Le cycle du carbone

Le carbone est l'atome dont est faite toute matière organique : le glucose, les protéines, le bois, le pétrole, ton propre corps. Or cet atome ne disparaît jamais et ne se crée pas — il change de place. Décrire le cycle du carbone, c'est dire où il se trouve, et à quelle vitesse il passe d'un endroit à l'autre.

La distinction qui commande tout le chapitre. Deux mots, deux unités, et l'immense majorité des erreurs vient de leur confusion.

Un réservoir contient un stock : une quantité de carbone présente à un instant donné. Il se mesure en gigatonnes de carbone, notées GtC — une gigatonne, c'est un milliard de tonnes.

Un flux est un transfert entre deux réservoirs, rapporté à une durée : une quantité par an. Il se mesure en gigatonnes de carbone par an.

Prends une baignoire. Le niveau de l'eau est un stock, il se mesure en litres. Le robinet et la bonde sont des flux, ils se mesurent en litres par minute. Un flux énorme ne fait pas monter le niveau s'il est compensé par un écoulement égal ; un flux minuscule le fait monter s'il n'est compensé par rien. Le niveau ne dépend pas de la taille des robinets, il dépend de leur différence. Garde cette image, elle contient à peu près tout ce qui suit.

Attention à l'unité : GtC désigne une masse de carbone, pas une masse de dioxyde de carbone. Les deux se rencontrent dans les journaux et ne sont pas égales — nous verrons comment passer de l'une à l'autre.

Les cinq réservoirs. Voici leurs stocks, arrondis, d'après le GIEC.

Ces ordres de grandeur valent la peine d'être regardés une minute. Les océans contiennent plus de quarante fois le carbone de l'atmosphère : ce n'est pas l'air qui est le grand réservoir de carbone de la planète. Et la végétation et les sols réunis, la biosphère continentale, en contiennent plus du double de l'atmosphère.

Les six grands flux. Ils portent des noms que tu connais déjà, et deux d'entre eux sont exactement les réactions étudiées à l'échelle de la cellule.

Ce que tu reconnais. La photosynthèse prélève du dioxyde de carbone dans l'air et le transforme en matière organique : c'est le seul flux qui fait entrer du carbone dans le vivant. La respiration — celle des plantes, des animaux, et des micro-organismes qui décomposent la matière morte — le rend à l'atmosphère : la respiration cellulaire que tu as étudiée dans une mitochondrie, sommée sur toute la biosphère continentale, pèse $116$ GtC par an. Les océans échangent dans les deux sens, parce que le dioxyde de carbone est un gaz soluble dans l'eau : il se dissout à la surface, et une partie repart. La combustion des combustibles fossiles, elle, fait sortir du carbone d'un réservoir qui était resté fermé pendant des millions d'années.

Le bilan d'un réservoir. Pour chaque réservoir, on additionne ce qui entre, on additionne ce qui sort, et on soustrait :

Le résultat est un flux, en GtC par an. S'il est positif, le réservoir se charge ; s'il est négatif, il se vide ; s'il est nul, son stock ne bouge pas — quelle que soit la taille des flux. Applique-le à l'atmosphère dans l'exemple guidé : tu trouveras $+5$ GtC par an. C'est le nombre autour duquel tourne tout le chapitre.

Regarde à nouveau le tableau des flux, et compare les nombres par paires.

• Photosynthèse $120$, respiration et décomposition $116$ : deux flux énormes, qui se répondent presque exactement.
• Absorption par les océans $80$, dégazage des océans $78$ : de même, deux flux considérables et presque égaux.
• Combustion des combustibles fossiles $10$ : et rien en face.

Voilà le cœur du sujet. Le flux de combustion est petit — douze fois plus petit que la photosynthèse. On en tire souvent la conclusion inverse de la bonne : « puisque la nature déplace bien plus de carbone que nous, notre contribution est négligeable ». C'est un raisonnement de stock appliqué à un problème de flux. Reviens à la baignoire : ce qui fait monter le niveau, ce n'est pas la taille du robinet, c'est la différence entre ce qui entre et ce qui sort. Les grands flux naturels tournent en boucle et se compensent ; le flux de combustion, lui, ne va que dans un sens, et il s'ajoute d'un seul côté de la balance.

Le déséquilibre est mesurable, et il est mesuré. Avec les valeurs du tableau, le bilan de l'atmosphère vaut $+5$ GtC par an : chaque année, l'atmosphère contient environ cinq gigatonnes de carbone de plus que l'année précédente. Ce n'est pas une déduction de la leçon, c'est une grandeur suivie par les instruments depuis les années 1950, et les valeurs arrondies retenues ici ont été choisies pour être cohérentes avec cette croissance observée. La science est claire sur ce point ; la leçon le dit clairement.

Où va le reste ? Les $10$ GtC par an qui sortent chaque année du réservoir fossile ne s'accumulent pas toutes dans l'air. Fais les trois bilans :

Et $5 + 3 + 2 = 10$ : le compte est bon, le carbone n'a pas disparu. Autrement dit, la moitié seulement du carbone tiré des combustibles fossiles reste dans l'atmosphère ; l'autre moitié est absorbée par les océans et par la végétation, qui jouent le rôle de puits. Sans ces deux puits, l'augmentation du stock atmosphérique serait deux fois plus rapide.

Ce que coûte le puits océanique. L'absorption par les océans n'est pas gratuite : le dioxyde de carbone dissous rend l'eau de mer plus acide, ce que le GIEC constate depuis plusieurs décennies. Un puits de carbone n'est pas une poubelle sans conséquence.

Une horloge et une autre. Le réservoir fossile mérite une remarque à part, parce qu'il obéit à une échelle de temps qui n'est pas la nôtre. Le charbon, le pétrole et le gaz proviennent de matière organique — végétaux, plancton — enfouie et transformée pendant des millions d'années. Leur flux de formation est, à l'échelle d'une vie humaine, indiscernable de zéro. En face, la combustion en sort $10$ GtC par an. Un réservoir qui se vide des millions de fois plus vite qu'il ne se remplit n'est pas renouvelable : ce que la Terre a mis des millions d'années à enfouir est renvoyé dans l'air en quelques générations.

Ce que ce déséquilibre entraîne. Le dioxyde de carbone est un gaz à effet de serre : plus il y en a dans l'atmosphère, plus celle-ci retient d'énergie près de la surface. C'est le mécanisme étudié en première, et le cycle du carbone en donne la cause : le stock atmosphérique augmente parce qu'un flux n'est pas compensé.

Deux honnêtetés à garder. D'abord, tous ces nombres sont arrondis à l'unité : le GIEC les publie avec des incertitudes, plus grandes sur les flux naturels bruts que sur les émissions de la combustion, et les valeurs de cette leçon ont été choisies rondes et cohérentes pour que les bilans tombent juste. Ce sont des ordres de grandeur exacts, pas des mesures au dixième près. Ensuite, un bilan calculé « à flux constants » sur plusieurs années est une hypothèse arithmétique, utile pour comprendre, et non une prévision : les flux réels varient d'une année à l'autre.

Énoncé. Le tableau donne les principaux flux de carbone qui traversent l'atmosphère, en gigatonnes de carbone par an (valeurs arrondies, d'après le GIEC).

1. Quel est le bilan annuel de carbone de l'atmosphère, en Gt ?
2. À flux constants, quelle masse de carbone l'atmosphère gagnerait-elle en $20$ ans ?
3. Si la combustion des combustibles fossiles cessait, les autres flux restant constants, que deviendrait ce bilan sur $20$ ans ?
4. Quelle part des sorties annuelles de l'atmosphère la photosynthèse représente-t-elle ?

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1. Le bilan annuel. On additionne d'abord les entrées, puis les sorties, et on soustrait.

Le bilan est positif : l'atmosphère se charge en carbone, d'environ cinq gigatonnes chaque année.

2. Sur vingt ans. Un bilan est un flux, en gigatonnes par an. Multiplié par une durée en années, il donne une masse en gigatonnes :

Rapporté au stock atmosphérique de $870$ GtC, cela représente environ un dixième de plus en vingt ans. Souviens-toi que ce calcul suppose les flux constants : c'est une hypothèse de travail, pas une prévision.

3. Sans la combustion. On retire $10$ GtC par an aux entrées, et on refait la différence :

puis sur vingt ans :

Le signe a changé, et c'est le résultat le plus instructif de l'exercice : sans ce seul flux, l'atmosphère perdrait du carbone, parce que les deux puits — photosynthèse et océans — l'emporteraient sur les retours naturels. Le flux de combustion est petit devant les flux naturels, mais il n'est compensé par rien : c'est lui, et lui seul, qui fait basculer le bilan du côté positif.

4. La part de la photosynthèse. On ne retient que les flux sortants de l'atmosphère, dont le total vaut $200$ GtC par an :

La photosynthèse retire donc $60$ % du carbone qui quitte l'atmosphère chaque année, l'absorption océanique les $40$ % restants. Mais retirer n'est pas stocker durablement : la respiration et la décomposition rendent presque aussitôt $116$ des $120$ GtC prélevés.

Contrôle. Quatre réflexes. Un bilan est entrées moins sorties, dans cet ordre, et il garde son signe. Un flux se compte en gigatonnes par an, une masse en gigatonnes : multiplier l'un par une durée donne l'autre, jamais l'inverse. Un pourcentage se calcule par rapport à un total défini — ici les sorties seules, pas l'ensemble des flux. Et si tu enlèves un flux entrant, le bilan diminue de ce flux : un bilan qui augmenterait signalerait une erreur de signe.

Figure (fig.biology.carbon-cycle-fluxes, SVG programmatique à produire) : un schéma du cycle, doublé d'un diagramme de bilan.

• Panneau principal — le cycle. Cinq cadres rectangulaires, chacun portant son nom et son stock écrit en toutes lettres : l'atmosphère ($870$ GtC) en haut au centre, la biosphère continentale, végétation et sols ($450 + 1\,700$ GtC) en bas à gauche, les océans ($38\,000$ GtC) en bas à droite, et, à l'écart en bas au centre, les combustibles fossiles ($1\,000$ GtC), dessinés sous une ligne de sol pour marquer l'enfouissement. Un cartouche explicite, à côté des cadres : « les cadres ne sont pas à l'échelle des stocks — la valeur est écrite dans chacun ».
• Les flux sont des flèches dont l'épaisseur est proportionnelle à la valeur, avec une échelle de référence dessinée en légende (un segment étalon marqué « $20$ GtC par an »). Chaque flèche porte son nom et son nombre : photosynthèse $120$ de l'atmosphère vers la biosphère ; respiration et décomposition $116$ en retour ; déforestation $1$ en retour également, en trait plus fin ; absorption $80$ de l'atmosphère vers les océans ; dégazage $78$ en retour ; combustion $10$ des combustibles fossiles vers l'atmosphère.
• Le repérage sans couleur. Les flèches des flux naturels sont en trait plein, celles des flux d'origine humaine — combustion et déforestation — en trait hachuré, et une légende le dit. Les deux paires naturelles sont réunies chacune par une accolade portant la mention « presque compensées : $120$ contre $116$ » et « presque compensées : $80$ contre $78$ ». La flèche de combustion, elle, porte le cartouche « aucune flèche en face ».
• Panneau de bilan, en bas, sur toute la largeur : un diagramme en barres horizontales, axe partant de zéro, gradué de $0$ à $210$ GtC par an. Pour l'atmosphère, deux barres superposées, « entrées $205$ » et « sorties $200$ », avec une double flèche cotée « $+5$ » entre leurs extrémités. À droite, trois petites barres de bilan côte à côte, sur un axe partant de zéro gradué de $0$ à $10$ : atmosphère $+5$, biosphère continentale $+3$, océans $+2$, surmontées de l'égalité écrite « $5 + 3 + 2 = 10$, les $10$ GtC par an sortis du réservoir fossile ».

Ce qu'il faut lire. Compare d'abord les épaisseurs dans chaque paire naturelle : elles sont presque identiques, et c'est pourquoi ces flux ne changent presque rien aux stocks. Cherche ensuite la flèche de combustion : elle est fine, et elle est seule — aucune flèche ne la compense. Regarde enfin le panneau de bilan : l'écart de cinq gigatonnes par an entre les deux barres de l'atmosphère est petit devant les barres elles-mêmes, et c'est pourtant lui qui fait toute l'affaire.

La figure en détail : la figure comporte deux parties. En haut, cinq cadres portent chacun le nom d'un réservoir et son stock en gigatonnes de carbone : l'atmosphère, huit cent soixante-dix ; la biosphère continentale, quatre cent cinquante pour la végétation et mille sept cents pour les sols ; les océans, trente-huit mille ; les combustibles fossiles, mille, dessinés sous une ligne figurant le sol. Un cartouche précise que les cadres ne sont pas dessinés à l'échelle de ces stocks. Des flèches d'épaisseur proportionnelle aux flux relient les réservoirs, avec un segment étalon en légende valant vingt gigatonnes de carbone par an. De l'atmosphère vers la biosphère continentale part la photosynthèse, cent vingt ; en retour viennent la respiration et la décomposition, cent seize, et la déforestation, un. De l'atmosphère vers les océans part l'absorption, quatre-vingts ; en retour vient le dégazage, soixante-dix-huit. Des combustibles fossiles vers l'atmosphère part la combustion, dix. Les flux naturels sont en trait plein, les flux d'origine humaine en trait hachuré ; deux accolades soulignent que les paires naturelles se compensent presque, tandis qu'un cartouche indique que la flèche de combustion n'a aucune flèche en face. En bas, un diagramme en barres partant de zéro compare les entrées de l'atmosphère, deux cent cinq gigatonnes de carbone par an, et ses sorties, deux cents, l'écart de cinq étant coté par une double flèche ; trois barres voisines donnent les bilans annuels de l'atmosphère, plus cinq, de la biosphère continentale, plus trois, et des océans, plus deux, dont la somme vaut les dix gigatonnes de carbone par an sorties du réservoir fossile.

Deux unités à ne pas confondre. Une gigatonne de carbone n'est pas une gigatonne de dioxyde de carbone : dans une molécule de dioxyde de carbone, de masse molaire $44$ g/mol, le carbone ne pèse que $12$ g/mol. Une masse de carbone se convertit donc en masse de dioxyde de carbone en la multipliant par $44$ divisé par $12$, soit environ $3{,}7$. Les $10$ GtC par an de la combustion correspondent ainsi à environ $37$ Gt de dioxyde de carbone par an — le nombre que citent souvent les journaux. Ce sont les mêmes émissions, comptées dans deux unités différentes.

Ce qui n'est pas au programme. Les scénarios d'évolution du climat, le calcul d'un forçage radiatif, la conversion entre concentration atmosphérique en parties par million et gigatonnes de carbone, et la chimie des carbonates de l'eau de mer relèvent d'autres niveaux ou d'autres enseignements. En terminale, on lit un tableau de flux, on calcule un bilan, on le multiplie par une durée, on en tire un pourcentage, et on explique ce que ces nombres signifient.

1. Confondre un stock et un flux. L'unité tranche à elle seule : $870$ GtC est un stock — une quantité contenue ; $120$ GtC par an est un flux — une quantité transférée chaque année. Avant tout calcul, regarde s'il y a un « par an » dans l'unité. Un stock ne se compare jamais directement à un flux.
2. Croire que les combustibles fossiles se renouvellent à l'échelle humaine. Ils se sont formés en des millions d'années à partir de matière organique enfouie ; leur formation est aujourd'hui indiscernable de zéro face aux $10$ GtC par an qu'en sort la combustion. Aucun gisement ne se reconstitue en quelques décennies.
3. Penser que les océans n'absorbent pas de dioxyde de carbone. Ils en absorbent $80$ GtC par an et en dégazent $78$ : le bilan net, $+2$ GtC par an, en fait un puits. Le dioxyde de carbone est soluble dans l'eau — pense à une boisson gazeuse.
4. En conclure que « nos émissions sont négligeables » parce que les flux naturels sont plus grands. C'est l'erreur centrale du chapitre. Les grands flux naturels tournent en boucle et se compensent presque ; le flux de combustion ne va que dans un sens. Ce qui fait monter un niveau, ce n'est pas la taille du robinet, c'est la différence entre l'entrée et la sortie. Le calcul « si la combustion cessait » le montre : le bilan de l'atmosphère passerait de $+5$ à $-5$ GtC par an.
5. Confondre gigatonne de carbone et gigatonne de dioxyde de carbone. Le facteur est d'environ $3{,}7$ : $10$ GtC par an, c'est environ $37$ Gt de dioxyde de carbone par an. Vérifie toujours dans quelle unité l'énoncé compte avant de comparer deux nombres lus à deux endroits différents.
6. Perdre le signe du bilan. Entrées moins sorties, dans cet ordre. Un bilan négatif signifie que le réservoir perd du carbone, et il faut l'écrire avec son signe. Inverser la soustraction transforme un puits en source.
7. Multiplier un stock par une durée. Seul un flux se multiplie par une durée pour donner une masse. Multiplier $870$ GtC par $20$ ans ne veut rien dire ; multiplier $5$ GtC par an par $20$ ans donne $100$ Gt.
8. Calculer un pourcentage sur le mauvais total. La part de la photosynthèse dans les sorties de l'atmosphère se calcule sur les sorties seules, soit $200$ GtC par an, et non sur la somme de tous les flux du tableau.
9. Croire que la photosynthèse « annule » les émissions. Elle prélève $120$ GtC par an, mais la respiration et la décomposition en rendent $116$ : le prélèvement brut n'est pas un stockage. Seul le bilan d'un réservoir dit s'il stocke réellement.
10. Prendre un calcul « à flux constants » pour une prévision. Multiplier un bilan par vingt ans est une hypothèse arithmétique qui aide à saisir un ordre de grandeur. Les flux réels varient ; la leçon calcule, elle ne prédit pas.

Le modèle d'entraînement. L'exercice associé à cette leçon te donne le tableau des flux d'un réservoir tiré au sort — l'atmosphère, la biosphère continentale ou les océans — et te demande l'une de quatre choses : le bilan annuel, la masse gagnée en un certain nombre d'années à flux constants, le bilan de l'atmosphère si la combustion cessait, ou la part d'un flux dans les sorties de l'atmosphère. Un modèle voisin, en vrai ou faux, porte sur la distinction entre stock et flux, sur le renouvellement des combustibles fossiles et sur l'absorption océanique.

Énoncé type. Le tableau donne les principaux flux de carbone qui traversent la biosphère continentale (végétation et sols), en gigatonnes de carbone par an (valeurs arrondies, d'après le GIEC) :

Si ces flux restaient constants, quelle masse de carbone la biosphère continentale (végétation et sols) gagnerait-elle en $10$ ans ? Répondre en Gt.

Corrigé complet.

1. Séparer les entrées des sorties. Une seule flèche entre dans ce réservoir, la photosynthèse ; deux en sortent, la respiration avec la décomposition, et la déforestation.

2. Calculer le bilan annuel.

Le bilan est positif : la biosphère continentale se charge en carbone, de trois gigatonnes par an. C'est un puits — la végétation absorbe un peu plus de carbone qu'elle n'en rend.

3. Passer du flux à la masse. Le bilan est un flux, en gigatonnes par an. Multiplié par une durée en années, il donne une masse en gigatonnes :

Réponse : la biosphère continentale gagnerait environ $30$ Gt de carbone en dix ans.

4. Interpréter. Ces $3$ GtC par an sont une part de ce que la combustion tire du réservoir fossile : avec les $+2$ des océans, ils forment les deux puits qui absorbent la moitié des $10$ GtC par an émis, l'autre moitié restant dans l'atmosphère, dont le bilan vaut $+5$.

Auto-contrôle. Quatre questions avant de rendre. Ai-je classé chaque flux du bon côté, en lisant la colonne « sens pour ce réservoir » plutôt que le nom du flux ? Ai-je bien fait entrées moins sorties, dans cet ordre ? Ai-je multiplié le bilan par la durée, et non l'une des sommes ? Et ma réponse est-elle en Gt — une masse — et non en Gt par an, qui serait un flux ?