Fonctionnement des puits de carbone biosphérique et océanique

Laurent Bopp

Laboratoire de sciences du climat et de l'environnement.

Benoît Urgelli

ENS Lyon / DGESCO

16/06/2000

Résumé

TD 2/3 sur le cycle du carbone. Stocks de carbone dans les différents réservoirs, échanges entre les sous-parties des différents réservoirs, réponses des puits au réchauffement...


Le puits biosphérique (continental)

Les différents réservoirs

Nous allons construire un modèle très simple représentant les différents réservoirs et flux de la biosphère continentale. Il est possible de séparer le réservoir biosphérique en deux parties distinctes : la biomasse vivante (ou carbone organique « vivant ») à la fois aérienne et souterraine (racines) et l e carbone organique « mort » (litière, humus, détritus...).

On a pu estimer la quantité de biomasse vivante totale sur le globe. Ces estimations sont basées sur la séparation de la biosphère continentale en plusieurs écosystèmes dont on estime séparément la quantité de biomasse au mètre carré par différentes méthodes (fauchage, séchage, pesée pour les écosystèmes herbacés ; mesure du diamètres des troncs et estimation du volume pour les forêts…).

On a pu estimer à 550 GtC la phytomasse vivante sur l'ensemble des continents.

La quantité d'humus et de litière est estimée plus grossièrement :

à on estime à 1 500 GtC la quantité de carbone organique mort

Enfin, on a pu estimer la production primaire brute totale sur les continents ( 100 GtC/an ) et la production nette ( 50 GtC/an ).

Q1 : A l'aide de ces valeurs, réalisez un schéma vous permettant de « boucler » le cycle du carbone dans la biosphère continentale. Explicitez chacun des échanges couplant les différents réservoirs de votre schéma.

Q2 : Estimez le temps de résidence moyen du carbone dans la biosphère vivante et dans la biosphère continentale totale.

Différences entre les écosystèmes

Toutes ces valeurs ne représentent guère la diversité des écosystèmes terrestres. Ce tableau donne les valeurs moyennes de la biomasse, de la production primaire brute et de la production nette pour deux écosystèmes très différents (en GtC et GtC/an pour les flux)

 

Biomasse

Carbone mort

Prod. Brute

Prod. Nette

Forêt Tropicale

250

75

32

16

Tourbière

10

2000

2

1

Q3 : Faites un bilan de carbone pour ces deux écosystèmes et estimez les temps de résidence dans chacun des sous-réservoirs.

Coupe d'une forêt et échange de dioxyde de carbone

Q4 : En vous aidant de ces courbes, commentez l'impact d'une coupe de forêt ou de la dernière tempête en France sur les échanges de carbone avec l'atmosphère ?

Q5 : Discuter du rôle du sol dans les échanges biosphère - atmosphère.

Réponse de l'organisme à l'augmentation de CO2 atmosphérique

Ces deux plants de soja ont été plantés dans les même conditions de sol, de température et d'humidité. Celui de gauche a vécu dans une atmosphère confinée où la pression partielle de CO2 était maintenue à 700 ppm. Celui de gauche au contraire a vécu avec une pression partielle de CO2 de 350 ppm (comparable à l'actuelle).


Q6 : En vous servant de ces deux figures (photos des plans de soja et courbe) que pouvez-vous dire de l'impact des concentrations élevées de CO2 atmosphérique sur la croissance du plant de soja ?

Les tableaux ci-dessous donnent la masse de matière sèche des différentes parties du soja cultivé à 350 et 700 ppm de CO2 atmosphérique (Rogers et al., 1992) ainsi que les caractéristiques morphologiques des racines des deux plants.

Matière Sèche (g)

Soja 2 (pCO2 à 700 ppm)

Soja 2 (pCO2 à 700 ppm)

Feuilles

0,41

0,78

Tiges

0,20

0,35

Racines

0,14

0,34

 

Soja 2 (pCO2 à 700 ppm)

Soja 2 (pCO2 à 700 ppm)

Nombre de racines latérales

161,5

162,5

Longueur Racines (m)

12,5

26,3

Volume Racines (ml)

4,1

7,4

Q7 : Que pouvez conclure de l'effet du CO2 sur la croissance des différents organes de la plante ?

Le cas de la biosphère globale et l'impact sur les flux de carbone

Q8 : Avec ce qui a été vu précédemment, quel est l'impact d'une augmentation du CO2 atmosphérique sur les flux de carbone vers la biosphère ?


Le soja appartient aux plantes dites en C3. Par contre beaucoup de graminées tropicales (maïs,…) sont des plantes dites en C4 et ne sont pas limitées par le CO2 atmosphérique aux faibles valeurs de CO2 atmosphérique.

Q9 : Que pouvez vous conclure ?

Cette augmentation de CO2 atmosphérique s'accompagne d'un changement climatique (augmentation de la température, de la sécheresse dans certaines régions…). Des simulations numériques utilisant des modèles de biosphère sont réalisées pour essayer d'appréhender l'impact de ces changements sur le puits biosphérique futur.

Le puits océanique

Les différents réservoirs de carbone dans l'océan

On distingue deux grands réservoirs océaniques. Le premier est celui des eaux de surface Dans chacun de ces réservoirs, le carbone se trouve sous différentes formes : le carbone inorganique dissous (CID), le carbone organique dissous (COD), le carbone organique particulaire (COP) et le carbone des êtres vivants (phytoplancton et zooplancton) : c'est la partie de l'océan où la lumière pénètre et où se concentre la vie (on parle de couche euphotique). Elle représente les premières dizaines de mètres de l'océan. Le second réservoir est celui des eaux intermédiaires et profondes.

Dans chacun de ces réservoirs, le carbone se trouve sous différentes formes : le carbone inorganique dissous (CID), le carbone organique dissous (COD), le carbone organique particulaire (COP) et le carbone des êtres vivants (phytoplancton et zooplancton).

Figure 5. Le cycle du carbone

Le cycle du carbone

La taille des réservoirs est donnée en GtC (en noir) et les flux en GtC/an (en bleu), les chiffres sont de 2004. Source : NASA, image libre de droits.


Physico-chimie du carbone dans l'océan

Échanges de CO2 à l'interface air-mer

Les échanges de gaz CO2 à l'interface air-mer varient en fonction de la vitesse du vent (plus le vent est fort plus les échanges sont intenses) et de la quantité de CO2 dissoute dans les eaux superficielles.

F = kw (pCO2 atmosphère - pCO2 océan)

Q10 : Comment varient les échanges de carbone à l'interface quand la pression partielle de CO2 atmosphérique augmente ?

La pCO2_océan peut varier régionalement. Le refroidissement des eaux augmente leur capacité à solubiliser du CO2.


Q11 : En vous basant sur cette affirmation, commentez la figure ci-contre qui donne les flux de carbone de l'océan vers l'atmosphère en fonction de la latitude ?

Les différentes forme de carbone inorganique dans l'océan

On suppose maintenant que l'on injecte 100 Gt de carbone dans l'atmosphère et on s'intéresse à la quantité de carbone qui va y rester. On suppose que l'atmosphère est en équilibre avec l'océan.

Q11 : Si la seule espèce dissoute de carbone dans l'océan est le CO2 aqueux, quel est le pourcentage de carbone qui restera à l'équilibre dans l'atmosphère ? (ce pourcentage est l'airborne fraction)

En fait le CO2 dissous dans l'eau (CO2aq) n'est pas la seule forme de carbone inorganique dissous dans l'eau, les autres formes sont les ions hydrogénocarbonates (HCO3 -) carbonates (CO3 2-). Ces trois formes sont en équilibre et celui-ci dépend en particulier du pH de l'eau (qui dans l'eau de mer est d'environ 8,1).

Q13 : A partir de la figure suivante, déterminer grossièrement les rapports de ces trois formes de carbone inorganique dissous (CID)

Figure 7. Le système carbonate dans l'océan : proportion des trois formes de C inorganique dissous dans l'eau

Le système carbonate dans l'océan : proportion des trois formes de C inorganique dissous dans l'eau

La zone bleue correspond au pH de l'océan. Source : d'après Raven et al., 2005.


La réaction d'équilibre entre ces trois formes est la suivante :

CO2 aq + CO3 2- + H2O ⇄ 2 HCO3 -

On peut à partir des proportions trouvées précédemment déterminer le facteur de Revelle R qui donne la variation relative du CO2 dissous par rapport au carbone inorganique dissous total (CID).

Q14 : En reprenant les calculs précédents sur l'airborne fraction et en introduisant le facteur de Revelle, déterminer un nouvel airborne fraction tenant compte de la chimie du carbone dans l'océan.

La pompe biologique

La biologie a aussi beaucoup d'importance pour le cycle du carbone dans l'océan et pour les flux de carbone à l'interface air-mer.


Q14 : La carte ci-dessus est une carte du contenu en chlorophylle des eaux de surface déduite de la couleur de la mer mesurée par satellite. Que représente-t-elle ? Pourquoi nous aide-t-elle à mieux comprendre la biologie océanique ? Comment expliquer la répartition de la biomasse marine ?

Vers la partie 1 du TD.

Vers la partie 3 du TD.