone organique dissous (DOC) et le carbone inorganique dissous (DIC) lorsqu'il passe sur les couverts forestiers ( à savoir throughfall ) et le long des troncs de plantes / tiges (c. -à- stemflow ). Les transformations biogéochimiques se produisent lorsque l'eau s'infiltre dans la solution du sol et les réservoirs d'eaux souterraines et l' écoulement terrestre se produit lorsque les sols sont complètement saturés ou que les précipitations se produisent plus rapidement que la saturation dans les sols.
- Carbone organique issu de la biosphère terrestre et in situ de la production primaire est décomposé par les communautés microbiennes dans les rivières et cours d' eau en même temps que la décomposition physique ( photo-oxydation ), résultant en un flux de CO 2 à partir de cours d' eau dans l'atmosphère qui sont du même ordre de magnitude comme la quantité de carbone séquestrée chaque année par la biosphère terrestre. Les macromolécules d'origine terrestre telles que la lignine et le noir de carbone sont décomposées en composants et monomères plus petits , pour finalement être converties en CO 2 , en intermédiaires métaboliques ou en biomasse .
- Les lacs, les réservoirs et les plaines inondables stockent généralement de grandes quantités de carbone organique et de sédiments, mais subissent également une hétérotrophie nette dans la colonne d'eau, ce qui entraîne un flux net de CO 2 dans l'atmosphère inférieur d'environ un ordre de grandeur à celui des rivières. La production de méthane est également généralement élevée dans les sédiments anoxiques des plaines inondables, des lacs et des réservoirs.
- La production primaire est généralement améliorée dans les panaches fluviaux en raison de l'exportation de nutriments fluviaux . Néanmoins, les eaux estuariennes sont une source de CO 2 dans l'atmosphère, à l'échelle mondiale.
- Les marais côtiers stockent et exportent du carbone bleu . Il est suggéré que les marais et les zones humides ont un flux de CO 2 dans l'atmosphère équivalent à celui des rivières, à l'échelle mondiale.
- Les plateaux continentaux et la haute mer absorbent généralement le CO 2 de l'atmosphère.
- La pompe biologique marine séquestre une fraction faible mais significative du CO 2 absorbé sous forme de carbone organique dans les sédiments marins (voir section suivante).
La pompe biologique marine
La pompe biologique marine est la séquestration par l'océan du carbone de l'atmosphère et du ruissellement terrestre vers l'intérieur de l'océan profond et les sédiments du fond marin . La pompe biologique n'est pas tant le résultat d'un seul processus, mais plutôt la somme d'un certain nombre de processus dont chacun peut influencer le pompage biologique. La pompe transfère environ 11 milliards de tonnes de carbone chaque année à l'intérieur de l'océan. Un océan sans pompe biologique entraînerait des niveaux de CO 2 atmosphériques supérieurs d'environ 400 ppm à ceux d'aujourd'hui.
La plupart du carbone incorporé dans la matière biologique organique et inorganique se forme à la surface de la mer où il peut alors commencer à couler au fond de l'océan. L'océan profond tire la plupart de ses nutriments de la colonne d'eau supérieure lorsqu'elle s'enfonce sous forme de neige marine . Celui-ci est composé d'animaux et de microbes morts ou mourants, de matières fécales, de sable et d'autres matières inorganiques.
La pompe biologique est chargée de transformer le carbone inorganique dissous (DIC) en biomasse organique et de le pomper sous forme particulaire ou dissoute dans l'océan profond. Les nutriments inorganiques et le dioxyde de carbone sont fixés lors de la photosynthèse par le phytoplancton, qui à la fois libère de la matière organique dissoute (MOD) et est consommé par le zooplancton herbivore. Le zooplancton plus gros - comme les copépodes , les boulettes fécales d' egest - qui peut être réingéré et couler ou se rassembler avec d'autres détritus organiques dans des agrégats plus gros et qui coulent plus rapidement. La DOM est partiellement consommée par les bactéries et respirée ; la MOM réfractaire restante est advectée et mélangée dans la mer profonde. La MOD et les agrégats exportés dans les eaux profondes sont consommés et respirés, renvoyant ainsi du carbone organique dans l'énorme réservoir océanique profond du DIC.
Une seule cellule de phytoplancton a un taux de chute d'environ un mètre par jour. Étant donné que la profondeur moyenne de l'océan est d'environ quatre kilomètres, cela peut prendre plus de dix ans pour que ces cellules atteignent le fond de l'océan. Cependant, grâce à des processus tels que la coagulation et l'expulsion dans les boulettes fécales des prédateurs, ces cellules forment des agrégats. Ces agrégats ont des taux de chute de plusieurs ordres de grandeur supérieurs à ceux des cellules individuelles et terminent leur voyage vers les profondeurs en quelques jours.
Environ 1% des particules quittant la surface de l'océan atteignent le fond marin et sont consommées, respirées ou enfouies dans les sédiments. L'effet net de ces processus est d'éliminer le carbone sous forme organique de la surface et de le renvoyer au DIC à de plus grandes profondeurs, en maintenant un gradient océanique de surface à profond de DIC. La circulation thermohaline renvoie le CID des grands fonds dans l'atmosphère à des échelles de temps millénaires. Le carbone enfoui dans les sédiments peut être subduit dans le manteau terrestre et stocké pendant des millions d'années dans le cadre du cycle lent du carbone (voir la section suivante).
Cycles rapides et lents
Le cycle rapide du carbone opère à travers la biosphère, voir schéma en début d'article ↑
Il existe un cycle du carbone rapide et un cycle lent. Le cycle rapide opère dans la biosphère et le cycle lent opère dans les roches . Le cycle rapide ou biologique peut se terminer en quelques années, déplaçant le carbone de l'atmosphère vers la biosphère, puis de nouveau vers l'atmosphère. Le cycle lent ou géologique peut prendre des millions d'années pour se terminer, déplaçant le carbone à travers la croûte terrestre entre les roches, le sol, l'océan et l'atmosphère.
Le cycle rapide du carbone implique des processus biogéochimiques à relativement court terme entre l'environnement et les organismes vivants de la biosphère (voir schéma en début d'article ). Il comprend les mouvements du carbone entre l'atmosphère et les écosystèmes terrestres et marins, ainsi que les sols et les sédiments des fonds marins. Le cycle rapide comprend des cycles annuels impliquant la photosynthèse et des cycles décennaux impliquant la croissance végétative et la décomposition. Les réactions du cycle rapide du carbone aux activités humaines détermineront bon nombre des impacts les plus immédiats du changement climatique.
Le cycle lent du carbone met en jeu des processus géochimiques à moyen et long terme appartenant au cycle de la roche (voir schéma à droite). L'échange entre l'océan et l'atmosphère peut prendre des siècles, et l'altération des roches peut prendre des millions d'années. Le carbone dans l'océan précipite au fond de l'océan où il peut former des roches sédimentaires et être subduit dans le manteau terrestre . Les processus de construction des montagnes entraînent le retour de ce carbone géologique à la surface de la Terre. Là, les roches sont altérées et le carbone est renvoyé dans l'atmosphère par dégazage et dans l'océan par les rivières. D'autres carbones géologiques retournent dans l'océan par l' émission hydrothermale d'ions calcium. Au cours d'une année donnée, entre 10 et 100 millions de tonnes de carbone se déplacent autour de ce cycle lent. Cela inclut les volcans qui renvoient du carbone géologique directement dans l'atmosphère sous forme de dioxyde de carbone. Cependant, cela représente moins d'un pour cent du dioxyde de carbone rejeté dans l'atmosphère par la combustion de combustibles fossiles.
Cycle profond du carbone
Bien que le cycle profond du carbone ne soit pas aussi bien compris que le mouvement du carbone dans l'atmosphère, la biosphère terrestre, l'océan et la géosphère, il s'agit néanmoins d'un processus important. Le cycle profond du carbone est intimement lié au mouvement du carbone à la surface de la Terre et dans l'atmosphère. Si le processus n'existait pas, le carbone resterait dans l'atmosphère, où il s'accumulerait à des niveaux extrêmement élevés sur de longues périodes de temps. Par conséquent, en permettant au carbone de retourner sur Terre, le cycle profond du carbone joue un rôle essentiel dans le maintien des conditions terrestres nécessaires à l'existence de la vie.
De plus, le processus est également important simplement en raison des quantités massives de carbone qu'il transporte à travers la planète. En fait, l'étude de la composition du magma basaltique et la mesure du flux de dioxyde de carbone sortant des volcans révèlent que la quantité de carbone dans le manteau est en fait supérieure à celle à la surface de la Terre d'un facteur mille. Le forage et l'observation physique des processus du carbone dans les profondeurs de la Terre sont évidemment extrêmement difficiles, car le manteau inférieur et le noyau s'étendent respectivement de 660 à 2 891 km et de 2 891 à 6 371 km de profondeur dans la Terre. Par conséquent, on ne sait pas grand-chose de manière concluante sur le rôle du carbone dans les profondeurs de la Terre. Néanmoins, plusieurs éléments de preuve, dont beaucoup proviennent de simulations en laboratoire des conditions de la Terre profonde, ont indiqué les mécanismes du mouvement de l'élément vers le bas du manteau, ainsi que les formes que prend le carbone aux températures et pressions extrêmes de ladite couche. De plus, des techniques comme la sismologie ont permis de mieux comprendre la présence potentielle de carbone dans le noyau terrestre.
Carbone dans le manteau inférieur
.png)
Le carbone pénètre principalement dans le manteau sous forme de sédiments riches en carbonates sur les plaques tectoniques de la croûte océanique, qui attirent le carbone dans le manteau lors de la subduction . On ne sait pas grand-chose sur la circulation du carbone dans le manteau, en particulier dans les profondeurs de la Terre, mais de nombreuses études ont tenté d'améliorer notre compréhension du mouvement et des formes de l'élément dans la région. Par exemple, une étude de 2011 a démontré que le cycle du carbone s'étend jusqu'au manteau inférieur . L'étude a analysé des diamants rares et très profonds sur un site à Juina, au Brésil , déterminant que la composition en vrac de certaines des inclusions de diamants correspondait au résultat attendu de la fusion et de la cristallisation du basalte sous des températures et des pressions du manteau plus basses. Ainsi, les résultats de l'enquête indiquent que des morceaux de lithosphère océanique basaltique agissent comme le principal mécanisme de transport du carbone vers l'intérieur profond de la Terre. Ces carbonates subductés peuvent interagir avec les silicates du manteau inférieur , formant éventuellement des diamants très profonds comme celui trouvé.
Cependant, les carbonates descendant vers le manteau inférieur rencontrent d'autres destins en plus de former des diamants. En 2011, les carbonates ont été soumis à un environnement similaire à celui de 1800 km de profondeur dans la Terre, bien à l'intérieur du manteau inférieur. Cela a entraîné la formation de magnésite , de sidérite et de nombreuses variétés de graphite . D'autres expériences, ainsi que des observations pétrologiques , appuient cette affirmation, indiquant que la magnésite est en fait la phase carbonatée la plus stable dans la majeure partie du manteau. Ceci est largement dû à sa température de fusion plus élevée. Par conséquent, les scientifiques ont conclu que les carbonates subissent une réduction lorsqu'ils descendent dans le manteau avant d'être stabilisés en profondeur par des environnements à faible fugacité d'oxygène . Le magnésium, le fer et d'autres composés métalliques agissent comme tampons tout au long du processus. La présence de formes élémentaires réduites de carbone comme le graphite indiquerait que les composés de carbone sont réduits à mesure qu'ils descendent dans le manteau.
Le polymorphisme altère la stabilité des composés carbonatés à différentes profondeurs de la Terre. À titre d'exemple, des simulations en laboratoire et des calculs de théorie fonctionnelle de la densité suggèrent que les carbonates à coordination tétraédrique sont plus stables à des profondeurs approchant la limite noyau-manteau . Une étude de 2015 indique que la haute pression du manteau inférieur provoque la transition des liaisons carbone des orbitales hybrides sp 2 à sp 3 , entraînant une liaison tétraédrique du carbone à l'oxygène. Les groupes trigonaux CO 3 ne peuvent pas former de réseaux polymérisables, alors que le CO 4 tétraédrique le peut, ce qui signifie une augmentation du nombre de coordination du carbone et donc des changements drastiques dans les propriétés des composés carbonates dans le manteau inférieur. A titre d'exemple, des études théoriques préliminaires suggèrent qu'une pression élevée provoque une augmentation de la viscosité à l'état fondu du carbonate ; la mobilité plus faible du bain en raison de sa viscosité accrue provoque d'importants dépôts de carbone profondément dans le manteau.
En conséquence, le carbone peut rester dans le manteau inférieur pendant de longues périodes, mais de grandes concentrations de carbone retournent fréquemment dans la lithosphère. Ce processus, appelé dégazage de carbone, est le résultat de la fusion du manteau carbonaté par décompression, ainsi que des panaches du manteau transportant des composés de carbone vers la croûte. Le carbone est oxydé lors de son ascension vers les points chauds volcaniques, où il est ensuite libéré sous forme de CO 2 . Cela se produit de sorte que l'atome de carbone correspond à l'état d'oxydation des basaltes qui éclatent dans ces zones.
Carbone dans le noyau
Bien que la présence de carbone dans le noyau terrestre soit bien limitée, des études récentes suggèrent que d'importants inventaires de carbone pourraient être stockés dans cette région. Les ondes de cisaillement (S) se déplaçant à travers le noyau interne se déplacent à environ cinquante pour cent de la vitesse attendue pour la plupart des alliages riches en fer. Étant donné que la composition du noyau est censée être un alliage de fer cristallin et d'une petite quantité de nickel, cette anomalie sismique indique la présence d'éléments légers, dont du carbone, dans le noyau. En fait, des études utilisant des cellules à enclume de diamant pour reproduire les conditions dans le noyau terrestre indiquent que le carbure de fer (Fe 7 C 3 ) correspond à la vitesse et à la densité des ondes du noyau interne. Par conséquent, le modèle du carbure de fer pourrait servir de preuve que le noyau contient jusqu'à 67 % du carbone de la Terre. De plus, une autre étude a révélé que dans les conditions de pression et de température du noyau interne de la Terre, le carbone se dissolvait dans le fer et formait une phase stable avec la même composition Fe 7 C 3 - bien qu'avec une structure différente de celle mentionnée précédemment. En résumé, bien que la quantité de carbone potentiellement stockée dans le noyau terrestre ne soit pas connue, des études récentes indiquent que la présence de carbures de fer peut expliquer certaines des observations géophysiques.
Influence humaine sur le cycle du carbone
2ont été causées par différentes sources montées en puissance les unes après les autres ( Global Carbon Project )
2les émissions montrent que la plupart des émissions sont absorbées par les puits de carbone, y compris la croissance des plantes, l'absorption par le sol et l'absorption par les océans ( Global Carbon Project )
Depuis la révolution industrielle , et surtout depuis la fin de la Seconde Guerre mondiale , l'activité humaine a considérablement perturbé le cycle mondial du carbone en redistribuant des quantités massives de carbone de la géosphère. Les humains ont également continué à modifier les fonctions des composants naturels de la biosphère terrestre avec des changements dans la végétation et d'autres utilisations des terres. Des composés de carbone artificiels (synthétiques) ont été conçus et fabriqués en série et persisteront pendant des décennies voire des millénaires dans l'air, l'eau et les sédiments en tant que polluants. Le changement climatique amplifie et force d'autres changements humains indirects au cycle du carbone en conséquence de diverses rétroactions positives et négatives .
Changements d'utilisation des terres
Depuis l'invention de l'agriculture, l'homme a directement et progressivement influencé le cycle du carbone sur des échelles de temps centenaires en modifiant le mélange de végétation dans la biosphère terrestre. Au cours des derniers siècles, l'utilisation directe et indirecte des terres et la modification de la couverture terrestre (LUCC) causées par l'homme ont entraîné la perte de biodiversité , ce qui réduit la résilience des écosystèmes aux stress environnementaux et diminue leur capacité à éliminer le carbone de l'atmosphère. Plus directement, elle conduit souvent à la libération de carbone des écosystèmes terrestres dans l'atmosphère.
La déforestation à des fins agricoles supprime les forêts, qui contiennent de grandes quantités de carbone, et les remplace, généralement par des zones agricoles ou urbaines. Ces deux types de couverture terrestre de remplacement stockent des quantités relativement faibles de carbone, de sorte que le résultat net de la transition est qu'une plus grande quantité de carbone reste dans l'atmosphère. Cependant, les effets sur l'atmosphère et le cycle global du carbone peuvent être intentionnellement et/ou naturellement inversés grâce au reboisement .
Extraction de carbone fossile
L'impact humain le plus important et l'un des plus croissants sur le cycle du carbone et la biosphère est l'extraction et la combustion de combustibles fossiles , qui transfèrent directement le carbone de la géosphère dans l'atmosphère. Du dioxyde de carbone est également produit et libéré lors de la calcination du calcaire pour la production de clinker . Le clinker est un précurseur industriel du ciment .
En 2020, environ 450 gigatonnes de carbone fossile ont été extraites au total ; une quantité approchant le carbone contenu dans toute la biomasse terrestre vivante de la Terre. Les taux récents d'émissions mondiales directement dans l'atmosphère ont dépassé l'absorption par la végétation et les océans. On s'attendait à ce que ces puits éliminent environ la moitié du carbone atmosphérique ajouté en un siècle environ. Néanmoins, les puits comme l'océan ont des propriétés de saturation évolutives , et une fraction substantielle (20-35%, sur la base de modèles couplés ) du carbone ajouté devrait rester dans l'atmosphère pendant des siècles voire des millénaires. L'extraction de carbone fossile qui augmente les gaz à effet de serre atmosphériques est ainsi décrite par le GIEC, les scientifiques de l'atmosphère et des océans comme un engagement à long terme de la société à vivre dans un climat changeant et, finalement, un monde plus chaud.
Produits chimiques artificiels
De plus petites quantités de produits pétrochimiques artificiels , contenant du carbone fossile, peuvent avoir des effets inattendus et démesurés sur le cycle biologique du carbone. Cela se produit en partie parce qu'ils ont été délibérément créés par les humains pour se décomposer lentement, ce qui permet leur persistance et leur accumulation non naturelles dans toute la biosphère. Dans de nombreux cas, leurs voies à travers le cycle plus large du carbone ne sont pas encore bien caractérisées ou comprises.
Plastiques
Près de 400 millions de tonnes de plastique ont été fabriquées dans le monde au cours de l'année 2018, avec des taux de croissance annuels approchant les 10 %, et plus de 6 gigatonnes produites au total depuis 1950. Les plastiques finissent par subir une fragmentation comme première étape typique de leur décomposition, ce qui permet leur distribution à grande échelle. par les courants d'air et d'eau. Les animaux intériorisent facilement les microplastiques et les nanoplastiques par ingestion et inhalation, ce qui s'accompagne de risques de bioaccumulation . Les plastiques biodégradables placés dans des décharges génèrent du méthane et du dioxyde de carbone qui circulent dans l'atmosphère à moins qu'ils ne soient capturés. Un examen majeur des preuves scientifiques de l'année 2019 n'a pas identifié de conséquences majeures pour la société humaine aux niveaux actuels, mais prévoit des risques substantiels émergents au cours du siècle prochain. Une étude de 2019 a indiqué que la dégradation des plastiques par exposition au soleil libère à la fois du dioxyde de carbone et d'autres gaz à effet de serre. Les bioplastiques avec un cycle du carbone plus naturel et plus rapide ont été développés comme alternative aux autres plastiques à usage unique à base de pétrole .
Halocarbures
Les halocarbures sont des composés moins prolifiques développés pour diverses utilisations dans l'industrie; par exemple comme solvants et réfrigérants . Néanmoins, l'accumulation de concentrations relativement faibles (parties par billion) de gaz chlorofluorocarbures , hydrofluorocarbures et perfluorocarbures dans l'atmosphère est responsable d'environ 10 % du forçage radiatif direct total de tous les gaz à effet de serre à longue durée de vie (année 2019); qui comprend le forçage des concentrations beaucoup plus importantes de dioxyde de carbone et de méthane. Les chlorofluorocarbures provoquent également l' appauvrissement de l'ozone stratosphérique . Des efforts internationaux sont en cours dans le cadre du Protocole de Montréal et du Protocole de Kyoto pour contrôler la croissance rapide de la fabrication industrielle et de l'utilisation de ces gaz puissants pour l'environnement. Pour certaines applications, des alternatives plus bénignes telles que les hydrofluorooléfines ont été développées et sont progressivement introduites.
représentées dans un modèle stylisé
Rétroactions sur le changement climatique
Les tendances actuelles du changement climatique entraînent une augmentation des températures et de l' acidité des océans , modifiant ainsi les écosystèmes marins. De plus, les pluies acides et les eaux de ruissellement polluées provenant de l'agriculture et de l'industrie modifient la composition chimique de l'océan. De tels changements peuvent avoir des effets dramatiques sur des écosystèmes très sensibles tels que les récifs coralliens , limitant ainsi la capacité de l'océan à absorber le carbone de l'atmosphère à l'échelle régionale et réduisant la biodiversité océanique à l'échelle mondiale.
Les échanges de carbone entre l'atmosphère et d'autres composants du système Terre, collectivement connus sous le nom de cycle du carbone, constituent actuellement d'importantes rétroactions négatives (amortissantes) sur l'effet des émissions de carbone anthropiques sur le changement climatique. Les puits de carbone terrestres et océaniques absorbent actuellement environ un quart des émissions anthropiques de carbone chaque année.
Ces rétroactions devraient s'affaiblir à l'avenir, amplifiant l'effet des émissions anthropiques de carbone sur le changement climatique. Le degré auquel ils s'affaibliront, cependant, est très incertain, les modèles du système terrestre prédisant un large éventail d'absorptions de carbone terrestre et océanique, même dans des scénarios de concentration atmosphérique ou d'émissions identiques. Les émissions de méthane dans l'Arctique causées indirectement par le réchauffement climatique anthropique affectent également le cycle du carbone et contribuent à un réchauffement supplémentaire.
Galerie
Epiphytes sur fils électriques. Ce type de plante prend à la fois du CO
2 et l'eau de l'atmosphère pour vivre et grandir.
CO
2dans l'atmosphère terrestre si la moitié des émissions du réchauffement climatique ne sont pas absorbées.
( simulation informatique de la NASA ).
L'activité humaine depuis l'ère industrielle a modifié l'équilibre du cycle naturel du carbone. Les unités sont en gigatonnes.
Voir également
- Cycle biogéochimique – Cycle des substances à travers les compartiments biotiques et abiotiques de la Terre
- Atténuation du changement climatique – Actions pour limiter l'ampleur du changement climatique et son impact sur les activités humaines
- Dioxyde de carbone dans l'atmosphère terrestre – Constituant atmosphérique ; gaz à effet de serre
- Empreinte carbone – Impact environnemental
- Séquestration du carbone – Capture et stockage à long terme du dioxyde de carbone atmosphérique
- Cycle carbonate-silicate - Transformation à long terme des roches silicatées en roches carbonatées par altération et sédimentation, et transformation des roches carbonatées en roches silicatées par métamorphisme et volcanisme
- L'acidification des océans
- Cycle du carbone du pergélisol
- Frontières planétaires – Concept impliquant les processus du système Terre
Les références
Lectures complémentaires
- Appenzeller, Tim (février 2004). "Le cas du carbone manquant" . Magazine National Geographic . (Article sur le puits de carbone manquant.)
- Houghton, RA (2005). "Le cycle du carbone contemporain". Dans William H Schlesinger (éd.). Biogéochimie . Amsterdam : Elsevier Science. pp. 473 -513. ISBN 978-0-08-044642-4.
- Janzen, HH (2004). "Cycle du carbone dans les systèmes terrestres - une perspective de la science du sol". Agriculture, écosystèmes et environnement . 104 (3) : 399-417. CiteSeerX 10.1.1.466.622 . doi : 10.1016/j.agee.2004.01.040 .
- Millero, Frank J. (2005). Océanographie chimique (3 éd.). Presse CRC. ISBN 978-0-8493-2280-8.
Liens externes
- Carbon Cycle Science Program – un partenariat interinstitutions.
- Groupe des gaz à effet de serre du cycle du carbone de la NOAA
- Global Carbon Project – initiative du Earth System Science Partnership
- PNUE – Le cycle actuel du carbone – Niveaux et flux de carbone liés au changement climatique
- L'observatoire du carbone en orbite de la NASA archivé le 9 septembre 2018 à la Wayback Machine
- CarboSchools , un site européen avec de nombreuses ressources pour étudier le cycle du carbone dans les écoles secondaires.
- Carbon and Climate , un site éducatif avec une applet du cycle du carbone pour modéliser votre propre projection.