Les puits de carbone

Guy Jacques, Bernard Saugier

Description

Les puits terrestre et océanique de carbone absorbent aujourd’hui un peu plus de la moitié du CO2 émis dans l’atmosphère par la combustion des énergies fossiles, ralentissant ainsi l’élévation de la teneur en CO2 et le réchauffement global. Cet ouvrage explique pourquoi et comment ces deux types de puits vont évoluer dans les décennies à venir. Sa particularité est de démonter les mécanismes intimes, physiques, chimiques et biologiques qui conduisent l’océan et le milieu terrestre à cette régulation. Il décrit d’abord l’évolution passée de l’atmosphère terrestre, puis établit un bilan du cycle global du carbone. Le cœur de l’ouvrage présente ensuite les mécanismes physiques et biologiques qui expliquent les puits de carbone terrestre et océanique. Le dernier chapitre est consacré au devenir des puits de carbone : impact du changement global, bio- et géo-ingénierie pour créer de nouveaux puits de carbone et/ou pour augmenter l’efficacité des puits actuels, possibilité de remplacer des énergies fossiles par des formes plus propres d’énergie.
Introduction. Chapitre 1. De l'atmosphère primitive à celle d'aujourd'hui. Chapitre 2. Cycle du carbone. Chapitre 3. Puits et sources de CO2 en milieu terrestre. Chapitre 4. Puits et sources de CO2 dans l'océan. Chapitre 5. Devenir face au changement climatique. Conclusion. Références bibliographiques. Glossaire. Index.

Sujets

• Chimie
• Environnement
• Sciences de la Terre
• Pollution
• EAU
• Énergie

Informations

• Publié par: Tec & Doc - Editions Lavoisier
• Date de parution: 22 octobre 2008
• Nombre de lectures: 11
• EAN13: 9782743018856
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 7 Mo

Extrait

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Lespuits decarbone Les puits de carbone Guy Jacques Bernard Saugier

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Les puits de carbone

Guy Jacques Docteur ès sciences, directeur de recherche au CNRS

Bernard Saugier Docteur ès sciences, professeur à l’université Paris-Sud

11, rue Lavoisier F75008 Paris

Chez le même éditeur

Introduction au droit de l’environnement e P. Malingrey, 4 édition, 2008

Introduction à l’écotoxicologie F. Ramade, 2007

Gestion des habitats naturels et biodiversité J.-B. Bouzillé, 2007

La chimie verte P. Colonna, coord., 2006

Écologie du plancton G. Jacques, 2006

Substances naturelles d’origine marine – Chimiodiversité, pharmacodiversité, biotechnologies J.-M. Kornprobst, 2005

Écologie – Approche scientifique et pratique e C. Faurie, C. Ferra, P. Médori, J. Devaux, 5 édition, 2002

Introduction à l’écologie – Des écosystèmes naturels à l’écosystème humain E. Angelier, 2002

© LAVOISIER, 2008 ISBN : 978-2-7430-1087-4

Toute reproduction ou représentation intégrale ou partielle, par quelque procédé que ce soit, des pages publiées dans le présent ouvrage, faite sans l’autorisation de l’éditeur ou du Centre français d’exploitation du droit de copie (20, rue des Grands-Augustins, 75006 Paris), est illicite et constitue une contrefaçon. Seules sont autorisées, d’une part, les reproductions réservées à l’usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective, d’autre part, les analyses et courtes citations justifiées dans le caractère scientifique ou d’information er de l’œuvre dans laquelle elles sont incorporées (loi du 1 juillet 1992 – art. L. 122-4 et L. 122-5 et Code pénal art. 425).

Introduction

Table des matières

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Chapitre 1 De l’atmosphère primitive à celle d’aujourd’hui . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. Les atmosphères primitives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1. Naissance de l’atmosphère et des océans . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Vénus, la Terre et Mars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. Vers une atmosphère « respirable » . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. L’atmosphère du quaternaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Chapitre 2 Cycle du carbone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. Réservoirs et flux globaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1. À l’échelle de la planète . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Stocks et temps de résidence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. Quelques concepts-clefs en écologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1. Écosystèmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Production primaire et respiration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. Du milieu pélagique au milieu terrestre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1. Milieu et écosystème pélagiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Milieu et écosystèmes terrestres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1. Colonisation d’une roche nue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2. Facteurs de régulation de la production primaire terrestre 4. Du local au global . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5. Synthèses sur les sources et les puits globaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Chapitre 3 Puits et sources de CO en milieu terrestre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1. Photosynthèse et respiration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1. Photosynthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.1. Où se déroule la photosynthèse ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.2. Plantes en C3, C4 et CAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.3. Photosynthèse des C3, C4 et CAM . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.4. Photosynthèse du couvert végétal . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Respiration des plantes et des décomposeurs . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1. Respiration des plantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . © Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délit 1.2.2. Respiration des décomposeurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Les puits de carbone

2. Méthodes de mesure des puits de carbone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1. Stocks de carbone dans la végétation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Stocks de carbone dans le sol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3. Mesures locales du flux de CO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2.3.1. Enceintes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2. Tours à flux. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4. Méthodes d’étude des flux à l’échelle régionale . . . . . . . . . . . . 2.5. Méthodes d’extrapolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6. Modèles mécanistes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Chapitre 4 Puits et sources de CO dans l’océan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1. Échanges de CO entre atmosphère et océan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.1. Généralités sur la solubilité des gaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Le dioxyde de carbone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. Le carbone dans la couche euphotique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1. Différentes formes de carbone inorganique . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Espèces chimiques du carbone. Effet du pH . . . . . . . . . . . . . . . 2.3. Une réalité plus complexe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4. Impact de quelques variables sur ces équilibres . . . . . . . . . . . . 2.5. La production primaire et ses facteurs limitants . . . . . . . . . . . . 2.5.1. Lumière. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.2. Sels nutritifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.3. Fer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.4. Zooplancton et réseau trophique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. Méthodes de mesure du carbone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1. Formes inorganiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1. pCO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3.1.2. pCO en continu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3.1.3. CO anthropogénique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3.1.4. Carbone inorganique total . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.5. Alcalinité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Carbone organique et production primaire . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1. Carbone organique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2. Production primaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.3. Production nouvelle et production régénérée . . . . . . . . . 3.3. La télédétection : une révolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1. Stratégie d’étude de l’océan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2. Propriétés bio-optiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4. Le carbone en profondeur et dans les sédiments . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1. Bilan de la pompe « thermodynamique » . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2. Bilan de la pompe « biologique » . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1. Production nouvelle et flux exportable . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2. Flux particulaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3. Exportation sous forme dissoute . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3. Un exemple : la divergence équatoriale du Pacifique . . . . . . . . 4.4. L’océan, puits et source de CO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

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Table des matières

Chapitre 5 Devenir face au changement climatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. Rappel sur le changement climatique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1. Effet de serre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Réchauffement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. Changements dans le milieu océanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1. Rôle de l’océan depuis le début de l’ère industrielle . . . . . . . . . 2.2. Réactions quantitatives au changement climatique . . . . . . . . . . 2.3. Adaptation du phytoplancton au changement climatique . . . . . 3. Changements globaux des écosystèmes terrestres . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1. Effets directs de l’augmentation de la teneur en CO . . . . . . . . . 2 3.2. Effets d’une augmentation de la température . . . . . . . . . . . . . . . 3.3. Effets de changements de l’alimentation en eau des plantes . . . 3.4. Effets combinés de l’augmentation du CO 2 et des changements climatiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4. Faut-il créer des puits de carbone ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1. Séquestrer du CO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4.1.1. Injecter du CO dans l’océan profond . . . . . . . . . . . . . . . 2 4.1.2. Injecter du CO dans des réservoirs géologiques étanches 2 4.2. Activer la pompe biologique de l’océan par apport de fer . . . . . 4.3. Planter des arbres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4. Augmenter le stockage de carbone dans le sol . . . . . . . . . . . . . 5. La biomasse, source d’énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1. Les agrocarburants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2. Le phytoplancton, le seul biocarburant valable ? . . . . . . . . . . . . 5.2.1. Quelques mots sur le pétrole. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.2. Quelques mots sur la croissance des microalgues . . . . . . 5.2.3. Cultures et traitements pour élaborer des biocarburants . 5.3. Les hydrates de méthane, future source d’énergie ? . . . . . . . . . 6. Énergies alternatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1. En milieu terrestre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.1. Le solaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.2. L’éolien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.3. L’hydroélectricité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.4. Le nucléaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.5. La géothermie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2. Énergies marines en sommeil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.1. Énergie éolienne offshore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.2. Énergie des courants marins (hydrolienne) . . . . . . . . . . . 6.2.3. Énergie des marées (marémotrice) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.4. Énergie des vagues (houlomotrice) . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.5. Énergie thermique des mers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.6. Énergie osmotique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Références bibliographiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Glossaire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Index. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . © Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délit

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Introduction

Tous les êtres vivants modifient leur environnement par leur métabolisme : ils absorbent certaines substances et en rejettent d’autres dans le milieu. Cumulés sur les temps géologiques, ces échanges ont bouleversé la composition de l’atmosphère et l’état de la surface de la Terre. Ainsi, l’oxygène que nous respi- rons a-t-il été produit par la photosynthèse des algues marines et des plantes ter- restres, permettant l’apparition de formes de vie de plus en plus complexes jusqu’aux hommes. L’homme s’est d’ailleurs particulièrement bien adapté à la vie sur Terre. L’agriculture a permis la croissance démographique, et la découverte des éner- gies fossiles (charbon, puis pétrole et gaz) est à l’origine du développement e industriel. Il a fallu attendre la seconde moitié du XX siècle pour que nous pre- nions conscience des conséquences négatives de ce développement sur notre environnement. Et c’est seulement dans les années 1990 que nous avons constaté que nos activités commençaient à modifier le climat global de la Terre, en reje- tant dans l’atmosphère des quantités croissantes de gaz à effet de serre, et en pre- mier lieu, de dioxyde de carbone ou CO . Des mesures continues du CO 2 2 atmosphérique commencées en 1958 ont rapidement révélé une augmentation régulière. La concentration préindustrielle du CO a pu être mesurée en analysant 2 les bulles d’air fossile piégées dans les glaces du Groenland et de l’Antarctique, puis l’augmentation du CO atmosphérique comparée aux rejets liés à la combus- 2 tion de carbone fossile. La moitié « seulement » du dioxyde de carbone émis par l’homme se retrouve dans l’atmosphère dont la teneur passe de 280 parties par millions en volume avant la révolution industrielle à 381,2 en 2006. L’autre moitié est absorbée par la biosphère terrestre et par l’océan qui constituent donc, en moyenne, des « puits ». Le terme « en moyenne » signifie que certains écosystèmes, certaines régions, à certaines périodes de l’année, agissent comme des puits et, à d’autres, comme des « sources » de CO pour l’atmosphère. Pour une émission donnée de 2 CO à partir des énergies fossiles, la concentration en dioxyde de carbone dans 2 l’atmosphère, donc le forçage radiatif, dépend de l’efficacité des terres et des océans à absorber une fraction de ce CO . Cette efficacité elle-même modifie le 2 climat et la teneur en CO de l’atmosphère de telle sorte que le cycle du carbone 2 représente un mécanisme critique dans le système climatique. Le but de cet ouvrage est de comprendre l’origine de ces puits (et de ces sources) océaniques et terrestres, et de déterminer s’ils vont voir leur activité s’accentuer, ce qui ralentirait l’augmentation du CO atmosphérique, ou dimi- 2 nuer, accélérant alors cette élévation au cours des prochaines décennies. Il est également important d’examiner si l’homme doit se limiter à réduire ses émis- sions ou bien si un « coup de pouce » à la nature est indispensable. Si un tel ouvrage est aujourd’hui possible, c’est en raison des immenses pro- grès de la connaissance scientifique sur le cycle du carbone et, plus généralement, © Lavoisier – La photocopie non autorisée est un délit

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Les puits de carbone

sur l’environnement. Cette révolution du savoir est largement due à l’améliora- tion exceptionnelle des performances métrologiques des instruments de mesure en un quart de siècle, notamment ceux qui sont embarqués à bord des satellites (tableau 1). Tableau 1  Évolution de la précision des mesures de quelques capteurs en un quart de siècle.

Mesure Laser Doppler Altimètre Accéléromètre Horloge

1975 150 cm –1 5 cm ∙ s 20 cm –9 –2 10 m ∙ s –11 10

1985 30 cm –1 1 cm ∙ s 5 cm –10 –2 5 × ∙ s10 m –12 10

1995 3 cm –1 0,03 cm ∙ s 2 cm –10 –2 10 m ∙ s –13 3 x10

2000 1 cm –1 0,01 cm ∙ s 0,5 cm –13 –2 10 m ∙ s –14 10

Nous avons choisi de centrer cet ouvrage sur le cycle du carbone et sur le gaz à effet de serre majeur, le CO . Mais il est évident que, dans l’avenir, il faudra 2 s’intéresser à d’autres gaz à effet de serre naturels ou nés des activités humaines. Nous pensons notamment au méthane, à fort pouvoir de réchauffement global (vingt-trois fois plus « efficace » que le CO ), qui pourrait être libéré massive- 2 ment notamment par réchauffement du permafrost polaire.

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