Etude de la variabilité de la fugacité du CO2 dans
l’Atlantique tropical: de l’échelle diurne à saisonnière
Cycle du carbone
Le cycle naturel du carbone
Le carbone est stocké dans plusieurs réservoirs : océan, atmosphère, biosphère continentale et réservoirs géologiques. Le temps de résidence du carbone dans chacun de ces réservoirs varie de 4 à 5 ans [Starr, 1993] dans l’atmosphère à des centaines de millions d’années dans la lithosphère. La plus grosse quantité de carbone se trouve dans la lithosphère, véritable réserve de carbone minéral sous forme de carbonate de calcium (CaCO3) (50.106 Gigatonnes de Carbone (GtC)). Il y a également 27.103 GtC dans la matière organique fossile (charbon, pétrole, gaz). La formation de ces roches non minéralisées est due à l’enfouissement rapide de grosses quantités de matière organique. Le réservoir atmosphérique est le plus petit des réservoirs avec 597 GtC pendant la période préindustrielle et l’océan est le second plus grand avec 38.103 GtC (FIGURE I.1) [CHANGE-IPCC, 2007]. Le cycle global du carbone peut être divisé en deux parties selon les temps d’échanges : • Les échanges de carbone sont influencés par les processus naturels géologiques avec un temps d’échange allant de milliers à des centaines de millions d’années. Il s’agit de processus tels que l’enfouissement des matières organiques dans les sédiments et roches sédimentaires et leur transformation en combustibles fossiles. Le carbone contenu dans l’atmosphère sous forme de dioxyde de carbone (CO2) se dissout lentement dans l’océan. Il réagit avec le calcium pour former du CaCO3, qui précipite et se dépose au fond des océans. Les roches sédimentaires ainsi créées sont intégrées dans la lithosphère. La lithosphère va ensuite relâcher du carbone selon deux processus géologiques : 1. le volcanisme qui libère une quantité importante de carbone sous forme de CO2, de manière ponctuelle. 2. l’érosion/altération qui libère le carbone contenu dans les roches, de manière continue. l’enfouissement de la matière organique, l’absorption océanique et la précipitation des carbonates. • Le cycle court correspond aux mécanismes s’effectuant sur des périodes inférieures au siècle. Le processus de base du recyclage du carbone à court terme dans l’océan et sur les terres émergées est le couple photosynthèse-respiration qui correspond aux échanges biologiques. La photosynthèse transforme le carbone minéral en carbone organique (Cor), la respiration et la dégradation produisent du CO2. De plus, des échanges ont lieu entre l’atmosphère et l’océan mais également entre l’atmosphère et la biosphère continentale. Les échanges de CO2 entre l’océan et l’atmosphère sont estimés à environ 90 GtC.an1 , légèrement inférieurs à ceux observés entre la biosphère continentale et l’atmosphère (environ 6 I.1 Cycle du carbone 120 GtC.an1 ). Les échanges entre les réservoirs ne sont pas négligeables devant la teneur du réservoir atmosphérique et une perturbation de ce dernier peut interférer sur tout le cycle. Figure I.1 – Le cycle du carbone depuis les années 1990. Les principaux flux annuels sont exprimés en GtC.an1 . Les flux préindustriels sont en noir et les flux considérés comme liés à l’homme sont en rouge [IPCC, 2007].
La perturbation humaine
Le CO2 est par ordre d’abondance, après l’azote (N) (78,11 %), l’oxygène (O2) (20,95 %) et l’argon (0,93 %), le quatrième élément dans l’atmosphère mais présent seulement à hauteur de 0,03 %. Il est, après la vapeur d’eau (H2O), le gaz à effet de serre le plus abondant. L’augmentation de CO2 dans l’atmosphère au cours de l’ère industrielle, due aux activités de l’homme, modifie le cycle global du carbone sur la Terre. La concentration de CO2 atmosphérique est passée d’une valeur de 280 ppm pendant la période préindustrielle à 387 ppm en 2009 et 389 ppm en 2010 en moyenne annuelle . Ces valeurs excèdent de loin les valeurs estimées dans les carottes de glace pendant les 650 000 ans avant l’ère industrielle qui sont comprises entre 180 et 300 ppm [Siegenthaler et al., 2005]. Les flux entre l’atmosphère et d’une part la biosphère terrestre et d’autre part l’océan ont changé comme le montrent les flèches rouges sur la FIGURE I.1. Ces perturbations sont l’un des moteurs du changement climatique à cause de leurs effets persistants sur l’atmosphère. L’une des conséquences de 7 Contexte général de l’étude l’augmentation du CO2 atmosphérique, d’après les conclusions du Groupe d’Experts Intergouvernemental sur l’Evolution du Climat (GIEC), est la hausse des températures moyennes pour 1906-2005 qui atteint 0.74 [0,5-0,94] C et qui est estimée entre 1,1C et 6,4 C d’ici à 2100 selon les scénarios [CHANGE-IPCC, 2007]. La FIGURE I.1 montre que les « émissions anthropogéniques » sont divisées en deux parties : • le CO2 issu des combustions des énergies fossiles et de la production de ciment sont les principales sources de CO2 atmosphérique depuis la période préindustrielle. Les émissions de CO2 fossile sont passées de 6,40,4 PtC.an1 dans les années 1990 à 7,70,4 PtC.an1 entre 2000 et 2008 et 8,40,5 PtC.an1 en 2009 [Friedlingstein et al., 2010; Le Quéré et al., 2009]. Ces émissions sont plutôt bien connues, avec une incertitude de 6% [Marland, 2008]. • le CO2 issu de la déforestation et du développement agricole, dégagé par le changement d’utilisation des sols. En 1990, ces émissions étaient estimées à 1,60,7 GtC.an1 et entre 2000 et 2008 à 1,40,7 GtC.an1 . Elles sont moins bien estimées que les précédentes avec une incertitude de 50% [Le Quéré et al., 2009; Le Quéré, 2010]. Le CO2 dans l’atmosphère augmente à cause de la capacité limitée des réservoirs à absorber le CO2 rejeté par les activités anthropiques. En moyenne, 43%.an1 des émissions totales de CO2 entre 1959 et 2008 sont restées dans l’atmosphère, avec une forte variabilité interanuelle. Le taux d’augmentation dans l’atmosphère de CO2 est passé de 3,10,1 GtC.an1 entre 1990 et 2000 à 4,10,1 GtC.an1 entre 2000 et 2008 [Le Quéré et al., 2009]. Des changements à long terme de l’efficacité des puits naturels de CO2 atmosphérique ont été mesurés sur la période 1959-2006. On observe une tendance à la diminution des puits (-0,250,21%.an1 ), c’est à dire que le pourcentage de CO2 lié aux émissions humaines qui est resté dans l’atmosphère est passé de 40% en 1960 à 45% durant les deux dernières décennies [Canadell et al., 2010; Le Quéré, 2010]. Dans ce contexte, identifier les processus responsables de la variabilité du CO2 océanique est un préalable indispensable à la prévision de l’évolution du puits océanique de CO2.
Le cycle océanique du carbone
a – Le système des carbonates
Dans l’océan, le carbone existe sous forme de molécules organiques mais plus abondamment sous forme inorganique (90%). Parmi les formes inorganiques, moins de 0,5% est sous forme de CO2 aqueux. Les 3 autres formes sont le produit des réactions d’hydratations : les ions bicarbonates, HCO 3 , à 86,5 %, les ions carbonates, CO2 3 , à 13 % et l’acide carbo8 I.1 Cycle du carbone nique, H2CO3, à 0,001 %. Ces différentes espèces sont liées par leurs équations d’équilibre. L’équation de dissociation de l’acide carbonique dans l’eau de mer est : CO2aq .
Introduction générale |
