Le cycle du carbone : hydrates de carbone, hydrocarbures et carbonates.

Concepts pour comprendre les aspects environnementaux liés à l’effet de serre
(Propositions d'activités pour la classe en bas de page)

Ce document est destiné à toutes les personnes (enseignantes ou non) cherchant à comprendre les problèmes énergétiques du XXIe siècle avec toutes les conséquences sur le climat et la biodiversité.
Concepts préalables : respiration, photosynthèse, combustion.

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<< Sphères du globe :
Le carbone est présent dans les différentes sphères du globe : atmosphère sous forme de dioxyde de carbone, dans la géosphère sous forme de magma, d’hydrocarbures, de charbon et de calcaire et dans la biosphère sous forme de matière organique.

Le carbone de la matière organique (biosphère)
(C6H12O6)n = hydrates de C. et cellulose

Producteurs et consommateurs :
La biosphère interagit avec l’atmosphère par la photosynthèse et la respiration ; la première consommant du CO2, la deuxième en produisant.
Les êtres photosynthétiques (végétaux) sont qualifiés de producteurs car ils injectent le carbone dans les chaînes alimentaires. Ainsi donc la matière organique présente dans la biomasse (masse de tous les êtres vivants de la planète) a pour origine le CO2 de l’air. Les êtres consommateurs (animaux), mais aussi les producteurs restituent à l’atmosphère, une partie de ce carbone lors de la respiration et le reste après la mort par putréfaction et minéralisation (décomposition des feuilles mortes dans le sol...).
Le CO2 n'est pas la seule molécule carbonée rejetée par le vivant. Le méthane CH4, molécule à effet de serre, est produit par les fermentations dans les marécages (phénomène natuel) et par les ruminants (élevages bovins). Ainsi donc la consommation excessive de boeuf (par les occidentaux) aggrave l'effet de serre et est, de plus, grand consommateur d'espace agricole.

Le carbone des hydrocarbures (géosphère)

Sous-sol :
Une partie des êtres vivants peut passer dans la géosphère, c’est-à-dire être transformée en roche. C’est la charbon et le pétrole.
Quand les forêts du Carbonifère ont été transformées en charbon, il y a eu stockage du carbone dans le sous-sol. Ainsi l’atmosphère a vu son taux de CO2 réduire et inversement son taux de O2 augmenter.

Combustions :
Jusqu’à présent, n’ont été abordés que les phénomènes naturels. Mais depuis le néolithique l’Homme effectue des combustions avec du bois (cellulose). À partir du XIXe siècle surtout, l’Homme a effectué de façon massive des combustions avec du charbon et du pétrole (hydrocarbures). On peut déplorer les déforestations depuis l’antiquité ; les hydrocarbures ont pris le relais limitant ainsi la pression exercée sur les forêts. Ainsi la Grande-Bretagne a eu une avance technologique en sidérurgie parce qu’elle avait épuisé ses forêts avant la France : elle a remplacé le charbon de bois par le charbon de terre.

Hélas, brûler du bois ou brûler un combustible du sous-sol n’a pas le même effet sur la composition de l’air. Car la durée du cycle du carbone n’est pas du tout la même.
Avec le charbon, le recyclage du carbone dure plusieurs millions d’années : le Carbonifère est daté d’environ 300 MA. Le recyclage du carbone lors de la combustion du bois dure environ un siècle.

Le carbone dans les roches carbonatées ou calcaires (géosphère)
CaCO3 = Carbonate de calcium

Beaucoup moins connue est la fabrication de carbonates par le vivant : les coraux et les coquillages fabriquent du calcaire qui se retrouve un jour sous forme de roche calcaire. Les faluns de Touraine sont des calcaires quasi exclusivement constitués de coquilles fossiles. Ces transformations en calcaires stockent le carbone dans la géosphère et ainsi réduisent le taux de CO2 atmosphérique.
Les fours à chaux qui transforment le calcaire en chaux vive crachent du CO2 dans l’air, selon la réaction : CaCO3 --> CaO + CO2.
La masse énorme des calcaires et des coraux de la planète immobilise de grandes quantités de carbone qui, pendant ce temps, ne sont pas dans l’atmosphère. Aussi, on peut craindre les conséquences de la mort constatée des coraux.
France-Inter, 7-12-2009 : Avec l'augmentation du taux de CO2, l'océan devient de plus en plus acide. Cela rend la fabrication de calcaire par les animaux marins de plus en plus difficile.

Choix énergétiques

Énergie renouvelable :
Voyons l’histoire du carbone d’un arbre : l’arbre qui grandit consomme du CO2, quand on le brûle, un siècle plus tard, ce CO2 est restitué, en même quantité, à l’atmosphère. Le bilan carbone est donc nul. Concernant le O2, remarquons que l’arbre en grandissant produit exactement la quantité de O2 qui sera nécessaire à sa combustion. Voilà pourquoi, le bois est considéré comme énergie renouvelable.

Énergie renouvelable, mais à très long terme !
Avec les hydrocarbures, la vitesse des prélèvements est infiniment plus grande que celle de leur formation. L’Homme aura épuisé en quelques siècles les hydrocarbures qui ont demandé des millions d’années pour être fabriqués par la nature.

La solution ?
On se dit donc que le bois est “la” solution aux problèmes énergétiques de la planète. Hélas non. Deux raisons à cela : 1) il ne faut pas couper plus de bois qu’on en replante. La vitesse de combustion du bois ne doit pas dépasser la vitesse de sa croissance.
2) La rationalisation de la sylviculture contribue à réduire la biodiversité. Plus une forêt exporte du bois, plus elle consomme de CO2 (et produit du O2), “mais” plus pauvre sera sa faune. Inversement, la forêt qui n’exporte pas de bois, comprenez la forêt vierge, est la plus “biodiversifiée” qui soit. La forêt vierge (concept de plus en plus abstrait !) n’est pas le “poumon de la planète”, mais plutôt le poumon de ceux (animaux et hommes) qui y vivent. En effet , la forêt amazonienne , avant son exploitation, restait, de siècle en siècle, inchangée. Globalement les arbres, en moyenne, gardaient la même hauteur. La forêt vierge est par définition en équilibre, c’est-à-dire que la croissance des arbres est compensée par la mort des branches. La croissance de l’arbre consomme du CO2, mais sa décomposition en produit une quantité égale. Le O2 de la forêt amazonienne ne profite qu’aux animaux et champignons qui y vivent. Nous sommes face à un dilemme : sacrifier la qualité de l’air ou sacrifier la biodiversité.
Voici un exemple, extrait de Pour La Science, Mars 1983, montrant le conflit entre biodiversité et atmosphère : "P. Zimmermann et J. Greenberg… ont estimé la population de termites dans le monde à 24 X 1017… Les auteurs estiment que la production mondiale des termites en dioxyde de carbone est égale à 4,6 X 1016 grammes par an soit plus du double de la production mondiale en CO2 à partir de la combustion de pétrole…"

Bilan carbone :
Pour comprendre le bilan carbone d’un écosystème, voici l’exemple concret de l’entretien d’une haie urbaine. Le citadin qui possède une haie se dit qu’il oeuvre contre l’effet de serre, puis qu’elle produit du O2. C’est oublier qu’il va tailler sa haie. Que va-t-il faire des branches coupées ? Il décide de ne pas les brûler de façon à ne pas dégager de CO2. Son attitude est louable, mais pas pour la raison annoncée. En effet, le bois qui n’est pas brûlé sera décomposé par toutes sortes d’êtres vivants qui... respirent. Ainsi donc ne pas brûler le bois coupé favorise la biodiversité mais pas l’atmosphère.

Bien sûr, tout ceci ne veut pas dire que les haies et forêts soient inutiles : elles limitent l’érosion des sols, absorbent certains polluants, réduisent la vitesse du vent, augmentent la biodiversité.

En conclusion, il n’existe pas de solution miracle. Il existe cependant des choix qui limiteront l’impact :
1) la diversification des sources d’énergie (éolien, solaire...), mais surtout,
2) la parcimonie de la consommation d’énergie. Réduisons les combustions !

N’a pas été abordée ici, le carbone organique présent dans les océans : les algues de la surface (phytoplancton) consomment de grandes quantités de CO2 et produisent les mêmes volumes d’O2.

Les stocks :
Selon le principe de conservation de la matière, la quantité totale de carbone sur la planète demeure inchangée. La réduction de la quantité de CO2 dans l’atmosphère ne peut se faire que par l’augmentation des autres stocks, c’est-à-dire essentiellement :
1) pour le minéral, le calcaire du sous-sol, des coquillages et des coraux, et
2) pour l’organique, bois des arbres, le charbon et le pétrole.

Conclusion générale :

Le taux atmosphérique de CO2 est conditionné par des mécanismes complexes. Les simplifications font croire que la seule présence de la forêt est un gage de réduction de l’effet de serre : mythe du "poumon de la planète".
Il y a obligation de présenter des bilans complets : le forêt européenne ne réduit l’effet de serre que si les matériaux qui en sont issus ne sont pas brûlés. Dans ce cas le bilan est nul, mais c’est toujours mieux que de brûler du pétrole. Nous pouvons agir en évitant de surexploiter les stocks à renouvellement très lent que sont le charbon et pétrole. Les efforts de l'humanité doivent donc se centrer sur la parcimonie des combustions.

Webographie :
Histoire de la découverte de l'effet de serre
Cycle du carbone à l'École Primaire