vignette|redresse=2|Schéma du cycle du carbone : l'immense réservoir de carbone est la lithosphère, qui stocke (Gt) de carbone minéral, sous forme de roches carbonatées et de carbone dans la matière organique fossile (réévaluation par rapport aux données du schéma). L'hydrosphère est un réservoir intermédiaire qui stocke de carbone sous forme de gaz carbonique (). L’atmosphère et la biosphère sont des petits réservoirs : le premier stocke principalement sous forme de , le second deux à trois fois plus selon les auteurs. vignette|redresse=2|Cycle du carbone organique du sol.. Légende : SOC=soil organic carbon ; DOC=dissolved organic carbon.
Le cycle du carbone est le cycle biogéochimique (ensemble des échanges d'un élément chimique) du carbone sur une planète. Celui de la Terre est rendu plus complexe par l'existence d'importantes masses d'eau océaniques, et surtout par le fait que la vie (et donc les composés carbonés qui en sont le substrat) y tient une place importante. Il est caractérisé par l'importance relative des stocks emmagasinés dans les quatre grands réservoirs naturels de carbone de la planète (atmosphère, biosphère, hydrosphère et lithosphère), par les échanges entre ces réservoirs, et le renouvellement dynamique (appelé « turnover ») général du carbone du sol (pédosphère) qui inclut généralement la minéralisation (conversion du carbone organique en dioxyde de carbone) et la transformation d'un réservoir de carbone à un autre ( fraîche et matière organique humifiée).
L'étude des cycles des principaux éléments chimiques (dont le carbone) a toujours été d'un grand intérêt scientifique et technique ; cela permet notamment d'évaluer la disponibilité, prédire les conditions et zones d'accumulation (pour une exploitation), définir les leviers à actionner pour optimiser localement une production sensible à un élément
Le cycle du carbone est très important pour la biosphère, puisque la vie est fondée sur l'utilisation de composés à base de carbone : la disponibilité en carbone fait partie des facteurs primordiaux pour le développement des êtres vivants sur Terre.
Enfin l'étude de ce cycle a récemment pris un relief tout particulier dans le cadre de la question du réchauffement climatique : deux des gaz à effet de serre en cause, le dioxyde de carbone () et le méthane (CH4), participent au cycle du carbone, dont ils sont la principale forme atmosphérique. Plus largement que les questions climatiques, l'étude du cycle du carbone permet de déterminer les effets du relargage par les activités humaines du carbone stocké sous forme de combustibles fossiles.
Réservoirs de carbone et vitesses d'échanges vignette|Cycle simplifié du carbone.
Il existe quatre types de réservoirs de carbone : l'atmosphère et l'hydrosphère (océans principalement), où le carbone est diffus et dissous principalement sous forme de gaz carbonique (), et plus marginalement de méthane (CH4) ; la biosphère, où le carbone est fixé dans la biomasse, sous forme de carbone organique ou de constituant squelettique (y compris en mer, sous forme de biomasse planctonique) ; la lithosphère, où le carbone est fixé sous forme de roches fossiles, combustible (pétrole, charbon, gaz) ou calcaire ; le manteau terrestre, où du gaz carbonique est présent sous forme diffuse et dissoute.
Le cycle naturel du carbone dans le système Terre peut être évalué en analysant la dimension, les flux d'échanges et le temps de résidence d'un atome de carbone dans les différents réservoirs.
En termes de flux, l'essentiel du cycle se fait entre l'atmosphère, les couches superficielles du sol et des océans, et la biosphère (biomasse et nécromasse).
Sur les continents, les tourbières, prairies et forêts, mais aussi certains sols jouent un rôle plus ou moins important de stockage intermédiaire de carbone, ou de puits de carbone.
Les échanges de carbone se mesurent en milliards de tonnes (gigatonnes) par an (Gt/an). Le principal flux est celui entre biosphère et atmosphère, de l'ordre de , correspondant d'un côté à la photosynthèse, et de l'autre à la respiration et la décomposition aérobies. Les flux géologiques sont de deux ordres de grandeur plus faibles, avec le dégazage de CO2 par le volcanisme (), la fossilisation de roches combustibles (), et la sédimentation de roches carbonatées ().
En termes de masses, la plus grande partie du carbone terrestre est piégée dans la lithosphère, sous forme de composés qui participent peu au cycle : roches sous forme de carbonates et combustibles fossiles.
Par ordre de taille décroissante, on distingue : un immense réservoir, la géosphère : la lithosphère ( (Gt) de carbone minéral, sous forme de roches carbonatées et 14 000 Gt de carbone dans la matière organique fossile ), et dans une moindre mesure le manteau terrestre ; un réservoir de taille moyenne ( de carbone) constitué par les masses d'eaux océaniques superficielles et profondes ; et plusieurs réservoirs de petite taille, c'est-à-dire inférieurs à de carbone comprenant : l'atmosphère (750 à de carbone principalement sous forme de ), la biosphère (organismes vivants, principalement sous forme de biomasse végétale vivante dans les forêtsLes forêts contiennent 86 % du carbone terrestre au-dessus du sol, tandis que les sols forestiers contiennent 73% du carbone du sol. Cf. : 550 à de carbone, avec des estimations très variables selon les auteurs) et les sols qui comprennent les litières et les tourbières ( de carbone à 1 m de profondeur, avec des estimations également très variables)
Cycle géologique du carbone Cycle carbonate-silicate 99,6 % du carbone terrestre (correspondant à approximativement de carbone) est piégé dans le réservoir géologique, et évolue à des vitesses géologiques. Pour l'essentiel, tout le carbone est passé à un moment ou à un autre de son histoire sous forme de carbonate. Par contraste, la biosphère ne concerne que 0,002 % du carbone terrestre..
Le cycle du carbone débute par l'arrivée du dioxyde de carbone () à la surface de la Terre. Elle résulte du dégazage du manteau terrestre lors des éruptions volcaniques, qui rejettent dans l'atmosphère divers gaz dont et le monoxyde de carbone (CO). Ainsi, l'atmosphère primitive de la Terre était principalement composée de . Aujourd'hui, ce dégazage continue selon un flux faible, soit environ .
Au cours des âges, et alors que la température du soleil augmente, la plupart de ce originel a été peu à peu piégée surtout par des processus biologiques dans des « réservoirs » tels que la lithosphère (roches carbonatées, charbon…), la biosphère ou les océans.
Cycle chimique Les interactions chimiques de avec la lithosphère et l'hydrosphère ont été décrites par Harold Clayton Urey en 1952, mais avaient déjà été étudiées par Jacques-Joseph EbelmenLinking the lithogenic, atmospheric, and biogenic cycles of silicate, carbonate, and organic carbon in the ocean. S. V. Smith, and J.-P. Gattuso, Biogeosciences Discuss., 6, 6579–6599, 2009. dès 1845.
Le gaz carbonique présent dans l'atmosphère se dissout dans l'eau pour former de l'acide carbonique, présent dans les eaux de pluie et de ruissellement : CO2 + H2O ↔ H+ +
L'acide carbonique est un acide faible, mais au fil des temps géologiques il contribue à l'érosion en rongeant les silicates, par exemple de la wollastonite de formule CaSiO3 (ainsi bien entendu que les carbonates), les dissociant en silice et en ions calcium, qui restent dissous : CaSiO3 + 2 H+ → Ca2+ + SiO2 + H2O
À ce stade, le gaz carbonique est consommé pour produire de la silice et du bicarbonate en solution, par lequel il est fixé : CaSiO3 + 2 CO2 + H2O → Ca2+ + 2 + SiO2
Lorsqu'il précipite naturellement, le bicarbonate se transforme en carbonate. Dans le cycle biologique, les organismes aquatiques et surtout marins utilisent ces ions calcium pour bâtir leur squelette et coquilles, ce qui après leur mort sédimente et réalise une précipitation biologique de carbonate, pratiquement insoluble : Ca2+ + CO3H− → CaCO3↓ + H+
En pratique, l'équation est équilibrée sur le plan ionique par un deuxième ion bicarbonate, et la précipitation du carbonate s'accompagne de la restitution de : Ca2+ + 2 CO3H− → CaCO3↓ + ↑ +
Au bilan, la transformation en milieu aqueux du silicate en silice et carbonate fixe une mole de gaz carbonique : CO2 + CaSiO3 → SiO2 + CaCO3
Après avoir sédimenté sur les fonds marins, où ils deviennent piégés, les carbonates peuvent avoir deux destins possibles suivant le devenir de leur couche géologique. À la suite de mouvements tectoniques, un bassin sédimentaire peut se trouver soulevé et exposé par l'orogenèse, ce qui l'expose à l'érosion et réalise l'inverse de la précipitation biologique : CaCO3 + H+ → Ca2+ +
Alternativement, la plaque océanique chargée de carbonates peut disparaître dans le manteau terrestre, à travers une fosse de subduction. Dans ces conditions de température et de pression élevées, le carbonate réagit avec la silice présente pour former de nouveaux silicates et du gaz carbonique : CaCO3 + SiO2 → CaSiO3 + CO2
Le gaz carbonique du manteau peut ensuite s'échapper avec les éruptions volcaniques, bouclant le cycle.
Rétroactions Le cycle entraîne une rétroaction négative critique entre les niveaux de dioxyde de carbone et les changements climatiques..
Si par exemple s'accumule dans l'atmosphère, l'effet de serre augmentera la température de surface, ce qui augmentera également le taux de précipitations et l'altération du silicate, ce qui éliminera le carbone de l'atmosphère. De ce fait, le cycle carbonate-silicate a un effet stabilisateur sur le climat de la Terre sur de longues périodes, raison pour laquelle il a été appelé « le thermostat de la Terre »..
À l'échelle de dizaines, voire de centaines de millions d'années, les niveaux de dioxyde de carbone dans l'atmosphère peuvent varier en raison de perturbations naturelles du cycle.
Des modifications de la surface de la planète, telles que l'absence de volcans ou l'élévation du niveau de la mer, qui réduiraient la quantité de surface exposée aux intempéries, peuvent modifier les vitesses auxquelles se déroulent les différents processus de ce cycle
Intérêt du volcanisme et de ses dégagements de dioxyde de carbone dans l'histoire de la Terre
À plusieurs périodes dans l'histoire de la Terre, celle-ci a connu des refroidissements tels qu'elle était entièrement recouverte de glace des pôles à l'équateur. C'est la théorie de la « Terre boule de neige » (Snowball Earth). Un de ces événements eut lieu au Paléo protérozoïque (2,2 à d’années), et 3 ou 4 autres glaciations totales se seraient déroulées au Néoprotérozoïque (entre 730 à d’années). Ce phénomène peut être expliqué par l'augmentation de la pluie, le ruissellement et donc l'érosion de surface, et la présence de multiples autres facteurs qui vont conduire à la chute du taux de atmosphérique.
Les volcans auraient joué un grand rôle en mettant fin à la glaciation « boule de neige ». Malgré la présence de glace partout, les éruptions volcaniques ont perduré et ont permis d'augmenter le taux de dans l'atmosphère qui a induit un réchauffement. C’est grâce à des cataclysmes volcaniques que notre planète a pu sortir de son état de sphère gelée. La présence du fut à l'origine de l'explosion de la vie, en permettant de ramener la température de la Terre dans une plage idéale ( de moyenne) où les organismes vivants peuvent se développer.
L'ensemble volcans et monde vivant, plus précisément le plancton des océans, a permis d'ajuster le taux de de l'atmosphère terrestre. En effet, les volcans rejettent des quantités gigantesques de dioxyde de carbone dans l'atmosphère et favorisent l'explosion de la vie. Le plancton lui est venu tamponner cet effet en absorbant une partie du relargué et s'en sert encore aujourd'hui pour former sa coquille (formée souvent de ), éliminant ainsi une grande partie du dioxyde de carbone.
Circulation océanique et atmosphérique
Répartition entre atmosphère et hydrosphère