Le cycle du carbone est l'un des processus biogéochimiques fondamentaux de la Terre, qui régit le mouvement des atomes de carbone à travers l'atmosphère, les océans, les sols, les organismes vivants et les formations géologiques. Il est essentiel de comprendre ce cycle non seulement pour comprendre comment la vie se maintient, mais aussi pour comprendre les facteurs du changement climatique moderne.

Qu'est-ce que le cycle du carbone?

Le cycle du carbone décrit l'échange continu de carbone entre les principales sphères de la Terre : l'atmosphère, l'hydrosphère (océans et autres plans d'eau), la lithosphère (croûte de la Terre) et la biosphère (toutes les choses vivantes). Le carbone se déplace à travers ces réservoirs sous diverses formes chimiques, principalement sous forme de dioxyde de carbone (CO2) dans l'atmosphère, de carbone inorganique dissous dans les océans, de carbone organique dans la matière vivante et morte, et de carbonate de calcium dans les roches et les coquilles. Ce cycle opère sur une large gamme de périodes, des échanges biologiques rapides qui prennent des minutes à des processus géologiques lents qui s'étendent sur des millions d'années.

Les principaux réservoirs de carbone

Pour comprendre le cycle du carbone, il est utile d'examiner où réside le carbone et en quelles quantités.Le plus grand réservoir de carbone est la lithosphère, où le carbone est enfermé dans des roches sédimentaires comme le calcaire et dans des combustibles fossiles comme le charbon, le pétrole et le gaz naturel.Les océans représentent le deuxième plus grand réservoir de carbone actif, qui détient environ 50 fois plus de carbone que l'atmosphère.La biosphère terrestre – y compris les forêts, les prairies et les sols – stocke du carbone dans la biomasse végétale et la matière organique.

Carbone atmosphérique

L'atmosphère contient environ 880 gigatons de carbone (GtC) sous forme de CO2, ainsi que de petites quantités de méthane (CH4) et d'autres gaz à effet de traces. Cette concentration est passée d'environ 280 parties par million (ppm) dans les temps préindustriels à plus de 420 ppm aujourd'hui, principalement en raison des émissions humaines.

Carbone océanique

Les océans stockent environ 38 000 GtC sous forme de carbone inorganique dissous, d'ions bicarbonate et d'ions carbonate. Ils agissent comme un puits de carbone majeur, absorbant environ le quart des émissions de CO[2 produites par l'homme chaque année.

Carbone terrestre

Les écosystèmes terrestres stockent environ 2 500 GtC dans la matière organique et la végétation du sol. Les forêts sont particulièrement importantes, car elles détiennent la majorité du carbone terrestre.

Carbone géologique

La lithosphère contient environ 60 millions de GtC, la plupart dans des roches sédimentaires comme le calcaire formé d'organismes marins. Ce réservoir échange le carbone avec les autres réservoirs extrêmement lentement – des échelles de temps tectoniques de millions d'années. Les combustibles fossiles, qui représentent une infime fraction du réservoir géologique, sont exploités et brûlés à un rythme bien supérieur à la libération géologique naturelle, créant un déséquilibre.

Les principaux processus qui conduisent au cycle du carbone

La compréhension de ces processus est essentielle pour prédire comment le cycle du carbone réagira aux perturbations humaines actuelles.

Photosynthèses

Les plantes, les algues et les cyanobactéries utilisent la lumière du soleil pour convertir le CO[2[ atmosphérique et l'eau en composés organiques (sugars) et en oxygène. Ce processus élimine le CO[2 atmosphérique et stocke le carbone dans les tissus des plantes.

Respiration

Tous les organismes vivants, y compris les plantes, les animaux et les microbes, libèrent du CO2 dans l'atmosphère comme sous-produit de la respiration cellulaire. Dans ce processus, le carbone organique est dégradé pour libérer de l'énergie, retournant du carbone dans l'atmosphère. La respiration des plantes seule représente environ la moitié du carbone qu'elles fixent par photosynthèse, tandis que les microbes du sol aspirent du carbone de la matière organique morte.

Décomposition

Lorsque des organismes meurent, les décomposeurs comme les bactéries et les champignons décomposent la matière organique, libèrent le CO2 et le méthane dans l'atmosphère et retournent les nutriments dans le sol. Le taux de décomposition dépend de la température, de l'humidité et de la disponibilité en oxygène.

Combustion

La combustion de biomasse (incendies sauvages, brûlage agricole) ou de combustibles fossiles oxyde rapidement le carbone, dégageant du CO[2 et d'autres gaz. Les feux de forêt font partie de nombreux écosystèmes, mais leur fréquence et leur intensité augmentent en raison des changements climatiques.

Capture et circulation des océans

Les océans absorbent le CO2 directement par échange de gaz air-mer. Une fois dissous, le CO2 réagit avec l'eau de mer pour former de l'acide carbonique, du bicarbonate et des ions carbonate. Ce tampon chimique permet à l'océan de stocker de grandes quantités de carbone.

L'orage et le volcanisme

Par exemple, la réaction de l'eau de pluie (faiblement acide à partir du CO dissous2) avec des roches de silicate de calcium produit des ions calcium et du bicarbonate, qui sont lavés dans l'océan et finalement précipités comme calcaire. Ce processus fonctionne à des échelles géologiques et a contribué à réguler le climat terrestre sur des millions d'années. Les éruptions volcaniques, inversement, libèrent le CO[2 de l'intérieur de la Terre, mais leurs émissions annuelles sont négligeables par rapport aux activités humaines.

Le cycle du carbone et l'effet de serre

Les gaz à effet de serre, y compris le CO2[, la vapeur d'eau, le méthane et l'oxyde d'azote, absorbent et réémettent les rayonnements infrarouges, piégent la chaleur dans l'atmosphère inférieure. Le cycle du carbone influence directement la concentration de CO[2, le gaz à effet de serre le plus important à long terme. Un cycle du carbone stable maintient les niveaux de CO[2 dans une plage étroite depuis 800 000 ans, mais les émissions humaines ont poussé les concentrations à des niveaux non observés depuis au moins 2 millions d'années. Ce site climatique 2 augmente l'effet de serre, ce qui entraîne une hausse des températures moyennes mondiales — maintenant d'environ 1,2 °C au-dessus des niveaux préindustriels.

Perturbations humaines au cycle du carbone

Les activités humaines modifient le cycle du carbone à l'échelle mondiale, principalement en libérant du carbone stocké pendant des millions d'années dans des combustibles fossiles et en changeant les surfaces terrestres qui servaient auparavant de puits de carbone. Le sixième rapport d'évaluation du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC) attribue les changements climatiques observés sans équivoque à l'influence humaine.

Combustion de combustibles fossiles

En 2022, les émissions de CO[2 mondiales des combustibles fossiles et de l'industrie ont atteint environ 36,8 milliards de tonnes. Cette injection rapide de carbone ancien recouvre les processus naturels lents qui éliminent le CO2 de l'atmosphère, ce qui entraîne une accumulation nette.

Déboisement et changement d'affectation des terres

La déforestation tropicale, en particulier en Amazonie, en Asie du Sud-Est et en Afrique centrale, est une préoccupation majeure parce que ces régions stockent de grandes quantités de carbone.

Procédés industriels

Certaines activités industrielles libèrent du CO[2[ comme sous-produit chimique. La production de ciment, par exemple, émet du CO[2 lorsque le calcaire (carbonate de calcium) est chauffé pour produire de la chaux (oxyde de calcium), qui ajoute environ 5 % aux émissions totales de l'homme et qui sont difficiles à atténuer sans nouvelles technologies.

Impact sur les sinistrés naturels

Alors que les puits terrestres et océaniques continuent d'absorber environ la moitié des émissions humaines de CO2, leur efficacité peut diminuer dans un monde qui se réchauffe. Les eaux plus chaudes détiennent moins de CO2, et les forêts stressées par la chaleur peuvent souffrir de sécheresses, d'incendies et d'épidémies de ravageurs, ce qui réduit leur capacité de séquestrer le carbone.

Conséquences d'un cycle de carbone asymétrique

La perturbation du cycle du carbone par les activités humaines a de profondes conséquences pour le système climatique, les écosystèmes et les sociétés humaines. L'Administration Nationale de l'Océan et de l'Atmosphérique (NOAA) fournit des ressources éducatives complètes sur ces impacts.

Réchauffement mondial et extrêmes climatiques

L'augmentation des gaz à effet de serre a déjà augmenté la température moyenne mondiale de plus de 1 °C. Ce réchauffement intensifie le cycle hydrologique, entraînant des sécheresses plus graves dans certaines régions et des précipitations plus fortes dans d'autres. Les vagues de chaleur sont devenues plus fréquentes et plus intenses, tandis que la glace de mer arctique diminue rapidement.

Acidification des océans

Environ 30% du CO2 émis par les humains ont été absorbés par les océans. Bien que cela ralentisse le réchauffement atmosphérique, il modifie également la chimie de l'eau de mer. Le CO2 se dissout pour former de l'acide carbonique, abaissant le pH de l'océan, un processus connu sous le nom d'acidification de l'océan.

Augmentation du niveau de la mer

Les températures mondiales plus élevées entraînent une expansion thermique de l'eau de mer et des glaciers et des calottes glaciaires, ce qui entraîne une élévation du niveau de la mer. Le niveau moyen de la mer dans le monde a augmenté d'environ 20 cm depuis 1900, et le taux est en train d'augmenter.

Perturbation des écosystèmes et perte de biodiversité

Les changements de température et de précipitations, ainsi que les niveaux élevés de CO[2[], modifient les habitats et forcent les espèces à migrer ou à s'adapter. De nombreuses espèces ne peuvent pas suivre le rythme des changements climatiques, entraînant des déclins et des extinctions de population.

Stratégies d ' atténuation et d ' adaptation

Pour stabiliser le cycle du carbone et éviter les pires impacts du changement climatique, il faut combiner atténuation (réduction des émissions) et adaptation (ajustement aux changements). L'Agence de protection de l'environnement des États-Unis (EPA) fournit des informations détaillées sur les options d'atténuation et d'adaptation au changement climatique.

Énergies renouvelables et efficacité

Le remplacement des combustibles fossiles par l'énergie solaire, éolienne, hydroélectrique et nucléaire peut réduire considérablement les émissions de CO2. L'amélioration de l'efficacité énergétique dans les bâtiments, l'industrie et les transports réduit également la demande et réduit les émissions.

Boisement et reboisement

Les forêts absorbent le CO[2 et le stockent dans la biomasse et le sol. Cependant, le reboisement doit être fait avec soin – en utilisant les espèces indigènes et en protégeant les écosystèmes existants. Le reboisement des prairies ou des tourbières peut parfois faire plus de mal que de bien s'il réduit la biodiversité ou s'enlève des sols riches en carbone.

Séquestration du carbone dans le sol

Les sols sont un énorme réservoir de carbone, et même une légère augmentation de leur teneur en carbone peut faire une différence importante. De plus, la restauration des terres dégradées et la protection des tourbières empêchent le rejet de carbone stocké.

Capture, utilisation et stockage du carbone

Les technologies qui captent le CO[2[ provenant de sources industrielles ou directement de l'air (capture directe de l'air) peuvent être combinées à un stockage permanent souterrain ou dans des produits.Ces approches sont encore coûteuses et ne sont pas encore déployées à l'échelle, mais elles peuvent être nécessaires pour compenser les émissions des secteurs difficiles à éliminer, comme la production de l'aviation et du ciment.

Changements comportementaux et interventions stratégiques

Des actions individuelles, telles que la réduction des déchets alimentaires, la consommation de viande, l'utilisation des transports publics et l'augmentation des économies d'énergie, sont pourtant indispensables pour réduire les émissions.

Conclusion

Le cycle du carbone est un système profondément interconnecté qui maintient le climat terrestre dans un état habitable depuis des millions d'années. Les activités humaines, en particulier la combustion des combustibles fossiles et la déforestation, ont mis fin à l'équilibre de ce système, ce qui a entraîné une hausse des niveaux de CO[2, le réchauffement planétaire et une perturbation de l'environnement généralisée.