Histoire de la Terre et de la vie - Actualités géologiques

Energies et climat

Le cycle du carbone

Dissolution des calcaires sur la Bloedkoppe, la Montagne de Sang, Namibie. @ Joachim Huber / Flickr.

Le carbone est un élément fréquent dans l’Univers, moins sur Terre, dont il constitue un dix millième de la masse. C’est très peu, mais sans lui, il n’y aurait pas de vie. À ce sujet, on se demande s’il pourrait exister une vie à base de silicium, un élément appartenant à la même colonne de la classification périodique. La réponse est certainement négative. Le carbone et le silicium sont tous les deux présents sous forme oxydée, où ils cèdent des électrons aux atomes d’oxygène, mais leurs propriétés ne sont pas les mêmes. À températures et pressions ambiantes, le dioxyde de carbone CO₂ est un gaz tandis que le dioxyde de silicium SiO₂ – la silice – est un solide amorphe ou cristallin inerte. De manière générale, le silicium forme des matériaux durs. Il est le constituant principal, avec l’oxygène, des roches de la croûte et du manteau de la Terre.

Le cycle géologique

Avant l’ère industrielle, le CO₂ était présent dans l’atmosphère avec une proportion de 280 ppmv (partie par million en volume) soit 0,028 %. La masse totale était par conséquent de 589 Gt (gigatonnes, 10¹² kg), chiffre qui sera conservé ici. Ce gaz se dissout dans l’eau, si bien que les océans sont un important réservoir. Le carbone y est présent à 1 % dans le CO₂, à 90 % dans les ions bicarbonate HCO₃⁻ et à 9 % dans les ions carbonate CO₃²⁻. La masse totale du carbone océanique est ainsi de 38 000 Gt. Entre l’atmosphère et les océans, ou plutôt l’hydrosphère pour parler de toutes les eaux, il y a des flux dans les deux sens : du CO₂ absorbé par l’hydrosphère est libéré dans l’atmosphère. Si le système est dans un état stationnaire, les deux flux sont égaux. Ils sont estimés à 60 Gt par an. En divisant la quantité de CO₂ atmosphérique, 589 Gt, par ce flux de 60 Gt/an, cela donne le temps de séjour (ou de résidence) de ce gaz dans l’atmosphère : il est de 9,8 ans. On a de la sorte une idée du temps moyen que passe une molécule de dioxyde de carbone dans l’atmosphère. Actuellement, ce temps de séjour serait plutôt de 4 ans.

Dans l’eau, principalement grâce à l’activité biologique, les ions bicarbonate s’associent avec des ions calcium pour donner du calcaire CaCO₃ et du CO₂. Cette précipitation de calcaire soutire donc du carbone à l’hydrosphère. Elle en transfère une partie vers un autre réservoir : la croûte terrestre. Outre le calcaire, celle-ci comporte du marbre, qui est du calcaire métamorphisé, et de la dolomie CaMg(CO₃)₂. Ces roches sont appelées les carbonates et il y en aurait entre 60 et 80 millions de gigatonnes. Toutefois, de même que la dissolution du CO₂ atmosphérique dans l’eau, la précipitation du calcaire dans l’hydrosphère ne fait pas baisser la quantité de carbone qu’elle contient. En effet, la dissolution du calcaire joue en sens inverse. C’est une conséquence des précipitations sur les calcaires continentaux. L’eau de pluie se charge en CO₂ atmosphérique et attaque le CaCO₃, selon la réaction contraire de la précipitation. Elle produit une eau chargée en ions calcium et bicarbonate, qui s’écoule vers la mer et les océans. C’est ainsi que les paysages karstiques, avec leurs grottes remplies de stalactites et de stalagmites, se constituent. Mais ce phénomène se produit surtout, de manière moins spectaculaire, sous les sols, où le CO₂ est fourni par la dégradation de la matière organique et dissous dans les eaux d’infiltration. Le flux de carbone est estimé à 0,29 Gt par an. Il est compensé par le flux issu de la précipitation du calcaire, si bien qu’il ne provoque pas de variation du taux de CO₂ atmosphérique. Les calcaires sont, en fin de compte, déplacés des continents vers les mers et les océans.

En revanche, l’altération des silicates, notamment des silicates calciques, fait baisser le taux de CO₂ atmosphérique. L’eau de pluie chargée en CO₂ attaque cette fois des minéraux du type SiCO₃, où le calcium est remplacé par le silicium. Un silicate calcique fréquent est l’anorthite CaAl₂Si₂O₈. Son altération produit du calcaire et une argile, la kaolinite. Le carbone collecté dans l’atmosphère est piégé dans ce calcaire. Le flux est estimé à 0,14 Gt par an. Il a été plus important dans l’histoire de la Terre et nous lui devons ce taux très bas de dioxyde de carbone. Le seul autre processus capable de le faire baisser est la sédimentation de la matière organique, mais il est beaucoup moins important. Au début de l’histoire de la Terre, le CO₂ était le composant principal de l’atmosphère, comme il l’est toujours sur Vénus et sur Mars.

Les volcans rejettent du CO₂ provenant de la croûte et du surtout manteau, avec un flux de 0,07 Gt de carbone par an. On parle ici des volcans aériens. Une grande partie du volcanisme se déroule dans les profondeurs océaniques, sur les dorsales, et bien sûr, on le connaît mal. La circulation hydrothermale, c’est-à-dire l’infiltration de l’eau dans le plancher suivi de son chauffage et de sa remontée, consomme du CO₂ par précipitation de carbonates dans les basaltes. Des études récentes avancent des estimations comprises entre 0,027 et 0,035 Gt de carbone par an. Tous ces flux, qu’on peut qualifier de géologiques, sont faibles en comparaison des échanges entre les océans et l’atmosphère.

Le cycle biologique

La vie fonctionne sur la réduction du carbone, en l’associant à des atomes d’hydrogène. Dans la molécule de méthane CH₄, par exemple, c’est l’hydrogène qui cède ses électrons au carbone. Cette réduction s’effectue lors de la photosynthèse. La quasi-totalité de ce carbone organique est incluse dans la végétation et les sols, soit entre 420 et 830 Gt selon les estimations. Le temps de séjour du carbone y est d’une dizaine d’années. Les sols sont des milieux extrêmement complexes nés de l’altération des roches et de la décomposition de la matière organique. En comptant les tourbières, ils comporteraient entre 1 200 et 2 200 Gt de carbone, avec un temps de séjour de 27 ans. La biomasse océanique est faible en comparaison : seulement 3 Gt. Il y aurait cependant 30 Gt de matière organique morte, sous forme de particules en suspension.

La photosynthèse transférerait environ 120 Gt par an de carbone de l’atmosphère vers la végétation et les sols (123 Gt/an d’après le GIEC). On appelle ceci la production primaire brute. Alors que la photosynthèse prend du CO₂ à l’atmosphère, la respiration en restitue. Les plantes respirent aussi ! De plus, quand elles meurent, le carbone réduit qu’elles comportent est normalement oxydé. La respiration et la décomposition de la matière végétale engendreraient deux flux à peu près égaux, de somme légèrement inférieure à 120 Gt par an (118,7 Gt/an d’après le GIEC). Ils sont beaucoup plus importants que les flux géologiques, mais le bilan est comparable. Il y aurait un transfert net de carbone atmosphérique vers la végétation et les sols. Le changement des pratiques agricoles consistant à labourer les sols en profondeur provoque une oxydation de la matière organique qu’ils contiennent, d’où un flux de 1,1 Gt par an de carbone vers l’atmosphère selon le GIEC.

Bulles d’oxygène et alevins dans le fleuve Aven à Pont-Aven, Bretagne. Ce gaz est le produit de la photosynthèse et son cycle est lié à celui du carbone organique. Lamiot, Wikimedia Commons.

Bien que la biomasse océanique soit faible, la production primaire brute est importante. Le GIEC l’estime à 50 Gt par an. Ce carbone n’est pas pris à l’atmosphère, mais aux eaux superficielles, qui en contient 900 Gt. Le reste, c’est-à-dire 37 100 Gt, réside dans l’océan intermédiaire et profond, le total étant de 38 000 Gt comme annoncé ci-dessus. Puisqu’elle repose sur la photosynthèse, l’essentiel de l’activité biologique s’effectue dans les eaux que la lumière peut atteindre. Le temps de séjour du carbone dans le phytoplancton ne serait que de six mois. Il n’est pas utile d’en dire plus ici, si ce n’est qu’environ 13 Gt de carbone par an sombre dans les eaux intermédiaires et profondes, sous forme de particules de matière organique et de calcaire synthétisé par ces organismes. C’est la production exportée. Presque toutes ces particules sont dissoutes. Elles sont à l’origine de ce gigantesque stock de 37 100 Gt de carbone.

La matière organique qui sédimente sur les terres et dans les mers en échappant à l’oxydation devient du kérogène. Cette substance peut produire du charbon, du pétrole ou du gaz naturel, lequel comprend du méthane et d’autres hydrocarbures plus lourds. D’après une estimation de la U.S. Energy Information Administration de 2014, ces combustibles fossiles sont du charbon à 66 %, du pétrole à 21 % et du gaz à 13 %. Ils renfermeraient entre 3 700 et 4 200 Gt de carbone. Le chiffre retenu par le GIEC est de 919 Gt. Cependant, l’ensemble des formes dispersées et non exploitables de carbone réduit, dont le kérogène, pourraient représenter jusqu’à un quart du carbone de la croûte terrestre. Les clathrates de méthane des sédiments océaniques et du permafrost sont encore mal connus, mais 10 000 Gt de carbone leur sont attribuées.

En utilisant ces combustibles fossiles depuis le début de la révolution industrielle, l’Homme a introduit une perturbation sans précédent dans le cycle du carbone, plus par sa rapidité que par son ampleur. Selon le rapport du GIEC que j’utilise ici, publié en 2013, 244 Gt de carbone réduit ont été envoyées dans l’atmosphère, ce qui correspond à un flux d’environ 4 Gt par an. La masse de carbone atmosphérique est passée de 589 à 829 Gt. En conséquence, le flux de l’atmosphère vers l’hydrosphère a augmenté de 20 Gt/an et le flux inverse s’est accru de 17,7 Gt/an. Les eaux superficielles des océans ont absorbé 18 Gt de carbone. Dans le même temps, la végétation a perdu 30 Gt de carbone, qui comptent dans l’augmentation de la quantité de CO₂ atmosphérique.

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Cet article compile plusieurs livres, en premier lieu Géologie de la matière organique de François Baudin, Nicolas Tribovillard et Jean Trichet, EDP sciences, 2017. La plupart des estimations données ne peuvent être considérées comme définitives, y compris celles du GIEC. Elles donnent cependant une bonne idée des réservoirs et des flux de carbone.

Des informations plus détaillées sont disponibles sur cette page :

http://www2.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/s3/cycle.carbone.html

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