Title: Les cycles bio-géochimiques
Course: Le système Terre à l'anthropocène > Section: Le système Terre, un réseau d'interactions entre différentes sphères

A propos de la séquence

Acquis d'apprentissage

- Comprendre la notion d’équilibre et de régulation qui se cache derrière la notion de cycle biogéochimique
- Comprendre que de petites perturbations d’un compartiment ont des répercussions sur les autres compartiments  (exemple : plus de CO_2 dans les océans => une acidification et des conséquences sur tous les écosystèmes marins)
- Avoir un regard critique sur les solutions proposées pour atténuer le changement climatique.

Durée de la séquence

- 30 min

Qu'est-ce qu'un cycle bio-géochimique ?

Il y a une centaine d’éléments chimiques importants pour le monde vivant dont une quarantaine sont indispensables à la vie. Ces éléments sont en perpétuels mouvements et traversent tous les compartiments du globe terrestre : atmosphère, océan, biosphère, lithosphère. Dans chaque compartiment, ils peuvent prendre différentes formes chimiques.

Prenons l’exemple de l’azote :

- sous forme gazeuse dans l’atmosphère majoritairement sous forme de diazote (N_2),
- sous forme de nitrates dans les eaux
- sous forme d’ADN ou de protéines dans la biosphère.

Les mouvements des éléments d’un compartiment à un autre sont le fait de mécanismes biologiques, chimiques ou physiques. Ainsi, un processus essentiel comme la photosynthèse réalisée par les végétaux pompe du CO_2 dans l’atmosphère pour le transformer en constituants de ces organismes, ce carbone organique intègre alors le compartiment biosphère. Réciproquement, la décomposition de la matière organique d’un sol transfère le carbone vers l’atmosphère sous forme de CO_2.

Ces mouvements sont décrits au travers de cycles biogéochimiques. Ces cycles sont imbriqués les uns dans les autres. En effet, pour faire la photosynthèse, les végétaux n’utilisent pas seulement du dioxyde de carbone mais aussi de l’eau pour produire de la matière organique et de l’oxygène. Ce seul processus biologique implique donc les cycles de l’eau, du carbone et de l’oxygène. Ainsi, ces cycles biogéochimiques et la nature de leur synchronisation régulent la composition des éléments dans les différents compartiments du globe terrestre. Cela permet le maintien de taux globalement constants d’un élément donné dans chacun des compartiments et confère une certaine stabilité au système Terre.

Pour illustrer la régulation par les cycles biogéochimiques, prenons l’exemple de la salinité des océans.

- L’érosion des continents par les rivières déverse dans les océans des particules, dont les ions sodium et chlorures, des éléments qui constituent le sel des océans. Les eaux de rivière sont très peu salées, (10 mg/L) mais année après année, à l’échelle des millions d’années, elles amènent des quantités de sel qui devraient augmenter la salinité des océans s’il n’y avait un cycle de sel pour la réguler.
- Or, les données biologiques et paléontologiques montrent que la salinité des océans a très peu varié au cours des dernières centaines de millions d’années. Comment le sel est-il éliminé des océans ? Dans certains milieux particuliers très secs, le sel peut précipiter mais les chercheurs ont montré que c’est par voie atmosphérique qu’une partie du sel est éliminée.
- A la surface des océans et des mers, les microbulles d’air qui éclatent entraînent des microgouttes d’eau qui voyagent dans l’atmosphère. L’eau s’évapore et des microcristaux de sel se forment, sont transportés sur des milliers de km avant de se redéposer sur les continents.

Le cycle du carbone : le cycle biogéochimique le plus étudié

Du fait de son rôle dans la régulation de la concentration en CO_2 dans l’atmosphère et donc dans le contrôle du climat, le cycle du carbone est sans doute le cycle le plus étudié actuellement.

Modifié d’après : “Les défis environnementaux du XXI^e siècle, Ivar Ekeland et Aïcha Ben Dhia,
avec le soutien de l’Université Paris-Dauphine, la Fondation Madeleine et la société 2050” / Licence CC BY SA

Sur les continents, le cycle du carbone est contrôlé par les plantes qui représentent la quasi-totalité de la biomasse terrestre (nous sommes bien peu de choses !). La photosynthèse prélève chaque année ~120Gt de carbone sous forme CO_2 à l’atmosphère qui est incorporé dans les organismes vivants. En retour, les organismes vivants respirent et émettent du CO_2 dans l’atmosphère. A la mort des organismes, la matière carbonée est incorporée dans les sols où elle est lentement décomposée en eau et en CO_2. Respiration et décomposition restituent donc à l’atmosphère la quasi-totalité du carbone pompé soit ~120 Gt de carbone chaque année. Seule une infime partie du carbone des sols (moins de 0,1 Gt de carbone par an) intègre très lentement des réservoirs géologiques (qui donneront du charbon, du pétrole et du gaz dans des millions d’années nommés aussi carbone organique fossile).

Les océans sont le siège d’échanges tout aussi importants avec l’atmosphère. Chaque année, les zones froides des océans absorbent du CO_2 qui passe en solution dans les eaux tandis que les zones chaudes des océans dégazent du CO_2 à la façon des bouteilles d’eau pétillante. Ces flux de carbone capté et dégazé par les océans s’élèvent à ~80 Gt de carbone chaque année et s’équilibrent (GIEC, WG1AR5, 2013). L’océan héberge aussi une vie marine ou encore biosphère marine, dont la masse est 200 fois plus petite que celle de la biosphère terrestre. Ce compartiment joue un rôle essentiel dans les transferts de carbone dissout dans les océans depuis les eaux de surface vers les eaux profondes. En effet, la biosphère marine utilise le carbone dissout dans les océans pour la photosynthèse, la production de biomasse et des tests calcaires et squelettes. Cette activité biologique génère des déchets qui descendent lentement vers le fond des océans, emmenant ainsi une partie du carbone vers la profondeur des océans, et le soustrayant ainsi durablement à l’atmosphère. Une infime partie du carbone seulement atteint le plancher océanique et incorpore les réservoirs géologiques pour donner du carbone fossile (calcaire, pétrole et gaz).

Ces échanges entre les compartiments du globe sont à l’équilibre, c’est-à-dire que chaque année, il y a autant de dioxyde de carbone qui est pompé à l’atmosphère par les océans et la biosphère continentale que de CO_2 qui retourne dans l’atmosphère et c’est ce qui garantit une certaine stabilité du climat de la Terre à échelle humaine.

Mais, ça, c’était avant…

Les activités humaines : le grain de sable dans les rouages des cycles biogéochimiques

… Avant que les activités humaines ne mettent leur grain de sable dans les rouages bien huilés du cycle du carbone.

Depuis le début de l’ère industrielle (~1750), l’exploitation des mines de charbon puis des gisements de pétrole a certes permis de formidables progrès technologiques mais a aussi induit le déstockage massif et ultra-rapide (2 siècles) de carbone fossile qui était enfoui dans le sous-sol depuis des centaines de millions d’années. La combustion de ces énergies a libéré du CO_2, année après année, dont on estime le flux à 10 Gt de carbone en 2022 (Friedlingstein et al, 2022). Accompagnant l’explosion démographique et les besoins de terres agricoles, la déforestation est également responsable du déstockage annuel de 1,2 Gt de carbone. C’est donc un flux annuel de 11,2 Gt de carbone anthropique vers l’atmosphère qui modifie profondément les équilibres du cycle du carbone.

D'après Friedlingstein et al., 2022

Entre les émissions annuelles de CO_2 (11,2 GtC/an) et l’augmentation annuelle du CO_2 dans l’atmosphère (5,3 GtC/an) mesurée en différents laboratoires du globe dont le premier fut Mauna Loa à Hawaï, il existe une différence significative, comme le montre la figure ci-dessus. Où passe plus de la moitié du CO_2 émis annuellement ? En plus de leurs échanges naturels avec l’atmosphère, la biosphère continentale pompe 3,4 GtC et l’océan 2,9 GtC supplémentaires chaque année ce qui fait de ces deux compartiments les puits à carbone du globe terrestre.

Modifié d’après : “Les défis environnementaux du XXI^e siècle, Ivar Ekeland et Aïcha Ben Dhia, avec le soutien de l’Université Paris-Dauphine, la Fondation Madeleine et la société 2050” et Figure 5.12 in IPCC, 2021: Chapter 5. In: Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change

Ainsi, la perturbation du cycle du carbone est telle que la quantité de CO_2 dans l’atmosphère a augmenté de ~280 GtC depuis le début de l’ère industrielle en plus des 750 GtC qu’elle contenait au départ et le C stocké dans les océans de 155 GtC (sur 38 000 GtC initiaux). La perturbation d’un compartiment d’un cycle biogéochimique a des conséquences sur l’ensemble des compartiments. Ces perturbations ne se limitent pas à une simple augmentation de taille des compartiments mais elle modifie également leur composition chimique et les équilibres qui le régissent. Par exemple, l’augmentation du flux de CO_2 de l’atmosphère vers les océans se traduit par une diminution du pH des eaux océaniques qui a déjà baissé d’un dixième de point (de 8,15 à 8,05) et pourrait chuter d’un demi-point d’ici 2100 pour le scénario le plus pessimiste (SSP5-8.5). Ceci aura des conséquences sur la biosphère marine dont le développement sera limité par la difficulté des organismes à produire leurs coquilles et leurs squelettes calcaires.

Agir sur les différents flux du cycle du carbone pour atténuer le changement climatique

La bonne connaissance du cycle du carbone permet aux experts de fixer des objectifs d’atténuation du changement climatique passant par une réduction drastique de nos émissions de CO_2 (voir la leçon sur les 9 limites planétaires + Budget carbone restant). Atteindre la neutralité carbone, c’est ne pas émettre plus de CO_2 que ce que la biosphère et l’océan, les deux puits à carbone du cycle, ne peuvent absorber. Cet objectif doit être atteint en 2050 pour permettre de stabiliser le climat à 1,5°C en 2100 (GIEC, 2018). Outre la limitation à la source des émissions de CO_2, des solutions de séquestration du carbone sont envisagées. Ces solutions ne peuvent être envisagées que pour compenser les émissions résiduelles de CO_2, celles qui seraient inévitables malgré les réductions drastiques, ou pour générer des émissions négatives pour faire décroître la concentration en CO_2 atmosphérique. Les solutions envisagées visent à renforcer l’efficacité des puits à carbone comme :

- Replanter des arbres (reforestation ou afforestation)
- Favoriser la séquestration du carbone dans les sols par des pratiques culturales plus adaptées
- Fertiliser les océans pour doper la pompe biologique marine
- Capter le CO_2 directement dans l’atmosphère ou à la sortie des usines les plus émettrices (centrale thermique, cimenterie) pour le séquestrer dans des réservoirs géologiques (anciens gisements pétroliers, aquifères profonds…)

Ces différentes solutions comportent des avantages mais aussi des risques. Certaines sont déjà mises en œuvre ou sont arrivées à maturité et d’autres sont au stade de l’étude ou du développement (Tableau T5.7, IPCC_AR6_WGIII, 2022).

Méthode CDR | Statut | Coût | Potentiel d'atténuation | Risques et impacts | Co-bénéfices | Compromis et effets d'entrainement | Rôle dans les voies d'atténuation | Section
Boisement | 8-9 | 0-240 | 0.5-10 | L'inversion de l'élimination du carbone par les incendies de forêt, les maladies et les ravageurs peut survenir. Diminution du rendement en eau du bassin versant et baisse du niveau des eaux souterraines si les espèces et le biome ne sont pas appropriés. | Emploi valorisé et local. Moyens de subsistance, amélioration de la biodiversité. Amélioration de la fourniture de produits ligneux renouvelables, du cycle du carbone et des éléments nutritifs Peut-être moins de pression sur la forêt primaire. | Un déploiement inapproprié à grande échelle peut conduire à une concurrence pour les terres propices à la conservation de la biodiversité et à la production alimentaire. | Contribution substantielle aux IAM et également aux études sectorielles ascendantes. | (7.4)
Séquestration du carbone du sol dans les terres cultivées et les prairies | 8-9 | 45-100 | 0.6-9.3 | Risque d'augmentation des émissions d'oxyde d'azote en raison des niveaux plus élevés d'azote organique dans le sol ; risque d’inversion de séquestration du carbone. | Amélioration de la qualité des sols, de leur résilience et de leur productivité agricole. | Tentatives d’augmentation du potentiel de séquestration du carbone aux dépens de la production. Ajout net par hectare très faible, difficile à surveiller. | En développement – pas encore dans les voies d’atténuation globales simulées par IAM dans des études ascendantes avec une contribution moyenne. | 7.4
Restauration des tourbières et des zones humides côtières | 8-9 | (-) | 0.5-2.1 | Inversion de l’élimination du carbone en cas de sécheresse ou de perturbations futures. Risque d’augmentation des émissions de CH4. | Amélioration de l'emploi et des moyens de subsistance locaux, augmentation de la productivité de la pêche, amélioration de la biodiversité, du cycle du carbone et des nutriments. | Concurrence pour les terres destinées à la production alimentaire sur certaines tourbières utilisées pour la production alimentaire. | Pas dans les IAM mais dans certaines études bottom-up avec une contribution moyenne | 7.4
Agroforesterie | 8-9 | (-) | 0.3-9.4 | Le risque que certaines terres perdues à cause de la production alimentaire. Nécessite des compétences très élevées. | Amélioration de l'emploi et des salaires locaux. Variété de produits Amélioration de la qualité des sols, systèmes plus résilients. | Certains compromis avec la production agricole, mais amélioration de la biodiversité et la résilience du système. | Pas de données IAM, mais dans des études sectorielles ascendantes avec une contribution moyenne | 7.4
Gestion forestière améliorée | 8-9 | (-) | 0.1-2.1 | Si l’amélioration de la gestion est comprise comme une simple intensification impliquant une utilisation accrue d’engrais et des espèces introduites, elle pourrait alors réduire la diodiversité et accroître l’eutrophisation. | En cas de gestion durable des forêts, cela entraîne une amélioration de l'emploi et des moyens de subsistance | Si cela implique une augmentation des engrais et des espèces introduites, cela pourrait réduire la biodiversité et augmenter l’eutrophisation et les émissions de GES en amont. | Pas de données issues des IAM, mais dans des études sectorielles ascendantes avec une contribution moyenne | 7.4
Biochar | 6-7 | 10-345 | 0.3-6.6 | Émissions de particules et de GES liées à la biodiversité de production et réduction des stocks de carbone provenant de la récolte non durable de la biomasse | Augmentation des rendements des cultures et réduction des émissions non CO2 dues au sol ; résilience à la sécheresse | Impacts environnementaux associés aux particules, compétition pour la ressource biomasse | En développement – ​​pas encore dans les voies d’atténuation mondiales simulées par IAMs | 7.4
Captage et stockage direct du carbone dans l’air (DACCS) | 6 | 100-300 (84-386) | 5-40 | Augmentation de la consommation d’énergie et d’eau | Eau produite (modèles DAC à absorption solide uniquement) | Augmentation potentielle des émissions liées à l’approvisionnement en eau et à la production d’énergie | Dans quelques IAMS ; DACCS complète les autres méthodes CDR | 12.3
Bioénergie avec captage et stockage du carbone (BECCS) | 5-6 | 15-400 | 0.5-11 | Un déploiement inapproprié à très grande échelle conduit à une utilisation supplémentaire des terres et de l’eau pour cultiver la biomasse. La biodiversité et la perte de carbone sont dues à une récolte non durable de biomasse. | Réduction des polluants atmosphériques, sécurité du carburant, réduction optimale des résidus. Revenu supplémentaire, des avantages pour la santé et bien mis en œuvre, il peut améliorer la biodiversité | Concurrence pour des terres avec conservation de la biodiversité et production de fonds | Contribution substantielle aux IAM et aux études sectorielles ascendantes. Remarque : l’atténuation grâce aux émissions de GES évitées résultant de l’utilisation de la bioénergie est de la même ampleur que l’atténuation du CDR (TS.5.6) | 7.4
Altération améliorée (EW) | 3-4 | 50-200 (24-578) | 2-4 (<1-95) | Impacts miniers, impacts sur la qualité de l'air de la poussière de roche lors de son épandage sur le sol | Croissance améliorée des plantes, réduction de l'érosion, amélioration du carbone du sol, réduction de l'acidité, amélioration de la rétention d'eau. | Augmentation potentielle des émissions liées à l’approvisionnement en eau et à la production d’énergie | Dans quelques IAMS ; EW complète d’autres méthodes CDR. | 12.3

(-) : Données insuffisantes

Idées d'activités

Analyser un propos climatosceptique

- "Human CO_2 is a tiny % of CO_2 emissions"

“The oceans contain 37,400 billion tons (GT) of suspended carbon, land biomass has 2000-3000 GT. The atmosphere contains 720 billion tons of CO_2 and humans contribute only 6 GT additional load on this balance. The oceans, land and atmosphere exchange CO_2 continuously so the additional load by humans is incredibly small. A small shift in the balance between oceans and air would cause a CO_2 much more severe rise than anything we could produce.” (Jeff Condon, posted on December 6, 2008 ).

Expertiser des techno-solutions qui proposent d’agir sur le cycle du Carbone

- Article Reforestation massive : « Ce n’est pas le fait de planter des arbres qui va sauver la planète »
- Article Réparer la planète… pour mieux la détruire ?

Ressources complémentaires

Références bibliographiques / webographiques

Rapports

- GIEC, 2018 : Résumé à l’intention des décideurs, Réchauffement planétaire de 1,5 °C, Rapport spécial du GIEC sur les conséquences d’un réchauffement planétaire de 1,5 °C par rapport aux niveaux préindustriels et les trajectoires associées d’émissions mondiales de gaz à effet de serre, dans le contexte du renforcement de la parade mondiale au changement climatique, du développement durable et de la lutte contre la pauvreté [Publié sous la direction de V. Masson-Delmotte, P. Zhai, H. O. Pörtner, D. Roberts, J. Skea, P.R. Shukla, A. Pirani, W. Moufouma-Okia, C. Péan, R. Pidcock, S. Connors, J. B. R. Matthews, Y. Chen, X. Zhou, M. I. Gomis, E. Lonnoy, T. Maycock, M. Tignor et T. Waterfield]. Organisation météorologique mondiale, Genève, Suisse, 32 p.
- IPCC, 2013: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovern- mental Panel on Climate Change [Stocker, T.F., D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex and P.M. Midgley (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 1535 pp.
- IPCC, 2022: Climate Change 2022: Mitigation of Climate Change. Contribution of Working Group III to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [P.R. Shukla, J. Skea, R. Slade, A. Al Khourdajie, R. van Diemen, D. McCollum, M. Pathak, S. Some, P. Vyas, R. Fradera, M. Belkacemi, A. Hasija, G. Lisboa, S. Luz, J. Malley, (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, UK and New York, NY, USA. doi: 10.1017/9781009157926.003

Articles

- Blanchard, D.C. and Woodcock, A.H. (1980), The production, concentration, and vertical distribution of the sea-salt aerosol. Annals of the New York Academy of Sciences, 338: 330-347
- Friedlingstein, P., O'Sullivan, M., Jones, M. W., Andrew, R. M., Gregor, L., Hauck, J., Le Quéré, C., Luijkx, I. T., Olsen, A., Peters, G. P., Peters, W., Pongratz, J., Schwingshackl, C., Sitch, S., Canadell, J. G., Ciais, P., Jackson, R. B., Alin, S. R., Alkama, R., Arneth, A., Arora, V. K., Bates, N. R., Becker, M., Bellouin, N., Bittig, H. C., Bopp, L., Chevallier, F., Chini, L. P., Cronin, M., Evans, W., Falk, S., Feely, R. A., Gasser, T., Gehlen, M., Gkritzalis, T., Gloege, L., Grassi, G., Gruber, N., Gürses, Ö., Harris, I., Hefner, M., Houghton, R. A., Hurtt, G. C., Iida, Y., Ilyina, T., Jain, A. K., Jersild, A., Kadono, K., Kato, E., Kennedy, D., Klein Goldewijk, K., Knauer, J., Korsbakken, J. I., Landschützer, P., Lefèvre, N., Lindsay, K., Liu, J., Liu, Z., Marland, G., Mayot, N., McGrath, M. J., Metzl, N., Monacci, N. M., Munro, D. R., Nakaoka, S.-I., Niwa, Y., O'Brien, K., Ono, T., Palmer, P. I., Pan, N., Pierrot, D., Pocock, K., Poulter, B., Resplandy, L., Robertson, E., Rödenbeck, C., Rodriguez, C., Rosan, T. M., Schwinger, J., Séférian, R., Shutler, J. D., Skjelvan, I., Steinhoff, T., Sun, Q., Sutton, A. J., Sweeney, C., Takao, S., Tanhua, T., Tans, P. P., Tian, X., Tian, H., Tilbrook, B., Tsujino, H., Tubiello, F., van der Werf, G. R., Walker, A. P., Wanninkhof, R., Whitehead, C., Willstrand Wranne, A., Wright, R., Yuan, W., Yue, C., Yue, X., Zaehle, S., Zeng, J., and Zheng, B.: Global Carbon Budget 2022, Earth Syst. Sci. Data, 14, 4811–4900.
- Moore D., Heilweck M. and Petros P. (2022), Planetary bioengineering on Earth to return and maintain the atmospheric carbon dioxide to pre-industrial levels: Assessing potential mechanisms. Front. Astron. Space Sci. 9:797146. doi: 10.3389/fspas.2022. 797146.

Sites web

- Global Monitoring Laboratory of the National Oceanic and Atmospheric Administration, consulté le 16 juillet 2023, https://gml.noaa.gov/ccgg/trends/.

Crédits

Cette leçon fait partie du Socle commun de connaissances et de compétences transversales sur l'anthropocène (S3C), produit par la Fondation UVED et soutenu par le Ministère de l'Enseignement supérieur et de la Recherche.

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Première édition :  octobre 2023