Le changement climatique pour les nuls

(suite)

Cycle du carbone et production de GES

Sur le document consacré à l’effet de serre et au forçage radiatif, ce schéma  met en lumière les principaux GES et on voit que le CO2 se taille la part du lion :

Dans un premier temps, mettons de côté les autres responsables du réchauffement. L’activité du soleil,  qui augmente et diminue tous les 11ans, est responsable depuis 120 ans d’un forçage radiatif de 0,12 W/m2 en moyenne, ce qui n’est pas négligeable, MAIS… C’est dix à quinze fois moins que le forçage dû au CO2… Il est clair que le forçage purement anthropique (=du fait de l'homme) n’explique pas toutes les anomalies climatiques, mais il est clair aussi que le forçage naturel (soleil, volcans), ne peut pas non plus expliquer les anomalies climatiques observées depuis les années 1980.

 

La volonté de mieux comprendre les variations de CO2 est une très bonne introduction à l’étude du cycle du Carbone ! Allons-y !

Pour les sources, un grand merci  au travail du professeur Pierre Thomas, géologue, professeur à l’Ecole Normale Supérieure de Lyon, précédemment au CNRS.

 

Tout d’abord, pour faire du CO2, il faut du carbone (C) et de du gaz oxygène (O2)

Le carbone existe sous forme organique et inorganique

On le trouve, du plus petit au plus grand nombre, dans l’atmosphère, la biosphère, l’océan, la croûte terrestre et le manteau.

Les réservoirs sont principalement les roches et sédiments de la  lithosphère océanique, les masses d'eau et bien en dessous, l'atmosphère et la biosphère.

 

Le schéma très simplifié (si, si) du cycle carbone-oxygène, c’est ça :

Dans tous ces échanges, il suffit d’une modification (que la raison soit naturelle ou anthropique) et le CO2 atmosphérique change … Donc le climat change !

Premier exemple, les échanges Océan – Atmosphère :

Le CO2 est beaucoup plus soluble dans l’eau froide que dans l’eau chaude, l’océan absorbe le CO2 dans les zones polaires et le relâche dans les zones chaudes (circulation thermohaline).

La durée du trajet de l'eau nord-atlantique profonde jusque dans les océans Pacifique et Indien serait de l'ordre de cinq cents ans. Un tel déplacement se mesure grâce à la datation à l'isotope carbone 14 (14C), fabriqué en permanence dans l'atmosphère par le rayonnement cosmique et présent sous forme de molécules de gaz carbonique. Ce gaz se dissout dans l'océan de surface, si bien que le 14C y est abondant et constamment renouvelé. En revanche, une fois que l'eau quitte la surface, la quantité du 14C décroît car ses atomes se désintègrent. La mesure de cette décroissance permet de dater les eaux profondes des océans en évaluant le temps qui s'est écoulé depuis qu'elles ont quitté la surface. On a ainsi montré que les eaux profondes de l'océan Pacifique ont environ mille cinq cents ans, tandis que celles de l'océan Atlantique n'ont que trente ans.

Si la planète se réchauffe, l’océan largue un peu plus de CO2 dans l’atmosphère, donc l’effet de serre augmente puisque le CO2 est un GES, du coup la température de l’air et de la mer augmente, ce qui relargue un peu plus de CO2, qui augmente encore l’effet de serre du coup, etc, etc…(l’inverse en cas de refroidissement évidemment)

C’est la rétroactivité ou effet « boule de neige » et c’est ça qui devient inquiétant si on dépasse les 2° de réchauffement, le phénomène d’emballement qui pourrait ( ?) en découler…

Pour les échanges (Atmosphère – Océan) – Biomasse :

 Il s’agit ici principalement de la photosynthèse et de la respiration cellulaire avec comme conséquence la production et la consommation d’oxygène (di-oxygène si on veut être précis).

Ne le soyons pas et simplifions +++.

Dans la photosynthèse, on met du CO2, de l’eau , de la lumière et on obtient du sucre et de l’oxygène… On a donc produit du glucose,de l’O2 et consommé du CO2.

Pour la respiration, toujours en simplifiant, on consomme du sucre et de l’oxygène en produisant du CO2 , de l’eau et de l’énergie

Au plus simple : CO2 (44g) <--> C (12g) + O2 (32g)

Le rapport massique de l’O2 libéré et du C fixé par la photosynthèse est de 32/12.

On pourrait croire que chaque fois que 12g de carbone sont fixés (dans du glucose), 32g d’oxygène sont libérés et s’accumulent dans l’atmosphère …

Mais NON ! Car à chaque fois, la réaction réabsorbe les 32g d’O2 produits… Dans des systèmes à l’équilibre, le bilan est nul, l’O2 de l’atmosphère ne vient pas de la photosynthèse…

CQFD :

  • On plante un gland

  • Quelques dizaines d’années plus tard, on a un chêne (disons 10t de bois sec). Pour cela, et grâce à l’énergie solaire, il a absorbé à peu près 15 tonnes de CO2, de l’eau, et a produit 10t de bois sec et environ 10t d’oxygène.

  • Il meurt … Les insectes, champignons, s’en nourrissent, au bout d’un certain temps, il ne reste rien.

  • Pour ça, champignons et insectes ont absorbé 10t d’oxygène, décomposé les 10t de bois et libéré de l’eau et 15t de CO2…

 

Le bilan est nul ! Sur plusieurs années, une forêt « à l’équilibre » ne produit ni ne consomme O2 et CO2 !

 

L’O2 ne devrait exister que dans la proportion 32/12 avec le carbone, que ce soit avec les forêts, plantes et planctons (le zooplancton absorbant ce que produit le phytoplancton, il y a aussi équilibre) donc il ne devrait y avoir que 8000Gt d’O2… Or il y en a 1 000 000Gt !!

D’où vient le surplus ?

Retour au circuit du cycle du Carbone !

Pour caricaturer, l’Amazonie et le plancton ont produit  8000Gt d’O2, une paille à côté du million fourni par la photosynthèse ancienne… (Mais uniquement si elle a été suivie de sédimentation et de fossilisation ! Donc quand la biomasse produite n'a pas été respirée ou métabolisée)

Les organismes qui échappent à la décomposition deviennent du charbon en cas de forêts, du pétrole en cas de planctons, du carbone dispersé dans les marnes noires.

À chaque fois que des processus géologiques entrainent la fossilisation de 12g de carbone, les 32g d’O2 ne sont pas consommés par respiration et décomposition ! Ils s’accumulent dans l’atmosphère… C'est l'O2 libéré par les végétaux anciens (ex: carbonifère) devenus matière organique fossile.

L’O2 provenant de la sédimentation de matière organique (emportée par l'eau hors des forêts donc pas respirée ou décomposée) est en réalité reconsommé par l’érosion, l'altération, l'oxydation des roches réduites, par l’hydrothermalisme aussi … 39 000 000 Gt d’O2 ont oxydé du soufre, du fer … et se retrouvent piégés sous forme de gypse, de fer rubané … Les chaînes de montagne et les dorsales absorbent l'O2  produit par la sédimentation des matières organiques.

Sur tout l'O2 de l'atmosphère, 1/125 vient donc des forêts (et autres écosystèmes), et 124/125 (la quasi totalité) vient d'ailleurs.

Répétons :

D'où viennent les 1.000.000 Gt d'oxygène atmosphérique actuel ?

L'O2 de l'atmosphère est en fait la contrepartie de la matière organique quand (et seulement quand) celle ci n'a pas été respirée et métabolisée. Le seul processus qui empêche cette métabolisation de la matière organique, c'est sa fossilisation (sous forme de kérogène, de matière organique dispersée, de charbon, de pétrole...). À chaque fois qu'il se synthétise de la matière organique contenant 12 g de C et que cette matière organique se fossilise, les 32 g d'O2 libérés ne sont pas réutilisés, et s'accumulent dans l'atmosphère. Nous respirons donc un O2 libéré par des végétaux anciens (par exemple carbonifères) devenus matière organique fossile.

Dans le cycle du carbone, un 4ème circuit fait intervenir les calcaires (CaCO3) dont la fabrication relâche du CO2.

Mais comme le calcaire est soluble dans l’eau chargée de CO2, il y a absorption … En circuit fermé, on a un équilibre sur le long terme, le CO2 reste constant...

Sauf si la roche s’altère (eaux de pluie et du sol) …Là, l’altération des silicates calciques consomme du CO2.

Plus la roche en contient, plus elle pompe de CO2 ! Les basaltes sont les champions, suivi des granites. La suite des réactions d’altération des silicates calciques de surface et à basse température « fabrique » de l’argile et du calcaire et consomme définitivement du CO2. Il en disparaît régulièrement (0,1Gt/an)

Plus la température augmente, plus les roches s’altèrent, plus ça consomme de CO2. Encore un effet boule de neige mais cette fois la rétroaction est négative.

Malheureusement, c’est une rétroaction lente, qui peut limiter mais pas contrer l’augmentation de l’effet de serre.

Le CO2, à raison de 0,1Gt/an, disparaît de la surface mais pourtant il en reste, pourquoi ??

Réponse : le volcanisme !

Du calcaire retourne au manteau grâce à la subduction.

Il subit la réaction inverse à haute température : Calcaire+Silice (ou argile) donne silicate de Ca+eau+CO2.

Le CO2 retourne au manteau et pourra ressortir par les volcans.

C’est ce qu’on reproduit dans les cimenteries !

Suite: les GES anthropiques

Les  4 principales activités humaines qui modifient le cycle du carbone et qui relâchent des GES

 

Par ordre d’importance croissante:

1- La fabrication et l’utilisation de ciment.

Parmi tous les procédés industriels, la production de ciment produit le plus de dioxyde de carbone. Pour créer l'ingrédient principal du ciment, l'oxyde de calcium, le calcaire est chimiquement transformé en étant chauffé à une température très élevée. Ce procédé produit de grandes quantités de dioxyde de carbone comme sous-produit de la réaction chimique; de telles quantités, que la production de 1000 kg de ciment génère près de 900 kg de  CO2.

À l’échelle mondiale, le secteur de la construction est responsable d’environ 10% des émissions de gaz à effet de serre. À lui seul, le béton est responsable de près de 52% des émissions du secteur du Bâtiment!

 

2- Les ruminants et les rizières qui relâchent du méthane

Dans le cycle du carbone, il faut également comptabiliser le méthane (CH4), émis par l’ensemble des animaux, mais surtout par les ruminants (dont la digestion se fait sans oxygène) et par certaines zones humides (rizières, tourbières, décharges...)

Les animaux d’élevage dits « ruminants » (bovins, ovins et caprins) sont responsables d’une grande partie des émissions de méthane d’origine agricole. En effet, ce sont des herbivores capables de régurgiter leur nourriture afin de la remastiquer (rumination). Cette digestion particulière leur fait éructer (rots) du méthane après fermentation des aliments dans le rumen (fermentation entérique). Plusieurs facteurs influencent les émissions de méthane entérique :

• la race et le type génétique,

• le niveau de production animale,

• l’activité physique,

• la composition et la digestibilité des aliments.

Les bovins sont les ruminants les plus émetteurs de méthane, avec 62,3 kg de CH4 en moyenne par animal et par an.

Les rizières émettent principalement deux gaz réchauffant la planète : le méthane et le protoxyde d'azote (N2O). Les deux ont un pouvoir réchauffant très supérieur à celui du CO2. 

 

3- Déforestation, labours profonds, utilisation des nitrates, pratiques agricoles, qui détruisent la matière organique, en particulier des sols.

La déforestation restitue 1,4 Gt de CO2 à l’atmosphère

C’est la fertilisation azotée des sols agricoles qui est la première source de GES d’origine agricole en Europe (44%), devant la fermentation entérique (27%), suivie de la consommation énergétique (13%) et la gestion des déjections animales, sources de méthane (10% des émissions agricoles) et de protoxyde d’azote (6%).Les émissions agricoles en Europe ont diminué d’environ 21% entre 1990 et 2007. Cela s’explique à la fois par le déclin du secteur agricole dans certains pays européens mais aussi par une rationalisation des pratiques et une optimisation de la fertilisation azotée.

 

4- L’utilisation des combustibles fossiles

  • pour l’électricité

  • pour les transports

  • pour l’industrie

  • pour l’habitat

Depuis le début de l’ère industrielle, l’Homme extrait les roches combustibles du sol afin de les utiliser comme carburant. Leur combustion conduit à une libération massive de CO2 dans l’atmosphère. On estime aujourd’hui que l’exploitation des roches combustibles rejette 7,7 Gt de CO2 dans l’atmosphère.

La combustion des combustibles fossiles produit du gaz carbonique CO2. La quantité de CO2 produit par une tep (tonne équivalent pétrole*)  de combustible fossile dépend de sa composition chimique, plus précisément des proportion de carbone, d’hydrogène et d’oxygène de ses molécules. L’Observatoire de l’énergie a retenu les coefficients d’émission moyens suivants (en tonne de carbone par tep1) pour le charbon, le pétrole et le gaz naturel.

Emissions de carbone associées aux combustibles fossiles

Emissions unitaires:           Charbon        Pétrole      Gaz naturel

Tonne de carbone/tep*:       1,1230           830              653

 

Ce tableau montre des différences importantes entre ces différents produits : la combustion d’une tep de gaz naturel n’émet que 58% du CO2 produit par une tep de charbon. Ces produits énergétiques subissent des transformations avant leur utilisation finale. Ces transformations, en particulier en électricité, sont effectués à travers des technologies dont les efficacités de conversion sont très variables. Le contenu en émission de carbone de l’énergie finale produite dépend donc à la fois du combustible employé et de la technologie de conversion.

Le CO2 est passé de 280 à 415 ppm (parties par million) en 150 ans (+48%) et le méthane de 0,6 à 1,8 ppm pendant la même période (+300%) .

En renforçant l’effet de serre, ils ont fait monter la température moyenne de la terre de 0,8°.

Quand on observe les variations quaternaires du cycle du carbone :

les variations de température commencent quelques siècles avant celles du CO2.

Ces variations régulières ont le même rythme que des variations « astronomiques » (distance Terre -Soleil, inclinaison de la Terre...). C’est l’astronomie qui est la « cause première », le déclencheur.

Depuis quelques millions d’années, l’astronomie fournissait le signal, et le CO2 jouait le rôle d’amplificateur. Depuis 150 ans, le signal ne varie pas (ou peu) mais l’Homme augmente considérablement l’amplificateur.

 

Le futur du professeur Thomas  (commentaire sur la relativité du temps):

À l’échelle de 100 ans.

Le CO2 a augmenté de 35% et la température moyenne de 0,8°C. Les perspectives indiquent un doublement du CO2 et une augmentation de la température de 2 à 6°C d’ici la fin du siècle. C’est gravissime à cette échelle de temps !

 

À l’échelle du prochain millier d’années.

Il y a de 30 à 60 ans de réserve de pétrole, le double de gaz, pour quelques siècles de charbon. D’ici 200 à 300 ans, le CO2 et la température s’arrêteront d’augmenter par la force des choses (sauf si ???). CO2 et températures redescendront en quelques millénaires. Mais d’ici là, de nombreux écosystèmes (dont l’Humanité) en « baveront ». Mais qu’est-ce que quelques millénaires pour la planète ?

 

À l’échelle des derniers millions d’années.

La hausse précédente, anthropique et gravissime à l’échelle du siècle ou du millénaire, s’inscrit dans des variations naturelles et périodiques de la température et du CO2 qui durent depuis quelques millions d’années. Ces variations naturelles sont dues aux interactions entre orbite de la Terre, calottes glaciaires, CO2 océanique, sols... La température moyenne de la Terre oscille entre +10 et +16°C . On en est actuellement à +15, mais on va peut-être atteindre +20°C dans un siècle, et sortir du domaine « habituel » des variations de température ; et en sortir plus vite que d’habitude. Puis ça redeviendra normal, faute de CO2 à relâcher, sauf si ... L’astronomie nous dit que la prochaine glaciation aura sans doute lieu dans 64 000 ans

 

À l’échelle de plusieurs centaines de millions d’années.

Depuis 80 millions d’années, la tendance globale est à la baisse de CO2 et de la température, malgré toutes les oscillations déjà vues. Pendant ces 80 millions d’années, le CO2 a été divisé par 10 et la température moyenne a baissé de 10 à 20°C. Entre –300 millions et – 80 millions au contraire, la tendance était à la hausse du CO2 (x 10) et de la température (+ 10 à 20°C). La planète Terre a très bien résisté à ces variations (mais pas tous ses habitants). Ces variations de CO2 et de Température sont dues aux variations d’importances relatives entre volcanisme, formation des montagnes, formation des charbons et calcaires... On peut supposer que le froid actuel durera tant que durera l’Himalaya (qui est une gigantesque pompe à CO2), c’est-à-dire pour encore pas mal de millions d’années. Quand l’Himalaya sera aplani, le CO2 remontera, et la température aussi, à moins que d’autres montagnes ne se forment en pays intertropical humide.

 

À l’échelle de 4,5 milliards d’années.

Ces hauts et ces bas s’inscrivent dans deux tendances générales :

(1) Le CO2 baisse, baisse... Il a été divisé par 10 000 à 100 000 depuis l’origine de la Terre. Cette diminution est due à l’accroissement lent et progressif de la quantité de calcaires sur Terre

(2) pendant la même période, la puissance du Soleil a augmenté d’environ 50%. La baisse du CO2 a « presque » été compensée par la hausse du Soleil. À quelques brèves périodes près (boules de neige), la température de la Terre est toujours restée entre 100 et 0°C. Mais une tendance globale à la baisse de température existe (de +70 à +20°C).

 

À l’échelle du futur lointain.

La puissance rayonnée par le Soleil a augmenté de 50% depuis 4,5 Ga, et ça va continuer. Le CO2 baisse, baisse inexorablement (il en est à 0,04% !). Les deux phénomènes ne se compensent pas tout à fait, et la baisse du CO2 semble l’emporter, avec baisse globale de la température depuis 4 Ga. Deux futurs (très lointains) sont envisageables :

(1) Cela continue comme ça ; la Terre se refroidira légèrement, mais surtout le CO2 va venir à manquer (c’est le facteur limitant de la photosynthèse), « on ? » mourra de faim, en pays froid.

(2) La baisse du CO2 s’arrête, alors l’augmentation du Soleil l’emportera, vite renforcée par « l’effet océanique ». « On ?» mourra  de chaud. C’est le scénario le plus probable. Dans les deux cas, se sera la fin de la vie, en attendant la fin de la Terre dans 4 à 5 milliards d’années.

 

 

 

 

 

 

 

En bonus, un article de l’université de Laval (Canada) sur le miroir aux alouettes des puits de carbone et de la théorie de la reforestation mal digérée …

http://www2.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/s3/que.faire.html : (2005 univ Laval Québec)

Extrait :

On a abondamment discuté des divers puits de carbone au point 3.4.2. Le moyen le plus immédiat de capter le carbone à une grande échelle, c'est de le stocker dans la matière organique dont la fabrication est reliée au cycle photosynthèse-respiration (cycle court). Donc de fabriquer de la matière organique. Simple! Plantons des arbres! Mais, en contrepartie, plus on produira de matière organique, plus il y aura production de CO2 par oxydation; le soi-disant puits de carbone risque de devenir un miroir aux alouettes. Car il s'agit là d'un puits à cycle très court. En effet, au delà de la démarche toute bucolique de planter un arbre, il faut savoir que les géochimistes ont démontré qu'une forêt à maturité consomme autant d'O2 qu'elle en produit et qu'en terme de puits de carbone, le bilan est nul, c’est-à-dire qu’il y a équilibre entre photosynthèse et respiration en terme d’échange de carbone. La grande forêt boréale canadienne ou russe en est un exemple. Une autre donnée importante à considérer est qu'une forêt ou une prairie en friche recèle dans son sol de 5 à 10 fois plus de carbone qu’un sol cultivé. C’est donc dire que la seule reforestation susceptible d’agir comme puits de carbone est celle qui remplacerait des sols cultivés. Est-on prêt à sacrifier des terres cultivées?

Maintenant que vous êtes au point sur les GES (gaz à effet de serre), vous pouvez consulter:

 

Les chiffres clés du climat France, Europe et Monde 2019 Edition 2019

en cliquant sur ce lien

Les chiffres 2018-2019 sont sur ce lien

Ainsi que le rapport secten èdition juillet 2019, le bilan des émissions de gaz à effet de serre et polluants atmosphériques de 1990 à 2017 sur ce lien

Association de Défense de l'Environnement du Besland: Le Besland est le nom d'un lieu-dit à Bossée, ancien site gallo-romain et source de légendes. Il est témoin de notre patrimoine à travers les siècles.

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