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Sciences · Biologie

Le cycle du carbone

Le cycle du carbone est la circulation permanente du carbone entre l’atmosphère, les êtres vivants, les océans, les sols et les roches, par la photosynthèse, la respiration, la dissolution et la sédimentation.

Mis à jour le 5 min de lecture

Le carbone est l’élément de base de la matière vivante : il compose environ la moitié de la masse sèche des organismes. Sur Terre, sa quantité totale est quasiment fixe ; il ne fait que changer de forme et de réservoir. Le CO2 de l’air devient sucre dans une feuille, puis tissu d’un herbivore, puis à nouveau CO2 expiré, ou se retrouve piégé pour des millions d’années dans un calcaire ou un gisement de pétrole. Comprendre ce cycle est indispensable pour comprendre le climat.

Les grands réservoirs

Les quantités sont exprimées en milliards de tonnes de carbone (gigatonnes, GtC), selon les ordres de grandeur retenus par le GIEC.

RéservoirStock approximatifForme principale
Roches sédimentaires (calcaires, schistes)plusieurs dizaines de millions de GtCCarbonates, carbone organique dispersé
Océan profondenviron 37 000 GtCIons bicarbonate et carbonate dissous
Combustibles fossiles (réserves)environ 1 000 à 2 000 GtCCharbon, pétrole, gaz
Sols et pergélisolenviron 1 500 à 2 400 GtC dans les sols, plus de 1 000 GtC dans le pergélisolHumus, matière organique
Atmosphèreenviron 870 à 900 GtC aujourd’hui (environ 590 avant l’ère industrielle)CO2, méthane
Végétationenviron 450 à 650 GtCBois, feuilles, racines
Océan de surfaceenviron 900 GtCCO2 dissous, plancton

Le cycle court : quelques jours à quelques siècles

La photosynthèse et la respiration

Les plantes, les algues et le phytoplancton captent le CO2 par la photosynthèse et le transforment en matière organique. Environ 120 GtC par an sont ainsi absorbées par la végétation terrestre et à peu près autant par l’océan. Presque tout ce carbone retourne à l’atmosphère par la respiration cellulaire des plantes, des animaux, des champignons et des micro-organismes décomposeurs. Le carbone circule aussi le long des chaînes alimentaires.

La courbe du CO2 mesurée au Mauna Loa (Hawaï) depuis 1958 oscille chaque année : la concentration baisse au printemps et en été boréal, quand les forêts de l’hémisphère Nord poussent, et remonte en hiver. La planète « respire » au rythme des saisons.

Les échanges avec l’océan

Le CO2 se dissout dans l’eau de mer, surtout dans les eaux froides des hautes latitudes, et en ressort dans les eaux chaudes. Deux « pompes » envoient ensuite le carbone vers les profondeurs :

  • la pompe physique : les eaux froides et denses, chargées de CO2, plongent dans l’Atlantique Nord et autour de l’Antarctique (voir courants marins) ;
  • la pompe biologique : le plancton fixe le carbone ; une partie de ses débris et de ses coquilles coule vers le fond.

La décomposition et les sols

La matière organique morte est dégradée par les décomposeurs ; une partie est stockée dans l’humus des sols, parfois pour des siècles. Dans les tourbières et le pergélisol, le froid et l’eau ralentissent la décomposition et accumulent d’énormes stocks.

Le cycle long : des millions d’années

ProcessusEffet sur le CO2 de l’air
Altération chimique des roches silicatées par la pluieConsomme du CO2, transporté vers l’océan sous forme de bicarbonates
Formation de calcaires (coquilles, coraux, sédiments)Stocke le carbone dans les roches
Enfouissement de matière organiqueForme charbon, pétrole et gaz sur des millions d’années
Volcanisme et dégazage aux zones de subductionRend du CO2 à l’atmosphère

Ce cycle géologique, réglé par la tectonique des plaques, agit comme un thermostat : quand le climat se réchauffe, l’altération s’accélère et retire du CO2. Mais il est extrêmement lent, de l’ordre de centaines de milliers d’années.

La perturbation humaine

Depuis la révolution industrielle, la combustion du charbon, du pétrole et du gaz transfère en quelques décennies vers l’atmosphère du carbone stocké pendant des millions d’années. La déforestation y ajoute sa part.

Bilan annuel moyen (ordre de grandeur, années 2010-2020)GtC par an
Émissions des combustibles fossiles et du cimentenviron 9 à 10
Émissions liées aux changements d’usage des solsenviron 1 à 1,5
Absorbé par l’océanenviron 2,5 à 3
Absorbé par la végétation terrestreenviron 3
Restant dans l’atmosphèreenviron 5

Environ la moitié des émissions restent donc dans l’air, ce qui a fait passer la concentration de CO2 d’environ 280 ppm avant 1850 à plus de 420 ppm aujourd’hui. C’est la cause principale du renforcement de l'effet de serre et du réchauffement climatique. Le CO2 absorbé par l’océan l’acidifie : son pH de surface a baissé d’environ 0,1 unité depuis l’ère préindustrielle, ce qui gêne les organismes à coquille calcaire.

Les rétroactions inquiètent : le dégel du pergélisol, les incendies et les sécheresses pourraient transformer certains puits de carbone en sources.

Le méthane, l’autre gaz carboné

Le méthane (CH4) participe aussi au cycle. Il est produit par des archées dans les milieux sans oxygène (zones humides, rizières, ruminants, décharges) et par les fuites des exploitations fossiles. Il ne reste en moyenne qu’une douzaine d’années dans l’atmosphère avant d’être oxydé en CO2, mais son pouvoir réchauffant est bien plus fort que celui du CO2 à masse égale.

Questions fréquentes

Les forêts absorbent-elles tout le CO2 qu’elles captent ?

Non. Une forêt mature est à peu près à l’équilibre : elle rejette par la respiration et la décomposition presque autant qu’elle absorbe. Ce sont les forêts en croissance et le stockage dans les sols et le bois qui constituent un puits net.

Quel est le plus grand puits de carbone ?

À l’échelle des temps humains, l’océan, qui a absorbé environ un quart des émissions humaines de CO2. À l’échelle géologique, les roches carbonatées, de très loin le plus grand réservoir.

Le cycle du carbone peut-il revenir seul à l’équilibre ?

Oui, mais très lentement. Une partie du CO2 émis sera absorbée par l’océan en quelques siècles ; le retour complet à l’état initial par l’altération des roches demanderait des dizaines à des centaines de milliers d’années.

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