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8.4A : Cycle du carbone - Biologie

8.4A : Cycle du carbone - Biologie


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La concentration de carbone dans la matière vivante (18 %) est presque 100 fois supérieure à sa concentration dans la terre (0,19 %). Pour que la vie continue, ce carbone doit être recyclé. Le carbone existe dans l'environnement non vivant sous la forme :

  • dioxyde de carbone (CO2) dans l'atmosphère et dissous dans l'eau (formant HCO3)
  • roches carbonatées (calcaire et corail = CaCO3)
  • gisements de charbon, de pétrole et de gaz naturel dérivés d'êtres autrefois vivants
  • matière organique morte, p. ex. humus dans le sol

Le carbone pénètre dans le monde biotique par l'action de photoautotrophes, comme les plantes et les algues, qui utilisent l'énergie de la lumière pour convertir le dioxyde de carbone en matière organique et, dans une moindre mesure, chimioautotrophes - bactéries et archées qui font de même mais utilisent l'énergie dérivée d'une oxydation de molécules dans leur substrat. Le carbone retourne à l'atmosphère et à l'eau par respiration (sous forme de CO2), la combustion et la décomposition (production de CO2 si l'oxygène est présent, le méthane (CH4) si ce n'est pas le cas.

L'absorption et le retour du CO2 ne sont pas en équilibre

La teneur en dioxyde de carbone de l'atmosphère augmente progressivement et régulièrement. Le graphique montre le CO2 concentration au sommet du Mauna Loa à Hawaï de 1958 à 1999. Les valeurs sont en parties par million (ppm). La fluctuation saisonnière est causée par l'augmentation de l'absorption de CO2 par les plantes en été. (En mars 2015, sa concentration moyenne mondiale a atteint 400 ppm.)

L'augmentation du CO2 a probablement commencé avec le début de la révolution industrielle. Des échantillons d'air piégé au cours des siècles dans la glace glaciaire du Groenland ne montrent aucun changement de CO2 contenu jusqu'à il y a 300 ans. Étant donné que les mesures du CO atmosphérique2 a commencé à la fin du XIXe siècle, sa concentration a augmenté de plus de 20 %. Cette augmentation est sûrement « anthropique » ; c'est-à-dire causés par des activités humaines :

  • la combustion de combustibles fossiles (charbon, pétrole, gaz naturel) qui renvoie dans l'atmosphère du carbone enfermé dans la terre depuis des millions d'années.
  • le défrichement et le brûlage des forêts, en particulier sous les tropiques. Au cours des dernières décennies, de vastes zones de la forêt amazonienne ont été défrichées pour l'agriculture et le pâturage du bétail.

Où est le carbone manquant ?

Curieusement, l'augmentation du CO atmosphérique2 n'est qu'environ la moitié de ce qu'on aurait pu attendre de la consommation de combustibles fossiles et du brûlage des forêts. Où est passé le reste ? La recherche a montré qu'une augmentation du CO2 les niveaux conduisent à une production nette accrue par les photoautotrophes. Il est prouvé qu'au moins une partie du CO manquant2 a été incorporé par : (1) une croissance accrue des forêts, en particulier en Amérique du Nord, (2) des quantités accrues de plancton photoautotrophe dans les océans, et (3) l'absorption par les sols désertiques (mécanisme encore inconnu)

L'effet de serre et le réchauffement climatique

Malgré ces "puits" pour notre CO considérablement augmenté2 production, la concentration de CO atmosphérique2 continue d'augmenter ? Doit-on s'inquiéter ? Le dioxyde de carbone est transparent à la lumière mais plutôt opaque aux rayons de chaleur. Par conséquent, le CO2 dans l'atmosphère retarde le rayonnement de la chaleur de la terre vers l'espace - "l'effet de serre". L'augmentation du dioxyde de carbone a-t-elle entraîné le réchauffement climatique ?

Quelques preuves :

  • Une surveillance attentive montre que la température mondiale de l'air en 2014 était de 0,57 °C supérieure à la moyenne de 1961 à 1990, et que 14 des 15 années les plus chaudes depuis que les enregistrements ont commencé à être conservés à la fin du XIXe siècle ont eu lieu au cours de ce siècle (y compris 2005 et 2010 et 2014).
  • De nombreux glaciers et calottes glaciaires reculent.
  • Des arbustes ligneux poussent maintenant dans des régions du nord de l'Alaska qui, il y a 50 ans, étaient une toundra stérile.
  • De nombreux angiospermes des climats tempérés fleurissent plus tôt au printemps qu'auparavant.
  • De nombreuses espèces d'oiseaux et de papillons se déplacent vers le nord et se reproduisent plus tôt au printemps.

L'augmentation continue du dioxyde de carbone entraînera-t-elle davantage de réchauffement climatique et, si oui, de combien ? À ce stade, la réponse dépend des hypothèses que vous branchez sur vos modèles informatiques. Mais au fur et à mesure que les différents modèles se sont améliorés, ils semblent converger vers un consensus : un doublement du CO2 la concentration (attendue d'ici la fin de ce siècle) provoquera un réchauffement de la terre entre 1,1 et 6,4 °C.

Autres gaz à effet de serre

Bien que leurs niveaux dans l'atmosphère soient bien inférieurs à ceux du CO2,

  • méthane (CH4)
  • protoxyde d'azote (N2O)
  • les hydrofluorocarbures (HFC)

sont aussi de puissants gaz à effet de serre.

Méthane

Bien que le méthane (« gaz des marais ») soit libéré par des processus naturels (par exemple, la décomposition se produisant dans les marécages), les activités humaines représentent désormais environ 60 % du total.

  • l'extraction, le traitement et l'utilisation du charbon, du pétrole et du gaz naturel
  • rejet des décharges
  • faire pousser du riz dans les rizières
  • forêts en feu
  • élevage de bovins (la fermentation dans leur rumen produit du méthane qui est expulsé de leur tractus gastro-intestinal)

Ainsi, le brûlage de la forêt tropicale humide augmente le bilan de méthane atmosphérique de deux manières :

  • combustion incomplète pendant la combustion
  • libération du tractus gastro-intestinal des bovins qui sont ensuite placés sur le terrain défriché.

La concentration de méthane dans l'air arctique est actuellement d'environ 1,9 partie par million, le niveau le plus élevé observé depuis le début de telles mesures. Bien que cette concentration soit bien inférieure à celle du CO2, le méthane est 28 fois plus puissant qu'un gaz à effet de serre. On pense que le réchauffement marqué de la terre qui s'est produit à la fin du Paléocène a été causé par la libération de grandes quantités de méthane du fond marin.


Les microbes piègent des quantités massives de carbone

Les collisions continentales violentes et les éruptions volcaniques ne sont pas des choses normalement associées à des conditions confortables pour la vie. Cependant, une nouvelle étude, impliquant l'Université du Tennessee, Knoxville, professeure agrégée de microbiologie Karen Lloyd, dévoile un vaste écosystème microbien vivant au plus profond de la terre qui est alimenté par les produits chimiques produits au cours de ces cataclysmes tectoniques.

Lorsque les plaques océanique et continentale entrent en collision, une plaque est poussée vers le bas, ou subductée, dans le manteau et l'autre plaque est poussée vers le haut et parsemée de volcans. C'est le processus principal par lequel les éléments chimiques sont déplacés entre la surface de la Terre et l'intérieur et finalement recyclés vers la surface.

"Les zones de subduction sont des environnements fascinants - elles produisent des montagnes volcaniques et servent de portails pour le carbone se déplaçant entre l'intérieur et l'extérieur de la Terre", a déclaré Maarten de Moor, professeur agrégé à l'Université nationale du Costa Rica et co-auteur de l'étude.

Normalement, on pense que ce processus se produit hors de la portée de la vie en raison des pressions et des températures extrêmement élevées impliquées. Bien que la vie n'existe presque certainement pas dans les conditions extrêmes où le manteau terrestre se mélange à la croûte terrestre pour former de la lave, au cours des dernières décennies, les scientifiques ont appris que les microbes s'étendaient bien plus profondément dans la croûte terrestre qu'on ne le pensait auparavant.

Cela ouvre la possibilité de découvrir des types d'interactions biologiques auparavant inconnus se produisant avec les processus tectoniques des plaques profondes.

Une équipe interdisciplinaire et internationale de scientifiques a montré qu'un vaste écosystème microbien mange principalement les produits chimiques de carbone, de soufre et de fer produits lors de la subduction de la plaque océanique sous le Costa Rica. L'équipe a obtenu ces résultats en échantillonnant les communautés microbiennes souterraines profondes qui sont ramenées à la surface dans des sources chaudes naturelles, dans le cadre de travaux financés par le Deep Carbon Observatory et la Fondation Alfred P. Sloan.

L'équipe a découvert que cet écosystème microbien séquestre une grande quantité de carbone produit lors de la subduction qui s'échapperait autrement dans l'atmosphère. Le processus entraîne une diminution estimée jusqu'à 22% de la quantité de carbone transportée vers le manteau.

"Ce travail montre que le carbone peut être siphonné pour alimenter un vaste écosystème qui existe en grande partie sans apport d'énergie solaire. Cela signifie que la biologie pourrait affecter les flux de carbone entrant et sortant du manteau terrestre, ce qui oblige les scientifiques à changer leur façon de penser le cycle profond du carbone sur des échelles de temps géologiques », a déclaré Peter Barry, scientifique adjoint à la Woods Hole Oceanographic Institution et co-auteur de l'étude.

L'équipe a découvert que ces microbes - appelés chimolithoautotrophes - séquestrent autant de carbone en raison de leur régime alimentaire unique, qui leur permet de produire de l'énergie sans lumière du soleil.

"Les chimolithoautotrophes sont des microbes qui utilisent de l'énergie chimique pour construire leur corps. Ils sont donc comme des arbres, mais au lieu d'utiliser la lumière du soleil, ils utilisent des produits chimiques", a déclaré Lloyd, co-auteur de l'étude. "Ces microbes utilisent des produits chimiques de la zone de subduction pour former la base d'un écosystème vaste et rempli de divers producteurs primaires et secondaires. C'est comme une vaste forêt, mais souterraine."

Cette nouvelle étude suggère que la relation qualitative connue entre la géologie et la biologie peut avoir des implications quantitatives importantes pour notre compréhension de la façon dont le carbone a changé à travers le temps. "Nous connaissons déjà de nombreuses manières dont la biologie a influencé l'habitabilité de notre planète, conduisant à l'augmentation de l'oxygène atmosphérique, par exemple", a déclaré Donato Giovannelli, professeur à l'Université de Naples Federico II et auteur co-correspondant du étudier. « Maintenant, notre travail en cours révèle une autre manière passionnante dont la vie et notre planète ont coévolué. »


8.4A : Cycle du carbone - Biologie

Tout ce carbone supplémentaire doit aller quelque part. Jusqu'à présent, les plantes terrestres et l'océan ont absorbé environ 55% du carbone supplémentaire que les gens ont mis dans l'atmosphère, tandis qu'environ 45% sont restés dans l'atmosphère. Finalement, la terre et les océans absorberont la majeure partie du dioxyde de carbone supplémentaire, mais jusqu'à 20 pour cent peuvent rester dans l'atmosphère pendant plusieurs milliers d'années.

Les changements dans le cycle du carbone impactent chaque réservoir. L'excès de carbone dans l'atmosphère réchauffe la planète et aide les plantes terrestres à pousser davantage. L'excès de carbone dans l'océan rend l'eau plus acide, mettant la vie marine en danger.

Atmosphère

Il est significatif que tant de dioxyde de carbone reste dans l'atmosphère parce que le CO2 est le gaz le plus important pour contrôler la température de la Terre. Le dioxyde de carbone, le méthane et les halocarbures sont des gaz à effet de serre qui absorbent une large gamme d'énergie, y compris l'énergie infrarouge (chaleur) émise par la Terre et la réémettent ensuite. L'énergie réémise voyage dans toutes les directions, mais une partie revient sur Terre, où elle réchauffe la surface. Sans gaz à effet de serre, la Terre serait gelée à -18 degrés Celsius (0 degré Fahrenheit). Avec trop de gaz à effet de serre, la Terre serait comme Vénus, où l'atmosphère à effet de serre maintient des températures autour de 400 degrés Celsius (750 Fahrenheit).

Les concentrations croissantes de dioxyde de carbone réchauffent l'atmosphère. L'augmentation de la température entraîne des taux d'évaporation plus élevés et une atmosphère plus humide, ce qui conduit à un cercle vicieux de réchauffement supplémentaire. (Photographie & copie2011 Patrick Wilken.)

Parce que les scientifiques savent quelles longueurs d'onde d'énergie chaque gaz à effet de serre absorbe et la concentration des gaz dans l'atmosphère, ils peuvent calculer combien chaque gaz contribue au réchauffement de la planète. Le dioxyde de carbone est à l'origine d'environ 20 pour cent de l'effet de serre de la Terre, la vapeur d'eau représente environ 50 pour cent et les nuages ​​25 pour cent. Le reste est causé par de petites particules (aérosols) et des gaz à effet de serre mineurs comme le méthane.

Les concentrations de vapeur d'eau dans l'air sont contrôlées par la température de la Terre. Des températures plus chaudes évaporent plus d'eau des océans, dilatent les masses d'air et entraînent une humidité plus élevée. Le refroidissement provoque la condensation de la vapeur d'eau et sa chute sous forme de pluie, de grésil ou de neige.

Le dioxyde de carbone, d'autre part, reste un gaz à une plus large gamme de températures atmosphériques que l'eau. Les molécules de dioxyde de carbone fournissent le chauffage initial de la serre nécessaire pour maintenir les concentrations de vapeur d'eau. Lorsque les concentrations de dioxyde de carbone chutent, la Terre se refroidit, de la vapeur d'eau tombe de l'atmosphère et le réchauffement de l'effet de serre causé par la vapeur d'eau diminue. De même, lorsque les concentrations de dioxyde de carbone augmentent, la température de l'air augmente et davantage de vapeur d'eau s'évapore dans l'atmosphère, ce qui amplifie ensuite le réchauffement de la serre.

Ainsi, alors que le dioxyde de carbone contribue moins à l'effet de serre global que la vapeur d'eau, les scientifiques ont découvert que le dioxyde de carbone est le gaz qui fixe la température. Le dioxyde de carbone contrôle la quantité de vapeur d'eau dans l'atmosphère et donc l'ampleur de l'effet de serre.

L'augmentation des concentrations de dioxyde de carbone provoque déjà un réchauffement de la planète. Parallèlement à l'augmentation des gaz à effet de serre, les températures moyennes mondiales ont augmenté de 0,8 degrés Celsius (1,4 degrés Fahrenheit) depuis 1880.

Une fois le cycle saisonnier supprimé, la concentration atmosphérique de dioxyde de carbone mesurée au volcan Mauna Loa, à Hawaï, montre une augmentation constante depuis 1957. Dans le même temps, les températures moyennes mondiales augmentent en raison de la chaleur piégée par le CO supplémentaire2 et augmentation de la concentration de vapeur d'eau. (Graphiques de Robert Simmon, utilisant CO2 données du Laboratoire de recherche sur le système terrestre NOAA et données de température du Goddard Institute for Space Studies.)

Cette augmentation de la température est tout le réchauffement que nous verrons sur la base des concentrations actuelles de dioxyde de carbone. Le réchauffement de la serre ne se produit pas tout de suite car l'océan absorbe la chaleur. Cela signifie que la température de la Terre augmentera d'au moins 0,6 degré Celsius (1 degré Fahrenheit) à cause du dioxyde de carbone déjà présent dans l'atmosphère. Le degré d'augmentation des températures au-delà dépend en partie de la quantité de carbone que les humains rejetteront dans l'atmosphère à l'avenir.

Océan

Environ 30 pour cent du dioxyde de carbone que les gens ont mis dans l'atmosphère s'est diffusé dans l'océan par l'échange chimique direct. La dissolution du dioxyde de carbone dans l'océan crée de l'acide carbonique, ce qui augmente l'acidité de l'eau. Ou plutôt, un océan légèrement alcalin devient un peu moins alcalin. Depuis 1750, le pH de la surface des océans a baissé de 0,1, soit une variation de 30 % de l'acidité.

Une partie du CO en excès2 émis par l'activité humaine se dissout dans l'océan, devenant de l'acide carbonique. Les augmentations de dioxyde de carbone conduisent non seulement à des océans plus chauds, mais aussi à des océans plus acides. (Photographie & copy2010 Way Out West News.)

L'acidification des océans affecte les organismes marins de deux manières. Premièrement, l'acide carbonique réagit avec les ions carbonate dans l'eau pour former du bicarbonate. Cependant, ces mêmes ions carbonate sont ce dont les animaux constructeurs de coquillages comme le corail ont besoin pour créer des coquilles de carbonate de calcium. Avec moins de carbonate disponible, les animaux doivent dépenser plus d'énergie pour construire leur coquille. En conséquence, les coquilles finissent par être plus fines et plus fragiles.

Deuxièmement, plus l'eau est acide, mieux elle dissout le carbonate de calcium. À long terme, cette réaction permettra à l'océan d'absorber l'excès de dioxyde de carbone, car plus d'eau acide dissoudra plus de roches, libérera plus d'ions carbonate et augmentera la capacité de l'océan à absorber le dioxyde de carbone. En attendant, cependant, une eau plus acide dissoudra les coquilles carbonatées des organismes marins, les rendant piquées et faibles.

Des océans plus chauds et un produit de l'effet de serre pourraient également diminuer l'abondance du phytoplancton, qui pousse mieux dans les eaux fraîches et riches en nutriments. Cela pourrait limiter la capacité des océans à capter le carbone de l'atmosphère à travers le cycle rapide du carbone.

D'autre part, le dioxyde de carbone est essentiel pour la croissance des plantes et du phytoplancton. Une augmentation du dioxyde de carbone pourrait augmenter la croissance en fertilisant les quelques espèces de phytoplancton et de plantes océaniques (comme les herbes marines) qui puisent le dioxyde de carbone directement dans l'eau. Cependant, la plupart des espèces ne sont pas aidées par la disponibilité accrue de dioxyde de carbone.

Les plantes terrestres ont absorbé environ 25 pour cent du dioxyde de carbone que les humains ont rejeté dans l'atmosphère. La quantité de carbone absorbée par les plantes varie considérablement d'une année à l'autre, mais en général, les plantes du monde entier ont augmenté la quantité de dioxyde de carbone qu'elles absorbent depuis 1960. Seule une partie de cette augmentation est le résultat direct des émissions de combustibles fossiles.

Avec plus de dioxyde de carbone atmosphérique disponible pour se convertir en matière végétale lors de la photosynthèse, les plantes ont pu pousser davantage. Cette croissance accrue est appelée fertilisation par le carbone. Les modèles prédisent que les plantes pourraient croître de 12 à 76% de plus si le dioxyde de carbone atmosphérique est doublé, tant que rien d'autre, comme des pénuries d'eau, ne limite leur croissance. Cependant, les scientifiques ne savent pas à quel point le dioxyde de carbone augmente la croissance des plantes dans le monde réel, car les plantes ont besoin de plus que du dioxyde de carbone pour pousser.

Les plantes ont également besoin d'eau, de soleil et de nutriments, en particulier d'azote. Si une plante n'a pas l'une de ces choses, elle poussera quelle que soit l'abondance des autres nécessités. Il y a une limite à la quantité de carbone que les plantes peuvent retirer de l'atmosphère, et cette limite varie d'une région à l'autre. Jusqu'à présent, il semble que la fertilisation au dioxyde de carbone augmente la croissance des plantes jusqu'à ce que la plante atteigne une limite de quantité d'eau ou d'azote disponible.

Certains des changements dans l'absorption du carbone sont le résultat de décisions d'utilisation des terres. L'agriculture est devenue beaucoup plus intensive, de sorte que nous pouvons cultiver plus de nourriture sur moins de terres. Dans les hautes et moyennes latitudes, les terres agricoles abandonnées redeviennent des forêts, et ces forêts stockent beaucoup plus de carbone, à la fois dans le bois et le sol, que les cultures ne le feraient. Dans de nombreux endroits, nous empêchons le carbone végétal de pénétrer dans l'atmosphère en éteignant les feux de forêt. Cela permet à la matière ligneuse (qui stocke le carbone) de s'accumuler. Toutes ces décisions d'utilisation des terres aident les plantes à absorber le carbone libéré par l'homme dans l'hémisphère nord.

Les changements dans la couverture terrestre et les forêts converties en champs et les champs convertis en forêts ont un effet correspondant sur le cycle du carbone. Dans certains pays de l'hémisphère nord, de nombreuses fermes ont été abandonnées au début du 20e siècle et les terres sont redevenues des forêts. En conséquence, le carbone a été extrait de l'atmosphère et stocké dans les arbres terrestres. (Photographie ©2007 Husein Kadribegic.)

Sous les tropiques, cependant, les forêts sont détruites, souvent par le feu, ce qui libère du dioxyde de carbone. En 2008, la déforestation représentait environ 12 pour cent de toutes les émissions humaines de dioxyde de carbone.

Les changements les plus importants dans le cycle du carbone terrestre sont susceptibles de se produire en raison du changement climatique. Le dioxyde de carbone augmente les températures, prolongeant la saison de croissance et augmentant l'humidité. Les deux facteurs ont conduit à une croissance supplémentaire des plantes. Cependant, les températures plus chaudes stressent également les plantes. Avec une saison de croissance plus longue et plus chaude, les plantes ont besoin de plus d'eau pour survivre. Les scientifiques constatent déjà que les plantes de l'hémisphère nord ralentissent leur croissance en été en raison des températures chaudes et des pénuries d'eau.

Les plantes sèches et soumises à un stress hydrique sont également plus sensibles aux incendies et aux insectes lorsque les saisons de croissance s'allongent. Dans l'extrême nord, où l'augmentation de la température a le plus d'impact, les forêts ont déjà commencé à brûler davantage, libérant du carbone des plantes et du sol dans l'atmosphère. Les forêts tropicales peuvent également être extrêmement sensibles au dessèchement. Avec moins d'eau, les arbres tropicaux ralentissent leur croissance et absorbent moins de carbone, ou meurent et libèrent leur carbone stocké dans l'atmosphère.

Le réchauffement causé par l'augmentation des gaz à effet de serre peut également « faire bouillir » le sol, accélérant la vitesse à laquelle le carbone s'infiltre à certains endroits. Ceci est particulièrement préoccupant dans le Grand Nord, où le sol gelé&mdashpermafrost&mdashis dégelent. Le pergélisol contient de riches dépôts de carbone provenant de matières végétales qui s'accumulent depuis des milliers d'années parce que le froid ralentit la décomposition. Lorsque le sol se réchauffe, la matière organique se désintègre et le carbone sous forme de méthane et de dioxyde de carbone s'infiltre dans l'atmosphère.

Les recherches actuelles estiment que le pergélisol de l'hémisphère nord contient 1 672 milliards de tonnes (Pétagrammes) de carbone organique. Si seulement 10 pour cent de ce pergélisol dégelait, il pourrait libérer suffisamment de dioxyde de carbone supplémentaire dans l'atmosphère pour augmenter les températures de 0,7 degrés Celsius (1,3 degrés Fahrenheit) supplémentaires d'ici 2100.


8.4A : Cycle du carbone - Biologie

Le temps qu'il faut au carbone pour traverser le cycle rapide du carbone est mesuré en durée de vie. Le cycle rapide du carbone est en grande partie le mouvement du carbone à travers les formes de vie sur Terre ou dans la biosphère. Entre 10 15 et 10 17 grammes (1 000 à 100 000 millions de tonnes métriques) de carbone transitent chaque année par le cycle rapide du carbone.

Le carbone joue un rôle essentiel en biologie en raison de sa capacité à former de nombreuses liaisons et jusqu'à quatre par atome et à former une variété apparemment infinie de molécules organiques complexes. De nombreuses molécules organiques contiennent des atomes de carbone qui ont formé des liaisons fortes avec d'autres atomes de carbone, se combinant en longues chaînes et anneaux. De telles chaînes et anneaux carbonés sont à la base des cellules vivantes. Par exemple, l'ADN est composé de deux molécules entrelacées construites autour d'une chaîne carbonée.

Les liaisons des longues chaînes carbonées contiennent beaucoup d'énergie. Lorsque les chaînes se brisent, l'énergie stockée est libérée. Cette énergie fait des molécules de carbone une excellente source de carburant pour tous les êtres vivants.

Au cours de la photosynthèse, les plantes absorbent le dioxyde de carbone et la lumière du soleil pour créer du carburant et du glucose et d'autres sucres pour la construction de structures végétales. Ce processus constitue la base du cycle rapide (biologique) du carbone. (Illustration adaptée de P.J. Sellers et al., 1992.)

Les plantes et le phytoplancton sont les principaux composants du cycle rapide du carbone. Le phytoplancton (organismes microscopiques dans l'océan) et les plantes prélèvent le dioxyde de carbone de l'atmosphère en l'absorbant dans leurs cellules. En utilisant l'énergie du soleil, les plantes et le plancton combinent le dioxyde de carbone (CO2) et de l'eau pour former du sucre (CH2O) et de l'oxygène. La réaction chimique ressemble à ceci :

Quatre choses peuvent arriver pour déplacer le carbone d'une plante et le renvoyer dans l'atmosphère, mais toutes impliquent la même réaction chimique. Les plantes décomposent le sucre pour obtenir l'énergie dont elles ont besoin pour se développer. Les animaux (y compris les humains) mangent les plantes ou le plancton et décomposent le sucre végétal pour obtenir de l'énergie. Les plantes et le plancton meurent et se décomposent (sont mangés par les bactéries) à la fin de la saison de croissance. Ou le feu consume les plantes. Dans chaque cas, l'oxygène se combine avec le sucre pour libérer de l'eau, du dioxyde de carbone et de l'énergie. La réaction chimique de base ressemble à ceci :

Dans les quatre processus, le dioxyde de carbone libéré lors de la réaction se retrouve généralement dans l'atmosphère. Le cycle rapide du carbone est si étroitement lié à la vie végétale que la saison de croissance peut être vue par la façon dont le dioxyde de carbone fluctue dans l'atmosphère. Pendant l'hiver de l'hémisphère nord, lorsque peu de plantes terrestres poussent et que beaucoup se décomposent, les concentrations atmosphériques de dioxyde de carbone augmentent. Au printemps, lorsque les plantes recommencent à pousser, les concentrations chutent. C'est comme si la Terre respirait.

Le flux et le reflux du cycle rapide du carbone sont visibles au fil des saisons. Comme les grandes masses terrestres de l'hémisphère nord verdissent au printemps et en été, elles extraient le carbone de l'atmosphère. Ce graphique montre la différence des niveaux de dioxyde de carbone par rapport au mois précédent, la tendance à long terme étant supprimée.

Ce cycle culmine en août, avec environ 2 parties par million de dioxyde de carbone extrait de l'atmosphère. En automne et en hiver, alors que la végétation meurt dans l'hémisphère nord, la décomposition et la respiration renvoient du dioxyde de carbone dans l'atmosphère.

Ces cartes montrent la productivité primaire nette (la quantité de carbone consommée par les plantes) sur terre (vert) et dans les océans (bleu) en août et décembre 2010. En août, les zones vertes d'Amérique du Nord, d'Europe et d'Asie représentent les plantes en utilisant le carbone de l'atmosphère pour croître. En décembre, la productivité primaire nette aux hautes latitudes est négative, ce qui l'emporte sur l'augmentation saisonnière de la végétation dans l'hémisphère sud. En conséquence, la quantité de dioxyde de carbone dans l'atmosphère augmente.

(Graphique de Marit Jentoft-Nilsen et Robert Simmon, utilisant les données du Laboratoire de recherche sur le système terrestre de la NOAA. Cartes de Robert Simmon et Reto Stöckli, utilisant les données MODIS.)


Le cycle biologique du carbone

Les organismes vivants sont connectés de plusieurs manières, même entre les écosystèmes. Un bon exemple de cette connexion est l'échange de carbone entre les autotrophes et les hétérotrophes à l'intérieur et entre les écosystèmes par le biais du dioxyde de carbone atmosphérique. Le dioxyde de carbone est le bloc de construction de base que la plupart des autotrophes utilisent pour construire des composés multicarbonés à haute énergie, tels que le glucose. L'énergie captée par le soleil est utilisée par ces organismes pour former les liaisons covalentes qui relient les atomes de carbone entre eux. Ces liaisons chimiques stockent ainsi cette énergie pour une utilisation ultérieure dans le processus de respiration. La plupart des autotrophes terrestres obtiennent leur dioxyde de carbone directement de l'atmosphère, tandis que les autotrophes marins l'acquièrent sous forme dissoute (acide carbonique, H2CO3 − ). Cependant, le dioxyde de carbone est acquis, un sous-produit du processus est l'oxygène. Les organismes photosynthétiques sont responsables du dépôt d'environ 21 pour cent d'oxygène contenu dans l'atmosphère que nous observons aujourd'hui.

Les hétérotrophes et les autotrophes sont partenaires dans l'échange biologique du carbone (en particulier les principaux consommateurs, en grande partie les herbivores). Les hétérotrophes acquièrent les composés carbonés à haute énergie des autotrophes en les consommant et en les décomposant par respiration pour obtenir de l'énergie cellulaire, telle que l'ATP. Le type de respiration le plus efficace, la respiration aérobie, nécessite de l'oxygène provenant de l'atmosphère ou dissous dans l'eau. Ainsi, il y a un échange constant d'oxygène et de dioxyde de carbone entre les autotrophes (qui ont besoin du carbone) et les hétérotrophes (qui ont besoin d'oxygène). L'échange de gaz à travers l'atmosphère et l'eau est l'un des moyens par lesquels le cycle du carbone relie tous les organismes vivants sur Terre.


8.4A : Cycle du carbone - Biologie

Écologie : écosystèmes et cycles des nutriments

JE. Conditions.

Rappelons que les organismes échangent des matériaux avec l'environnement. Essentiellement, les êtres vivants doivent obtenir deux matériaux majeurs de l'environnement :

B. Des blocs de construction élémentaires appropriés

II. Les éléments sont recyclés (contrairement à l'énergie !).
Le cycle ou l'échange d'éléments à travers l'écosystème est appelé un cycle bio géo chimique. Les éléments ["chimique"] cycle entre biotiques (organismes vivants, "bio-" ) et abiotique (roche, air, eau "geo-" ) réservoirs.

A. Modèle général d'un cycle biogéochimique (schéma fourni en classe)

B. Points à considérer.
En étudiant chaque cycle biogéochimique, posez-vous les questions suivantes :

III. Le cycle hydrologique - le cycle de l'eau (hydrogène, oxygène).
Voir schéma dans le texte. Nous ne discuterons pas directement de celui-ci, alors vérifiez-le dans le texte. Quelques points importants à retenir : évaporation, ruissellement, précipitations, eaux souterraines, transpiration, bassin versant, aquifère.

IV. Cycle du carbone - un cycle atmosphérique.

Voir schéma dans le texte et fourni en classe. Points à considérer:

IV. Cycle de l'azote - un autre cycle atmosphérique.
Environ 80% de l'air est composé de gaz N2. Points à considérer:

V. Cycle du phosphore - un cycle sédimentaire.
Beaucoup plus lent que les autres cycles.

VI. L'homéostasie existe dans les cycles des nutriments
Dans un écosystème stable, les cycles biogéochimiques montrent une homéostasie. Autrement dit, les cycles sont intacts et efficaces. Ou plus simplement dit : Entrée = Sortie.

Par exemple, Hubbard Brook Forest dans les White Mountains (NH) est un projet massif de Gene Likens, G. Bormann et ses collègues qui a démontré l'importance d'un écosystème intact pour le cycle des nutriments. Le ruisseau Hubbard est composé d'une série de vallées boisées, chacune avec un bassin hydrographique drainé par un seul ruisseau. C'était donc un système "contenu" idéal. Les scientifiques pourraient mesurer les intrants et les extrants avant et après la coupe à blanc de la forêt (tableau 1).


Le cycle du carbone des océans est contrôlé par. Petit plancton ?

L'océan joue un rôle majeur dans le cycle mondial du carbone. La force motrice vient du minuscule plancton qui produit du carbone organique par photosynthèse, comme les plantes terrestres.

Le dossier de recherche est un bref aperçu de travaux universitaires intéressants.

La grande idée

L'océan joue un rôle majeur dans le cycle mondial du carbone. La force motrice vient du minuscule plancton qui produit du carbone organique par photosynthèse, comme les plantes terrestres.

Lorsque le plancton meurt ou est consommé, un ensemble de processus connus sous le nom de pompe à carbone biologique transporte des particules de carbone descendant de la surface vers les profondeurs de l'océan dans un processus connu sous le nom de chutes de neige marines. La naturaliste et écrivain Rachel Carson l'a qualifiée de « plus extraordinaire chute de neige sur Terre ».

Une partie de ce carbone est consommée par la vie marine et une partie est décomposée chimiquement. Une grande partie est transportée vers les eaux profondes, où elle peut rester pendant des centaines à des milliers d'années. Si les océans profonds ne stockaient pas autant de carbone, la Terre serait encore plus chaude qu'elle ne l'est aujourd'hui.

Dans une étude récente, j'ai travaillé avec des collègues des États-Unis, de l'Australie et du Canada pour comprendre avec quelle efficacité la pompe biologique capture le carbone dans le cadre de cette chute de neige marine. Les efforts passés pour répondre à cette question ont souvent mesuré les chutes de neige marines à une profondeur de référence définie, telle que 450 pieds (150 mètres). En revanche, nous avons accordé une plus grande attention à la profondeur de ce qu'on appelle la zone euphotique. Il s'agit de la couche océanique proche de la surface, où suffisamment de lumière pénètre pour que la photosynthèse se produise.

Nous avons expliqué plus précisément à quelle profondeur la zone euphotique s'étend en utilisant des capteurs de chlorophylle, qui indiquent la présence de plancton. Cette approche a révélé que la zone ensoleillée s'étendait plus loin dans certaines régions de l'océan que dans d'autres. En tenant compte de ces nouvelles informations, nous estimons que la pompe biologique transporte deux fois plus de carbone piégeant la chaleur de la surface de l'océan qu'on ne le pensait auparavant.

Pourquoi est-ce important

Le phénomène de pompe biologique a lieu sur l'ensemble de l'océan. Cela signifie que même de petits changements dans son efficacité pourraient modifier de manière significative les niveaux de dioxyde de carbone atmosphérique et, par conséquent, le climat mondial.

De plus, la pénétration de la lumière varie selon les régions et les saisons dans les océans. Il est essentiel de comprendre ces différences afin que les océanographes puissent intégrer les processus biologiques dans de meilleurs modèles climatiques mondiaux.

Nous avons également examiné un autre phénomène océanique qui implique la plus grande migration animale sur Terre. C'est ce qu'on appelle la migration verticale journalière, et cela se produit dans le monde entier. Toutes les 24 heures, une vague massive de plancton et de poissons monte de la zone crépusculaire pour se nourrir la nuit à la surface, puis redescend dans les eaux plus sombres le jour.

Les scientifiques pensent que ce processus déplace beaucoup de carbone de la surface vers les eaux plus profondes. Notre étude suggère que la quantité de carbone transportée par ces migrations quotidiennes doit également être mesurée à la même frontière où la lumière disparaît, afin que les scientifiques puissent comparer directement les chutes de neige marines à la migration active.

Comment nous l'avons fait

Pour cette étude, nous avons passé en revue les recherches antérieures sur la pompe biologique. Pour comparer les résultats, nous avons d'abord déterminé à quelle profondeur la région éclairée par le soleil s'étendait. We found this boundary at the depth where it became too dark to see any more chlorophyll pigments, which mark the presence of marine phytoplankton layers. Across the studies, that depth varied between 100 and 550 feet (30 to 170 meters).

Next, we estimated how much organic carbon sank into deeper waters in these studies, and measured how much remained in particles that sank another 330 feet (100 meters) deeper into the twilight zone. Many creatures live and feed in these deep waters, including fish, squid, worms and jellyfish. Some of them consume sinking carbon particles, reducing the amount of marine snowfall.

Comparing these two numbers gave us an estimate of how efficiently the biological pump was moving carbon into deep waters. The studies that we reviewed produced a wide range of values. Overall, we calculated that the biological pump was capturing twice as much carbon as previous studies that did not take into account the wide range of light penetration depths. Regional patterns also changed: Areas with shallow light penetration accounted for a higher percentage of carbon removal than areas with deeper light penetration.

What still isn’t known

Our study reveals that scientists need to use using a more systematic approach to defining the ocean’s vertical boundaries for organic carbon production and loss. This finding is timely, because the international oceanographic community is calling for more and better studies of the biological carbon pump and the ocean twilight zone.

The twilight zone could be profoundly affected if nations seek to develop new midwater fisheries, mine the seafloor for minerals or use it as a dumping ground for waste. Scientists are forming a collaborative effort called the Joint Exploration of the Twilight Zone Ocean Network, or JETZON, to set research priorities, promote new technologies and better coordinate twilight zone studies.

To compare these studies, researchers need a common set of metrics. For the biological carbon pump, we need to better understand how big this flow of carbon is, and how efficiently it is transported into deeper water for long-term storage. These processes will affect how Earth responds to rising greenhouse gas emissions and the warming they cause.

[You’re smart and curious about the world. So are The Conversation’s authors and editors. You can get our highlights each weekend.]

Ken Buesseler, Senior Scientist, Woods Hole Oceanographic Institution

This article is republished from The Conversation under a Creative Commons license. Lire l'article original.


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8.4A: Carbon Cycle - Biology

Carbon dioxide is an atmospheric constituent that plays several vital roles in the environment. It is a greenhouse gas that traps infrared radiation heat in the atmosphere. It plays a crucial role in the weathering of rocks. It is the carbon source for plants. It is stored in biomass, organic matter in sediments, and in carbonate rocks like limestone.

The primary source of carbon/CO 2 is outgassing from the Earth's interior at midocean ridges, hotspot volcanoes, and subduction-related volcanic arcs. Much of the CO 2 released at subduction zones is derived from the metamorphism of carbonate rocks subducting with the ocean crust. Much of the overall outgassing CO 2 , expecially as midocean ridges and hotpot volcanoes, was stored in the mantle when the Earth formed. Some of the outgassed carbon remains as CO 2 in the atmosphere, some is dissolved in the oceans, some carbon is held as biomass in living or dead and decaying organisms, and some is bound in carbonate rocks. Carbon is removed into long term storage by burial of sedimentary strata, especially coal and black shales that store organic carbon from undecayed biomass and carbonate rocks like limestone (calcium carbonate).

Plants and photosynthetic algae and bacteria use energy from sunlight to combine carbon dioxide (C0 2 ) from the atmosphere with water (H 2 O) to form carbohydrates. These carbohydrates store energy. Oxygen (O 2 ) is a byproduct that is released into the atmosphere. This process is known as photosynthesis. carbon dioxide + water + sunlight -> carbohydrate + oxygen

CO 2 + H 2 O + sunlight -> CH 2 O + O 2

Plants (and photosynthetic algae and bacteria) then use some of the stored carbohydrates as an energy source to carry out their life functions. Some of the carbohydrates remain as biomass (the bulk of the plant, etc.). Consumers such as animals, fungi, and bacteria get their energy from this excess biomass either while living or dead and decaying. Oxygen from the atmosphere is combined with carbohydrates to liberate the stored energy. Water and carbon dioxide are byproducts. oxygen + carbohydrate -> energy + water + carbohydrate

O 2 + CH 2 O -> energy + H 2 O + CO 2

Notice that photosynthesis and respiration are essentially the opposite of one another. Photosynthesis removes CO 2 from the atmosphere and replaces it with O 2 . Respiration takes O 2 from the atmosphere and replaces it with CO 2 . However, these processes are not in balance. Not all organic matter is oxidized. Some is buried in sedimentary rocks. The result is that over geologic time, there has been more oxygen put into the atmosphere and carbon dioxide removed by photosynthesis than the reverse.

Carbon dioxide and the other atmospheric gases dissolve in surface waters. Dissolved gases are in equilibrium with the gas in the atmosphere. Carbon dioxide reacts with water in solution to form the weak acid, carbonic acid. Carbonic acid disassociates into hydrogen ions and bicarbonate ions. The hydrogen ions and water react with most common minerals (silicates and carbonates) altering the minerals. The products of weathering are predominantly clays (a group of silicate minerals) and soluble ions such as calcium, iron, sodium, and potassium. Bicarbonate ions also remain in solution a remnant of the carbonic acid that was used to weather the rocks.

1. Carbon dioxide is removed from the atmosphere by dissolving in water and forming carbonic acid CO 2 + H 2 O -> H 2 CO 3 (carbonic acid)

2. Carbonic acid is used to weather rocks, yielding bicarbonate ions, other ions, and clays H 2 CO 3 + H 2 O + silicate minerals -> HCO 3 - + cations (Ca ++ , Fe ++ , Na + , etc.) + clays

3. Calcium carbonate is precipitated from calcium and bicarbonate ions in seawater by marine organisms like coral Ca ++ + 2HCO 3 - -> CaCO 3 + CO 2 + H 2 O the carbon is now stored on the seafloor in layers of limestone

Metamorphism of Carbonates

Some of this carbon is returned to the atmosphere via metamorphism of limestone at depth in subduction zones or in orogenic belts CaCO 3 + SiO 2 -> CO 2 + CaSiO 3

followed by outgassing at the volcanic arc.

Most of the sun's energy that falls on the Earth's surface is in the visible light portion of the electromagnetic spectrum. This is in large part because the Earth's atmosphere is transparent to these wavelengths (we all know that with a functioning ozone layer, the higher frequencies like ultraviolet are mostly screened out). Part of the sunlight is reflected back into space, depending on the albedo or reflectivity of the surface. Part of the sunlight is changed into infrared (lower frequency than visible light). While the dominant gases of the atmosphere (nitrogen and oxygen) are transparent to infrared, the so-called greenhouse gasses, primarily water vapor (H 2 O), carbon dioxide, and methane (CH 4 ), absorb the infrared radiation. They collect this heat energy and hold it in the atmosphere. While we worry about possible global warming from the additional CO 2 we put into the atmosphere by burning fossil fuels, if there was no CO 2 in the atmosphere the global climate would be significantly cooler.

Because of the role of CO 2 in climate, feedbacks in the carbon cycle act to maintain global temperatures within certain bounds so that the climate never gets too hot or too cold to support life on Earth. The process is a large-scale example of LeChatelier's Principle. This chemical principle states that if a reaction at equilibrium is perturbed by the addition or removal of a product or reactant, the reaction will adjust so as to attempt to bring that chemical species back to its original concentration. For example, as carbonic acid is removed from solution by weathering of rocks, the reaction will adjust by producing more carbonic acid. And since the dissolved CO 2 is in equilibrium with atmospheric CO 2 , more CO 2 is removed from the atmosphere to replace that removed from solution by weathering.

If CO 2 concentration increases in the atmosphere because of an increased rate of outgassing, global temperature will rise. Rising temperature and more dissolved CO 2 will lead to increased weathering of crustal rocks as a result of faster reaction rates (temperature effect) and greater acidity. Enhanced weathering will use up the excess CO 2 thereby cooling the climate.

If global temperature cools as a result of some astronomical forcing or tectonic/ocean circulation effect, the lower temperatures will result in lower rates of chemical weathering. Decreased weathering means less CO 2 being drawn from the atmosphere by weathering reactions, leaving more CO 2 in the atmosphere to increase temperatures.

If more rocks become available for rapid weathering as a result of mountain uplift the enhanced weathering will draw down atmospheric CO 2 and decrease global temperatures. But the decreased temperatures will slow reaction rates, thereby using less CO 2 , thus allowing temperatures to moderate.


8.4A: Carbon Cycle - Biology

The graphs show monthly mean carbon dioxide measured at Mauna Loa Observatory, Hawaii. The carbon dioxide data on Mauna Loa constitute the longest record of direct measurements of CO2 in the atmosphere. They were started by C. David Keeling of the Scripps Institution of Oceanography in March of 1958 at a facility of the National Oceanic and Atmospheric Administration [Keeling, 1976]. NOAA started its own CO2 measurements in May of 1974, and they have run in parallel with those made by Scripps since then [Thoning, 1989].

The last five complete years of the Mauna Loa CO2 record plus the current year are shown in the first graph. The full record of combined Scripps data and NOAA data is shown in the second graph. Every monthly mean is the average of daily means, which are in turn based on hourly averages, but only for those hours during which “background” conditions prevail (see gml.noaa.gov/ccgg/about/co2_measurements.html for more information).

Les rouge lines and symbols represent the monthly mean values, centered on the middle of each month. Les le noir lines and symbols represent the same, after correction for the average seasonal cycle. The latter is determined as a moving average of SEVEN adjacent seasonal cycles centered on the month to be corrected, except for the first and last THREE and one-half years of the record, where the seasonal cycle has been averaged over the first and last SEVEN years, respectively.

The vertical bars on the le noir lines of the first graph show the uncertainty of each monthly mean based on the observed variability of CO2 in different weather systems as they go past the top of Mauna Loa. This is manifest in the deviations of daily means from a smooth curve that follows the seasonal cycle [Thoning, 1989]. We take into account that successive daily means are not fully independent, the CO2 deviation on most days has some similarity to that of the previous day. If there is a missing month, its interpolated value is shown in blue.

The last year of data are still preliminary , pending recalibrations of reference gases and other quality control checks. Data are reported as a dry air mole fraction defined as the number of molecules of carbon dioxide divided by the number of all molecules in air, including CO 2 itself, after water vapor has been removed. The mole fraction is expressed as parts per million (ppm). Example: 0.000400 is expressed as 400 ppm.

The Mauna Loa data are being obtained at an altitude of 3400 m in the northern subtropics, and may not be the same as the globally averaged CO 2 concentration at the surface .