Le carbone existe en grande quantité sur notre planète et constitue un élément essentiel de la vie.
En effet, non seulement le gaz carbonique de l'air ou les carbonates qui composent les roches calcaires contiennent du
carbone, mais également tous les organismes vivants dont cet élément constitue l'ossature des molécules organiques, par ailleurs composées d'oxygène, d'hydrogène, d'azote et de phosphore.
La plus grande réserve de carbone à la surface , de
la Terre se trouve dans les sédiments calcaires qui renferment environ 30 000 fois plus de carbone
. l'atmosphère, soit 20 millions de milliard: tonnes accumulées progressivement au fil des millénaires par dépôts successifs de carbonate de calcium (CaC03).
L'océan renferme également une importante quantité de carbone, principalement sous forme d'ions bicarbonates (HC03) dans l'eau, à peu près 60 fois plus que l'atmosphère.
La matière organique présente dans la biosphère, ainsi que ses résidus enfouis dans les océans, contient 5 fois plus de carbone que l'atmosphère.
La masse de gaz carbonique dans l'air (0,03% en volume) représente donc une très faible proportion de la dotation en carbone de la Terre.
Le réservoir atmosphérique
participe toutefois très activement aux nombreuses réactions d'échange du carbone entre les différents milieux, principalement avec la biosphère et l'océan.
La biosphère continentale, constituée principalement par la végétation, échange du gaz carbonique avec l'atmosphère par le processus de la photosynthèse.
Grâce à l'énergie solaire, les plantes fabriquent à partir du gaz carbonique et de l'eau, les sucres nécessaires à leur croissance, en rejetant l'oxygène, résidu de cette réaction photochimique. Toutefois, les plantes ne se contentent pas d'absorber du gaz carbonique, elles en rejettent également par respiration durant leur vie et, ultérieurement, au cours de leur décomposition dans le sol, sous l'action des bactéries.
En moyenne, l'absorption et l'émission de gaz carbonique par les plantes s'équilibrent et l'activité biologique produit un recyclage annuel de 15 % du carbone atmosphérique.
Les échanges de gaz carbonique entre l'atmosphère et l'océan sont tout aussi importants.
L'eau de mer est en effet capable de dissoudre une fraction notable du gaz carbonique de l'air. L'absorption se produit essentiellement sous les hautes latitudes où les eaux de surface sont plus froides, ce qui augmente la solubilité du gaz dans l'eau. Dissous, le gaz carbonique réagit avec l'eau et se transforme pratiquement entièrement en bicarbonates.
Pris dans les grands mouvements de brassage de la circulation océanique, cette réserve de carbone séjourne dans l'océan pendant des dizaines, des centaines, voire des milliers d'années jusqu'au moment où, atteignant les eaux de surface chaudes des tropiques, les bicarbonates se décomposent en
dégageant du gaz carbonique dans l'atmosphère. A ces mécanismes physiques et chimiques s'ajoutent des processus biologiques.
La présence de gaz carbonique dissous et la pénétration d'une fraction du rayonnement solaire dans l'eau permettent la prolifération d'algues microscopiques à la surface des océans.
Cette production primaire de phytoplancton, consommée par le zooplancton, lui-même ingéré par les poissons, assure le maintien de la vie dans les océans.
Tout au long de cette chaîne alimentaire, le carbone fixé initialement par photosynthèse dans les cellules du phytoplancton est ensuite réutilisé pour constituer les tissus des autres organismes vivants et des déchets organiques de toutes sortes.
Le phytoplancton produit de cette manière un recyclage rapide du carbone dans les eaux de surface des océans: l'absorption réalisée au cours de la photosynthèse est compensée par un dégagement permanent de gaz carbonique provoquée par la respiration des algues, des poissons ainsi que par l'oxydation des déchets.
Pelotes fécales, tissus morts et autres déchets sombrent sous l'effet de leur poids et emportent avec eux en profondeur une partie du carbone absorbé à la surface des océans.
La majeure partie de cette «neige marine» se redissout: ou se décompose sous l'action de bactéries
avant même de parvenir au fond des océans, libérant ainsi le carbone de la matière organique
pour l'ajouter au réservoir des bicarbonates. Une infime fraction de la « neige marine
», environ 1 %, parvient jusqu'aux abysses et se dépose, formant des sédiments, dans lesquels le carbone se retrouve
piégé pour des millions d'années. A ce dépôt de matière organique s'ajoute la précipitation
de coquilles et squelettes carbonatés d'algues et d'animaux marins.
C'est ainsi que ces divers restes,
fossilisés, gardent la mémoire de l'histoire des climats figée dans les strates sédimentaires
Activité biologique et climat
L'activité biologique joue ainsi le rôle d'une ver table pompe à carbone. Elle prélève une partie
du gaz carbonique dissous à la surface des océans :l'envoie vers les profondeurs où les temps de
recyclage sont beaucoup plus longs. Supposons maintenant qu'à un moment donné, la production biologique des océans s'intensifie: le mécanisme
de la pompe se mettrait alors en marche et éliminerait:une plus grande quantité de carbone des eaux
,en surface. Ce déficit serait compensé par un flux plus: important de carbone provenant de
l'atmosphère: qui réduirait d'autant la concentration de gaz carbonique dans l'air.
Ce déséquilibre se poursuivrait jusqu'à ce que le carbone emporté vers les profondeurs par la « neige marine » soit ramené à la surface par la circulation océanique, ce qui pourrait se produire plus de mille ans après l'activation de la pompe biologique.
On voit ainsi que ce mécanisme est capable de modifier la composition de l'air
,donc le climat.
Production primaire et couleur de la mer
L'océan réfléchit peule rayonnement solaire, qui pénètre donc dans l'eau. Le rayonnement de grande longueur d'onde, du rouge au jaune, est tout de suite absorbé dans les premiers mètres de son parcours dans l'eau. Seul le rayonnement de plus courte longueur d'onde, du bleu au vert, atteint une profondeur de quelques dizaines de mètres et permet la production de phytoplancton dans la zone «euphotique». Toutefois, une petite partie du rayonnement qui a pénétré dans l'eau est rediffusée vers l'atmosphère par toutes les micro particules en suspension. Cette diffusion, maximale pour les
courtes longueurs d'onde, confère une couleur bleue à la mer. La présence de chlorophylle et d'autres pigments du phytoplancton nuance cette couleur. Ils absorbent les rayonnements de couleur bleue et rouge et renvoient préférentiellement le rayonnement de couleur verte.
Les régions où la production de phytoplancton est abondante sont restreintes. Exceptées certaines franges côtières des régions tropicales, l'océan Austral et l'Atlantique Nord, la majeure partie des océans est constituée d'«eau bleue», pratiquement stérile. Sous les tropiques, où l'ensoleillement
est intense tout au long de l'année, seules les régions d'upwellings sont capables de fournir les substances nutritives en quantité suffisante pour alimenter une production continue de matière vivante. Sous les hautes latitudes, une véritable explosion de la production primaire se produit au printemps. A cette saison, l'ensoleillement devient suffisamment intense pour permettre une photosynthèse abondante, entraînant la consommation rapide des substances nutritives amenées à la surface grâce au brassage vigoureux des eaux provoqué par les forts coups de vents de l'hiver.
extrait du livre :climat d'hier et d'aujourd'hui: sciences au présent : SYLVIE JAUSSAUME CNRS EDITIONS bibliothèque municipale Arcachon