Quel est le cycle du carbone ?

Le carbone, un élément naturel

L'hydrogène (H), l'hélium (He), l'oxygène (O) et le carbone (C) sont, dans l'ordre, les éléments les plus abondants dans le cosmos. 
Depuis que le cycle biologique du carbone est apparu sur Terre, il a en quelque sorte transformé la planète en un système fermé qui assure sa continuité. Il est également le constituant majeur de deux Gaz à Effet de Serre (GES) : CO2 et CH4, sans lesquels, il n’y aurait pas de vie sur Terre.
Le recyclage du carbone influence tout particulièrement la productivité biologique et le climat. Son cycle global implique des processus qui agissent en milieu terrestre et en milieu océanique et fait intervenir des réactions chimiques biologiques et non-biologiques. 

A l’état naturel, le carbone se retrouve sous deux formes : le carbone organique (Corg) et le carbone inorganique (Cinorg).

Le carbone organique 

Le Corg est produit par des organismes vivants. Il est lié à d'autres carbones ou à des éléments comme l'hydrogène (H), l'azote (N) ou le phosphore (P) dans les molécules organiques ou les hydrocarbures.

Le carbone inorganique

Le Cinorg est associé à des composés inorganiques qui ne sont pas et n'ont pas été du vivant comme, par exemple, le carbone du CO2 atmosphérique ou celui des calcaires CaCO3.

Le grand réservoir de carbone est donc constitué par les roches sédimentaires et l’océan est un autre grand réservoir de carbone.

Cycle du carbone

Le temps de résidence d'un atome de carbone est évalué à :

• 4 ans dans l'atmosphère ;
• 11 ans dans la biosphère ;
• 385 ans dans l'hydrosphère superficielle (océan de 0 à 100 m) ;
• plus de 100 milliers d'années dans l'océan profond ;
• quelque 200 millions d'années dans la lithosphère.

Dans le cycle global du carbone, il y a une hiérarchie de sous-cycles qui opèrent à diverses échelles, de la décennie (le recyclage du CO2 par les plantes) aux centaines de millions d'années (le recyclage du carbone organique par l'intermédiaire des roches sédimentaires ou des hydrocarbures par exemple). On peut ainsi schématiser :

Le carbone organique 

A un cycle court 

Ce cycle court est inférieur à un siècle. Son recyclage s’appuie sur le couple photosynthèse-respiration, c'est-à-dire la conversion du Cinorg du CO2 en Corg par la photosynthèse, et subséquemment l'inverse, la conversion du Corg de la matière organique en Cinorg par la respiration. C’est le principe qui régit la vie des arbres et des forêts. 
A quoi, on doit ajouter la fermentation qui permet la décomposition de la matière organique dans les milieux sans oxygène libre et qui produit du dioxyde de carbone et du méthane. Le méthane est un GES 20 fois plus efficace que le CO2, dont le temps de résidence dans l'atmosphère n'est que de 10 ans, mais qui se transforme en CO2.

A un cycle long 

Ce cycle long est un processus de nature géologique. Il s’agit de l’enfouissement de matières organiques dans les sédiments et roches sédimentaires qui les transforment en combustibles fossiles. Le flux de carbone est alors faible, mais s'étend sur une longue période de temps (plusieurs centaines de milliers d’années). Il en est ainsi pour l'oxydation du réservoir de carbone qui se trouve dans les kérogènes, hydrocarbures et charbons.

C’est ainsi que l'extraction et la combustion des pétroles, gaz et charbons que nous pratiquons allègrement transforme une partie de ce cycle long en cycle court. Et c’est là bien tout le problème de l’ère anthropocène. C’est de cette manière que nous déstabilisons le plus le cycle du carbone. 

Le carbone inorganique

Le carbone inorganique est contenu dans le dioxyde de carbone (CO2) et dans les calcaires (CaCO3)) dont les réservoirs importants sont l'atmosphère, les océans, ainsi que les sédiments et les roches carbonatées. L'échange entre le CO2 atmosphérique et le CO2 de la surface des océans a tendance à se maintenir à l'équilibre. 

Crédit : lelivrescolaire.fr

Comment l’homme perturbe le cycle du carbone

En pratique, le cycle du carbone s’est mis en place depuis 4 milliards d’années et c’est lui qui permet (entre autres) à la vie d’exister sur Terre. Certaines variations de teneur en carbone dans l’atmosphère sont dues à sa vie naturelle : la tectonique des plaques produit des libérations de carbone.
Mais, globalement l’équilibre se maintient dans le cycle court du carbone. Là où cela devient problématique, c’est lorsque nos activités modifient à grande échelle le cycle du carbone !
Et l’on ne peut pas dire que les révolutions industrielles n’aient joué aucun rôle là-dedans.
Ainsi :

• La teneur atmosphérique en CO2 a augmenté de plus de 40% depuis les débuts de la période industrielle. Une telle concentration n’avait pas été atteinte depuis 3 millions d’années.
• Entre 2010 et 2020, 86% de l’augmentation des émissions de GES est due à la combustion des énergies fossiles. 
• Le reste est dû en grande partie au changement de pratiques dans l’utilisation des terres, en particulier la déforestation.
• L’océan et les continents captent seulement la moitié des émissions anthropiques de CO2. 
• La teneur atmosphérique en méthane (CH4) a augmenté de 162% (722 ppm) depuis l'ère préindustrielle et continue d’augmenter. Elle atteint son niveau le plus élevé depuis 800 000 ans. Plus de la moitié des émissions de CH4 sont anthropiques (combustibles fossiles, ruminants, rizières).
• La teneur atmosphérique en N2O a augmenté de 22% depuis l'ère préindustrielle et continue d’augmenter. Environ le tiers des émissions de N2O est anthropique (agriculture, alimentation du bétail, industrie chimique). 

Le meilleur moyen d’endiguer le réchauffement climatique est donc de réduire notre dépendance aux énergies fossiles dont la combustion émet d’immenses quantités de carbone qui étaient stockées dans les sous-sols depuis des millions d’années.
 

(Source : Université de Laval)