Science et technologie s1335

Le cycle du carbone

Le cycle du carbone est un cycle biogéochimique qui correspond à l’ensemble des échanges de carbone sur la planète.

Élément essentiel à toute forme de vie, on retrouve deux types de carbone dans la nature. D'abord, il est à la base des molécules complexes (protéines, lipides, glucides) qui servent à la construction des tissus des organismes vivants. On parle dans ce cas de carbone organique. On retrouve aussi le carbone inorganique lorsqu'il n'est pas lié aux organismes vivants. C'est entre autre le cas du dioxyde de carbone (CO2) et du méthane (CH4), deux gaz à effet de serre qui ont un impact majeur sur le climat de la planète.

Il existe un échange constant de carbone entre l'hydrosphère, la lithosphère, la biosphère et l'atmosphère. Toutefois, l'essentiel du cycle à court terme se déroule entre l'atmosphère, les couches superficielles du sol et des océans, et la biosphère. Il existe deux grands réservoirs de carbone qui piègent celui-ci pour une longue période: la lithosphère et l'hydrosphère grâce aux sédiments, aux roches et aux océans. 

Le recyclage chimique du carbone est un élément critique pour le maintien de l'équilibre notre planète. En effet, ce cycle influence directement la productivité biologique et le climat. Parmi les processus qui permettent le recyclage chimique du carbone, certains sont très rapides (processus biochimiques) alors que d'autres se déroulent sur plusieurs centaines d'années (processus géochimiques).

Les principaux processus biochimiques se déroulant lors du cycle du carbone sont:

1. La photosynthèse
2. La consommation
3. La respiration
4. La décomposition et la fermentation
5. La déforestation et les feux de forêts

Les principaux processus géochimiques se déroulant lors du cycle du carbone sont:

6. La dissolution et la fixation en carbonate de calcium
7. La sédimentation et la fossilisation
8. Le volcanisme
9. La combustion de combustibles fossiles

De plus, certains facteurs, principalement d'origines anthropiques, peuvent modifier le cycle du carbone.


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Les processus biochimiques du cycle du carbone

1. La photosynthèse

La photosynthèse se déroule autant en milieu terrestre qu'en milieu aquatique. Par ce processus, les végétaux emmagasinent du carbone d’origine atmosphérique ou dissous dans l’eau. Ils utilisent l’énergie solaire pour transformer le dioxyde de carbone (CO2) en glucose en produisant du dioxygène. Le glucose servira ainsi de matière organique servant à la fabrication des tissus végétaux.

2. La consommation

La consommation se déroule autant en milieu terrestre qu'en milieu aquatique. Les animaux herbivores obtiennent le carbone nécessaire à leur croissance en consommant des végétaux. Les animaux carnivores, quant à eux, absorbent le carbone contenu dans les animaux dont ils se nourrissent. Le carbone est ainsi transféré d'un échelon à l'autre le long d'une chaîne alimentaire.

3. La respiration

La respiration se déroule autant en milieu terrestre qu'en milieu aquatique. Le carbone est retourné à l’atmosphère par le processus de respiration. Tous les êtres vivants, qu'ils soient végétal ou animal, respirent. Ils rejettent donc dans l’atmosphère ou dans l'hydrosphère, sous forme de dioxyde de carbone, une partie de la quantité de carbone qu’ils avaient ingéré au départ.

4. La décomposition et la fermentation

La portion du carbone qui n'est pas relâchée par la respiration s'élimine dans les déchets végétaux et animaux (urine, selles, organismes morts, etc.). Dans les sols et les sédiments des lacs et des océans, ces déchets sont décomposés par des microorganismes. Selon la présence ou l'absence de dioxygène, les décomposeurs effectueront la décomposition ou la fermentation de la matière organique. Ces processus libèrent du dioxyde de carbone (CO2) et du méthane (CH4) tout en permettant de transformer la matière organique en matière inorganique.

5. La déforestation et les feux de forêt

Sous l’action de la combustion, le carbone contenu dans les troncs et les feuilles des arbres se transforme en dioxyde de carbone (CO2). La déforestation, quant à elle, diminue le nombre d'arbres en présence pouvant effectuer la photosynthèse. Habituellement, en l'absence de ces deux phénomènes, la quantité de carbone fixée à l'échelle planétaire par les organismes qui réalisent la photosynthèse s'équilibre avec celle qui est libérée par la respiration et la décomposition des autres organismes. Toutefois, en présence de ces deux phénomènes, davantage de dioxyde de carbone sera relâché dans l'atmosphère.

Les processus géochimiques du cycle du carbone

6. La dissolution et la fixation en carbonate de calcium

La dissolution du carbone se déroule dans l'hydrosphère. Une grande partie du dioxyde de carbone atmosphérique est dissous dans les océans. En effet, les océans sont des puits à carbone, car ils prélèvent globalement plus de carbone à l’atmosphère qu’ils ne lui en redonnent. Une partie du dioxyde de carbone dissous dans l’eau réagit avec les molécules d’eau, puis avec du calcium pour devenir du carbonate de calcium (CaCO3). On retrouve le carbonate de calcium dans la composition des coquilles et squelettes des organismes marins.

7. La sédimentation et la fossilisation

La sédimentation se déroule principalement dans l'hydrosphère. Les coquilles et les squelettes des organismes marins morts s’accumulent au fond de l’océan. Le carbonate de calcium s’accumule donc dans les sédiments et donne naissance à des roches carbonatées. Ces roches suivent le mouvement des plaques tectoniques. Elles plongent sous le manteau de la terre lors du processus de subduction et peuvent éventuellement être ramenées à la surface. Elles peuvent aussi être enfouis dans la croûte terrestre et y être piégées pour de nombreuses années.

8. Le volcanisme

Les éruptions volcaniques peuvent être en surface de la Terre ou sous-marine. Dans les deux cas, au contact du magma, le carbone contenu dans les roches carbonatées peut se libérer et retourner dans l’atmosphère. Les volcans et les geysers laissent échapper du dioxyde de carbone et du méthane dans l’atmosphère.

9. La combustion de combustibles fossiles

Les organismes morts qui tombent au fond de l’océan forment une couche de sédiments. Ils peuvent parfois se transformer en combustibles fossiles comme le charbon ou le pétrole s’ils demeurent enfouis dans les sédiments pendant des centaines de millions d’années. L'Homme effectue la combustion de ces combustibles fossiles (pétrole, charbon, gaz naturel) pour répondre à ses besoins en énergie. Par ce fait, il augmente la quantité de dioxyde de carbone relâché dans l'atmosphère et dérègle le cycle du carbone.

Les facteurs qui peuvent modifier le cycle du carbone

Comme on peut le constater, les phases géologiques du carbone, comme la subduction et la formation de combustibles fossiles, se déroulent sur une période de millions d’années tandis que les phases biologiques du cycle du carbone, comme la photosynthèse, la respiration, la décomposition, peuvent se produire sur une période allant de quelques jours à des milliers d’années.

Avant l’avènement de l’ère industrielle, à la fin du 19e siècle, le cycle du carbone ne faisait intervenir que l’atmosphère, les océans et la biomasse terrestre. Les combustibles fossiles ne faisaient pas, à ce moment-là, partis du cycle et le cycle du carbone était équilibré. Mais l’homme, en détruisant la végétation et en utilisant les combustibles fossiles, est responsable du déséquilibre du cycle global du carbone. On utilise les combustibles fossiles à une trop grande vitesse. Ils n’ont pas le temps de se régénérer. La combustion des matières fossiles fait en sorte qu’il y a un surplus de carbone qui rejoint l’atmosphère et les océans.

On estime que la teneur en dioxyde de carbone de l'atmosphère terrestre a augmenté de près de 30% depuis le milieu du 19e siècle. Les activités humaines libèrent maintenant plus de carbone que les océans et les forêts ne peuvent en absorber et déséquilibrent le cycle naturel du carbone. Ce déséquilibre peut provoquer des changements climatiques importants. Par exemple, il représente la première cause du renforcement de l'effet de serre.

On constate une augmentation de la concentration du carbone atmosphérique depuis le milieu des années 1900 lorsqu'on regarde les données issues de mesures directes et prises dans des carottes de glace.

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