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Le cycle du carbonecarbone décrit l'ensemble des réactions biogéochimiques dans lesquelles l'élément carbone est impliqué. De manière générale, il existe un cycle du carbone sur la plupart des planètes, mais celui de la Terre est particulièrement complexe du fait de la présence d'organismes vivants.
Quatre grands réservoirs de carbone
L'ensemble de la vie terrestre repose en effet principalement sur des composés carbonés. La biosphère va ainsi jouer un rôle important dans le cycle du carbone de notre Planète. Elle représente d'ailleurs l'un des quatre grands réservoirs naturels de carbone. Les trois autres sont l'atmosphère, l'hydrosphère et la lithosphère. Ce dernier est cependant de loin le plus important. La lithosphère représente l'enveloppe externe rigide de la planète. Elle se compose de la croûtecroûte (océanique ou continentale) et de la partie supérieure du manteaumanteau. Au sein de ce réservoir, on retrouve le carbone essentiellement sous forme minérale. L'élément C entre en effet dans la composition d'un grand nombre de minérauxminéraux, principalement dans les roches sédimentairesroches sédimentaires (50 000 000 gigatonnes de carbone) dont les calcairescalcaires (CaCO3). Les combustiblescombustibles fossilesfossiles (pétrolepétrole, charboncharbon...) représentent quant à eux environ 5 000 gigatonnes de carbone.
Au sein de la biosphère, le carbone est présent dans la biomassebiomasse au cœur de toutes les moléculesmolécules dites organiques qui composent le vivant, plantes et animaux. Ce réservoir représente environ 610 gigatonnes de carbone. Il faut noter que la distinction est souvent faite entre un carbone « organique » et un carbone « inorganique ». Le carbone organique fait référence au carbone produit par les organismes vivants. Il entre donc dans la composition des molécules organiques qui se composent de liaisons de plusieurs carbones, ou de liaison entre le carbone et des atomesatomes d'hydrogènehydrogène, d'azoteazote ou de phosphorephosphore. À l'inverse, le carbone inorganique n'est pas associé à des processus biologiques. Ils ne contiennent pas de liaison C-C ou C-H.
Dans l'atmosphère, le carbone se trouve principalement sous la forme de CO2 (760 gigatonnes) et de CH4 (méthane, 10 gigatonnes), les deux grands gaz à effet de serregaz à effet de serre.
Enfin, l'hydrosphère est le second plus grand réservoir, avec 39 000 gigatonnes de carbone stockées sous forme de CO2 dissous dans l'eau des océans.
Des échanges intenses, d’origine naturelle ou humaine
Les échanges entre ces quatre réservoirs sont nombreux et s'opèrent à de multiples échelles et suivant des processus variés, qui sont soit d'origine naturelle, soit d'origine humaine. On peut décrire ces flux suivant un cycle global très complexe, souvent décomposé en deux cycles : un cycle du carbone organique et un cycle du carbone inorganique.
Dans le cycle global, les grands flux qui s'opèrent entre la lithosphère et l'atmosphère sont notamment le volcanismevolcanisme, qui relâche le carbone contenu dans les roches sous la forme de CO2 qui va venir intégrer la composition atmosphérique, mais également l’altération des calcaires et silicates. Ce flux est marqué par un transfert du carbone atmosphérique vers la lithosphère, via une série de réactions chimiquesréactions chimiques entre les roches présentes en surface et l'eau de pluie. Notons cependant que les activités humaines participent également largement aux flux de carbone entre ces deux réservoirs : la combustioncombustion des hydrocarbureshydrocarbures ou encore la fabrication du cimentciment libèrent du carbone stocké dans la lithosphère vers l'atmosphère.
Les flux entre l'atmosphère et la biosphère sont principalement associés aux processus de la photosynthèsephotosynthèse, qui pompe du carbone de l'atmosphère pour l'injecter dans la biomasse, tandis que respiration et oxydationoxydation relâchent du carbone dans l'atmosphère, de même que la déforestationdéforestation. Les mécanismes de respiration et d'oxydation se jouant également dans les océans, il se crée un flux de carbone entre la biosphère et l'hydrosphère.
Lors de la mort des organismes vivants, la matièrematière organique ainsi produite va être enfouie, principalement au fond des océans. Le carbone précédemment stocké dans la biomasse va alors rejoindre le réservoir lithosphériquelithosphérique. Notons également les échanges entre l'atmosphère et l'hydrosphère via l'absorptionabsorption du CO2 par les océans, et le flux de carbone de l'hydrosphère vers la lithosphère via la précipitation de la calcitecalcite (CaCO3) dans les sédimentssédiments océaniques.
Temps de résidence et puits de carbone
Avant de transiter d'un réservoir à un autre, le carbone va cependant être stocké un certain temps. On parle de temps de résidence du carbone. Un atome de carbone a ainsi un temps résidence estimé à 4 ans dans le réservoir atmosphérique et de 11 ans dans la biosphère. Cette duréedurée s'allonge considérablement dans l'hydrosphère (385 ans dans les couches superficielles à plus de 100 000 ans dans les parties profondes). Elle est de 200 millions d'années dans la lithosphère.
Ces valeurs montrent qu’il existe ce que l’on appelle des puits de carbone, qui vont permettre de stocker cet élément chimiqueélément chimique sur de très longues périodes de temps et en grandes quantités.
La compréhension du cycle global du carbone est donc essentielle pour appréhender les mécanismes à l'œuvre et les conséquences du réchauffement climatiqueréchauffement climatique actuel.
