Dossier Carbone : Cycle et échange (3e partie)

L’élément carbone se trouve sous deux formes : carbone organique et inorganique. On peut donc étudier deux cycles qui sont finalement imbriqués l’un dans l’autre. Nous allons distinguer le carbone organique de sa forme inorganique. On peut donc étudier deux cycles qui sont finalement imbriqués l’un dans l’autre.

Le cycle du carbone organique

Le carbone organique est le carbone produit par les organismes vivants et est associé à des atomes d’hydrogène, d’azote, de phosphore et d’autres atomes de carbone au sein de molécules constituant la matière organique ou les hydrocarbures. Ce cycle est constitué de différents compartiments : atmosphère, organismes vivants (ou biotes), sols et sédiments marins, roches sédimentaires.

De l’atmosphère aux êtres vivants : fixation du Co2

La photosynthèse est le processus qui permet l’intégration du carbone dans le réseau du vivant. Etendu à l’échelle de la planète, elle a lieu dans les forêts par végétaux chlorophylliens mais surtout au niveau des océans via les microorganismes photosynthétiquesle phytoplancton. Au cours de ce processus, le carbone du Co2 (minéral) est fixé et permet de former des molécules organiques et ce grâce à l’énergie lumineuse selon la réaction :

6 CO2 + 6 H2O + hν (énergie lumineuse) → C6H12O6 (glucose) + 6O2

Des êtres vivants à l’atmosphère : les gaz à effet de serre

La respiration est le processus inverse de la photosynthèse. La molécule organique (glucose) est alors dégradée par ces mêmes organismes vivants selon :

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O

La dégradation du glucose permet la libération d’énergie utilisée par l’organisme, qu’il soit autotrophe ou hétérotrophe, pour son métabolisme. Le dioxyde de carbone produit sera dégagé dans l’atmosphère. Les organismes photosynthétiques effectuent la respiration lorsqu’il n’y a pas assez ou pas du tout de lumière. En consommant la matière organique les producteurs secondaires stockent le carbone fixé au préalable par les producteurs primaires (dans les milieux aquatiques comme terrestres).

Un autre processus, la fermentation, produit du dioxyde de carbone et du méthane qui sont dégagés dans l’atmosphère :

C6H12O6→3CO2+3CH4

Ces trois processus se déroulent sur des échelles de temps relativement courtes.

Des êtres vivants à la terre

A la mort des organismes vivants a lieu la décomposition par les microorganismes. La matière organique passe alors dans le compartiment du sol : les molécules organiques y sont dégradées plus ou moins rapidement selon leur complexité. Les trois principaux processus de séquestration du carbone dans la pédosphère sont l’humification, l’agrégation et la sédimentation :

La formation des humus résulte de processus biochimiques qui concourent à la transformation de la matière organique morte par l’action des bactéries et des actinomycètes du sol (champignons). L’agrégation conduit à l’encapsulation de la matière organique, principalement par les vers de terre.

La sédimentation permet la formation de combustible fossile, qui se fait en trois étapes: il y a d’abord accumulation de la matière organique, provenant d’organismes morts, qui sédimente strate par strate. Puis maturation de la matière organique : sous l’effet de l’augmentation de la température et de la pression cette matière organique se transforme en kérogène, précurseur de gaz naturel et du pétrole. Enfin les hydrocarbures remontent à la surface jusqu’au moment où ils sont piégés par des roches imperméables de nature variée : le gisement de pétrole ou de gaz est alors formé.

Le cycle du carbone inorganique

Le carbone inorganique est le carbone qui n’a pas été associé à des molécules organiques. Il s’agit du carbone minéral.

Le cycle du carbone inorganique se passe essentiellement dans le compartiment océanique. Les échanges air-océan sont contrôlés par deux facteurs :

- La solubilité, régie par l’équilibre thermodynamique du CO2 à l’interface air-mer. D’un point de vue physique, le CO2 se répartit de façon à équilibrer les pressions partielles entre l’océan et l’atmosphère. La solubilité du CO2 diminue lorsque la température augmente. Ainsi, une eau froide qui remonte des profondeurs libère du gaz carbonique lorsqu’elle se réchauffe en surface. Inversement, l’eau qui dérive vers le Nord avec le Gulf Stream entraîne le carbone dissous en surface dans les couches profondes qui, étant plus froides, ont une plus grande capacité de stockage. Le cycle du carbone est donc étroitement lié à l’évolution de ce premier maillon : le transport physique du CO2 dissout.

- La pompe biologique, régie par l’activité de la biomasse marine, à savoir le phytoplancton et les coraux. Le phytoplancton marin, à l’instar des arbres, utilise la photosynthèse pour extraire le carbone du CO2. Il est le point de départ de la chaîne alimentaire océanique. Le plancton et d’autres organismes marins utilisent le CO2 dissous dans l’eau pour constituer leurs squelettes et coquilles à base de calcaire minéral, CaCO3 qui plus dense que l’eau, précipitent au fond de l’océan pour y sédimenter. Ce phénomène est la bio – calcification.

De plus l’océan recueille les carbonates issus de l’érosion des continents.

Ainsi, à force d’accumulation, ce carbonate de calcium va rejoindre la couche lithosphérique par la diagénèse de roches carbonatées. La conservation du carbone atmosphérique continue donc dans la lithosphère.

Dans les zones de subduction la plaque océanique plonge sous la plaque continentale. On observe alors le phénomène de fusion partielle des matériaux profonds lors duquel la croute océanique fond lorsqu’elle est sous la plaque continentale. Cela aboutit à la remontée de magma et à la libération de celui-ci à la surface lors d’éruptions volcaniques : des gaz carbonés (dioxyde de carbone et méthane) sont alors libérés dans l’atmosphère.

Un autre phénomène est à préciser. Dans le cas général, une photosynthèse accompagnée par l’assimilation de nitrate n’a pas d’influence sur le stock d’azote de l’océan. En revanche, grâce à la diazotrophie, certaines algues utilisent l’azote N2 dissout dans l’eau. Cela entraîne un gain net d’azote qui permet de mobiliser sous forme organique une plus grande quantité de carbone. La diazotrophie augmente donc à long terme l’efficacité de la pompe biologique de carbone.

L’océan occupe donc une place essentielle dans le cycle.

Capacité du cycle à s’autoréguler : l’homéostasie

La capacité du cycle du carbone à s’autoréguler provient des flux naturels existant entre les différents compartiments cités :

- 60 Gt de carbone qui sont échangés annuellement entre la végétation et l’atmosphère, la végétation utilisant le CO2 lors de la photosynthèse.

- 90 Gt sont échangées annuellement entre l’océan de surface et l’atmosphère, le CO2 atmosphérique étant là encore utilisé par le phytoplancton lors de la photosynthèse.

- 40 à 50 Gt sont échangées entre l’océan de surface et les eaux plus profondes (tests calcaires des animaux et diagenèse des roches carbonatées).

Par conséquent la sédimentation suivie de la fossilisation sont deux processus qui apportent l’essentiel du carbone à la lithosphère.

Le carbone est relâché lors des éruptions volcaniques et de la combustion des combustibles fossiles. D’autre part, l’altération des carbonates continentaux contribue au relargage du carbone dans l’océan via les cours d’eau.

Ainsi le CO2 de l’atmosphère est fixé par les autres compartiments et retourne dans l’atmosphère.

En fait le régulateur principal du cycle du carbone est le compartiment océanique qui minimise en grande partie les fluctuations de la pression partielle de carbone atmosphérique : c’est un service écosystémique. La pompe biologique de carbone par l’océan est un système complexe (photosynthèse, biocalcification, diazotrophie, respiration, sédimentation, etc.), qui, dans l’état présent de l’océan, sous le climat actuel, contribue à réduire l’accumulation de CO2 dans l’atmosphère. Dans un climat modifié, le peuplement planctonique s’adaptera et un assemblage différent d’espèces mettra en oeuvre cette pompe biologique. Prévoir la tendance qui s’instaurera alors n’est pas facile. Le premier pas consiste à comprendre comment le climat et la circulation océanique qui en découle contrôlent le peuplement actuel.

Laisser un commentaire

*