Première approche pour le cycle du carbone

Le gaz carbonique (CO₂) est un gaz à effet de serre naturel. L’augmentation rapide de sa concentration dans l’atmosphère depuis une centaine d’année semble être la cause première du réchauffement actuel que connaît notre planète. Il est devenu ainsi essentiel de suivre l’évolution de sa concentration à court et à long termes et surtout de comprendre les mécanismes par lesquels cette concentration se modifie. Les concentrations atmosphériques de CO₂ en différents sites ne se mesurent que depuis une cinquantaine d’années. Voyons déjà quelques suivis de ces concentrations, puis essayons de déterminer les causes des évolutions observées. Nous entrerons alors dans le cycle du carbone.

Les concentrations atmosphériques en CO₂ se mesurent en ppm, ce qui signifie "parties par millions". Ceci représente le nombre de molécules de CO₂ présentes pour un million de molécules de tous les constituants présents dans l'air. Ainsi, une concentration atmosphérique de 380 ppm de CO2 signifie que pour un million de molécules d'air, 380 sont des molécules de CO₂.

Les ppm sont équivalents au ppmv, ppmv signfie "parties par millions en volume". Une concentration atmosphérique de 380 ppmv en CO₂ signifie que dans un volume d'un million de m3 d'air, 380 m3 sont occupés par le COv.

Un cycle du CO₂ atmosphérique

La station de Mace Head, en Irlande montre deux points importants :

1) la concentration moyenne en CO₂ atmosphérique augmente régulièrement
2) il existe un rythme annuel de la concentration atmosphérique du CO₂.

- Entre janvier et avril, elle augmente.
- Entre avril et octobre, elle diminue.
- Entre octobre et décembre, elle augmente (cette augmentation se prolonge l’année suivante, jusqu’au mois d’avril).

Si nous regardons maintenant l’évolution du CO₂ atmosphérique dans une région de l’hémisphère nord, mais éloignée des continents, voilà ce que nous observons.

Nous observons, comme pour la station de Mace Head, que la concentration moyenne en CO₂ atmosphérique augmente régulièrement et qu'il existe un cycle annuel. Cependant, l'amplitude de ce cycle est plus petite (10 ppm au milieu de l'océan au lieu de 15 ppm proche du continent).

Si nous regardons maintenant l’évolution du CO₂ atmosphérique dans une région de l’hémisphère sud, voilà ce que nous observons.

Nous remarquons que le cycle annuel est inversé :

- Entre janvier et avril, la concentration du CO₂ atmosphérique diminue.
- Entre avril et octobre, elle augmente.
- Entre octobre et décembre, elle diminue (cette diminution se prolonge l’année suivante, jusqu’au mois d’avril).
Le cycle annuel est cependant moins visible dans cette station que dans la précédente.

Dans l’animation suivante, vous pouvez comparer plus facilement les observations des trois stations. Deux autres points de mesure sont présentés.

Comment expliquer ces cycles annuels ?

Les cycles annuels s’expliquent par les saisons. La concentration atmosphérique en CO₂ augmente pendant la fin de l’automne et l’hiver (d’octobre à avril dans l’hémisphère nord, d’avril à septembre dans l’hémisphère sud) ; elle diminue du milieu du printemps au début de l’automne (d’avril à septembre dans l’hémisphère nord, d’octobre à avril dans l’hémisphère sud).

Cependant, on observe que l’hémisphère nord a plus d’influence sur l’atmosphère, car une station située sur l’équateur se comporte comme une « faible station de l’hémisphère nord » et les stations de l’hémisphère sud présentent des cycles annuels moins marqués.

Depuis le XVIIIe siècle, on sait que le gaz carbonique (le CO₂) est absorbé par les plantes vertes, en présence de lumière, dans un processus appelé « photosynthèse ». Ce processus est la porte d’entrée principal du carbone dans le cycle du vivant. Presque tout le carbone retrouvé dans les êtres vivants provient de ce processus, car les plantes sont ensuite mangées et digérées par des animaux. En même temps, le CO₂ est rejeté par tout être vivant dans un processus appelé « respiration ». Il s’agit en fait d’un échange nécessaire à la vie cellulaire, les cellules ont besoin du dioxygène (O₂) comme source énergétique, et rejettent du CO₂, après des réactions particulières.

Ainsi tous les êtres vivants respirent, c’est-à-dire rejettent du CO₂. Mais les plantes vertes, terrestres et aquatiques, font de la photosynthèse en plus, c’est-à-dire, qu’en présence de lumière, elles absorbent du CO₂. Selon l’importance des réactions de photosynthèse, il y a un gain de CO₂ vers l’atmosphère (photosynthèse moins importante que respiration) ou il y a une perte de CO₂ atmosphérique (photosynthèse plus importante que respiration). Ce premier équilibre peut expliquer les rythmes saisonniers aperçus précédemment :

Milieu printemps-été-début automne : photosynthèse > respiration : le CO₂ atmosphérique baisse.

Milieu automne-hiver-début printemps : photosynthèse < respiration : le CO₂ atmosphérique augmente.

Voir la suite : un cycle du CO2 plus compliqué