Le carbone est un élément chimique, le quatrième en abondance dans l'univers. Il est essentiel à la vie sur terre. Des échanges de carbone se produisent constamment sur notre planète - entre l'atmosphère, les océans, les roches, la terre, les plantes et les animaux, un phénomène que les scientifiques ont baptisé le cycle du carbone.

Comprendre le fonctionnement de ce cycle est essentiel aux prévisions climatiques.

« Pour prédire le comportement du système climatique sur terre dans l'avenir, nous devons d'abord comprendre le fonctionnement du cycle du carbone et prédire l'évolution du gaz carbonique (CO2), ou gaz carbonique, dans l'atmosphère », ont écrit les scientifiques Jorge Sarmiento, Steve Wofsy et leurs collègues dans une étude publiée en 1999 intitulée « Schéma scientifique américain du cycle du carbone ».

À l'état pur, le carbone existe sous forme de diamant ou de graphite, celui-ci souvent utilisé pour fabriquer la mine de crayon. Quand il se lie à des atomes d'oxygène, d'hydrogène ou d'autres carbones, il forme des composés essentiels - du glucose et des lipides qui fournissent de l'énergie aux plantes et aux animaux ; du pétrole, du charbon et du gaz naturel qui servent de combustible aux activités humaines ; et du gaz carbonique et du méthane qui sont des gaz atmosphériques qui piègent la chaleur du soleil et réchauffent la terre.

Les végétaux, les algues planctoniques et certaines bactéries fixent le gaz carbonique qui est présent dans l'atmosphère et dans les océans et le convertissent en glucose (du carbone lié à d'autres carbones, de l'hydrogène et des atomes d'oxygène) - un processus dit de photosynthèse. Les animaux mangent le glucose, qui est une source d'énergie, et exhalent du gaz carbonique (du carbone attaché à deux atomes d'oxygène) par la respiration.

Les animaux et les végétaux meurent et finissent dans la terre mais leurs composés carboniques demeurent intacts, une source d'énergie pour les microbes qui se nourrissent de leurs restes et produisent du gaz carbonique et du méthane (du carbone lié à quatre atomes d'hydrogène), dont une certaine quantité restera fixée dans les sols et une autre s'échappera dans l'atmosphère.

Dans certains cas, les restes des végétaux et des animaux sont enterrés sous terre ou au fond des océans mais sont protégés des microbes. Au cours des centaines de millions d'années suivantes, ces restes deviennent une nécromasse de plus en plus compressée et profondément enfouie sous terre. Les tissus et les os se décomposent mais le carbone demeure, ayant formé des composés appelés hydrocarbures, de longues chaînes d'atomes de carbones liés les uns aux autres et à des atomes d'hydrogène, l'élément principal du charbon et du pétrole, c'est-à-dire les combustibles fossiles.

Les êtres humains utilisent les combustibles fossiles pour générer de la chaleur et de l'électricité, et ce faisant, les hydrocarbures dans ces combustibles fossiles sont convertis en gaz carbonique qui s'échappe dans l'atmosphère.

Les phénomènes climatiques et l'érosion perpétuent les échanges carboniques entre les roches sur la surface de la terre et dans les océans. Le carbone plonge sous le manteau de la terre lors d'un processus dit de subduction - tandis que les volcans, les thermes et les geysers laissent échapper de nouveau le gaz carbonique et le méthane dans l'atmosphère.

Le carbone atmosphérique est dissous dans les océans et se fixe dans les végétaux, ce qui permet au cycle de se perpétuer.

Les phases géologiques du cycle du carbone - les phénomènes climatiques, l'érosion, la subduction et la formation de combustibles fossiles - se déroulent sur une période de millions d'années. Les phases biologiques du cycle du carbone - la photosynthèse, la respiration, la décomposition par les microbes - peuvent se produire, elles, sur une période allant de quelques jours à des milliers d'années.

En moyenne, la quantité de carbone qui s'échange par an par le biais de composants biologiques est mille fois plus importante que celle qui se fait par la voie des composants géologiques.

Le bilan-carbone mondial

Le problème actuellement est le fait que le cycle du carbone n'est plus équilibré. Il a fallu des centaines de millions d'années pour séquestrer le gaz carbonique dans la lithosphère, à l'intérieur de la masse terrestre et sous les océans, mais les activités humaines ont causé à des quantités de gaz carbonique d'être relâchées dans l'atmosphère au cours du siècle écoulé.

Christine Goudale, une écologiste forestière de l'université Cornell à New York, a dit que la situation actuelle « revient à prendre le carbone piégé dans la terre et à le relâcher dans l'atmosphère sous une forme beaucoup plus active ».

Les êtres humains détruisent aussi les forêts, provoquant l'émission de gaz carbonique dans l'atmosphère et réduisant le nombre de végétaux qui peuvent le réabsorber.

L'atmosphère contient des quantités abondantes de carbone, notamment du gaz carbonique. On sait que certains de ces gaz sont fixés dans les océans, les végétaux et les roches bien que ce phénomène ne soit pas encore bien élucidé.

Le carbone qui reste dans l'atmosphère absorbe la chaleur du soleil, l'empêchant de s'échapper dans l'espace. Sans cette chaleur, la planète serait inhabitable ; mais trop de chaleur entraîne des changements climatiques qui la rendraient moins vivable. Le même principe s'applique aux océans, où les émissions accrues de gaz carbonique affectent la composition chimique des eaux, les rendant peu propices à la vie et décimant les espèces marines.

Le carbone dans l'atmosphère est à la fois bénéfique et néfaste, tout comme l'eau : les êtres humains en ont besoin pour survivre mais ils se noient s'il y en a trop.

Selon un rapport rédigé par le Groupe de travail intergouvernemental sur les changements climatiques de l'ONU, « environ 50 % des émissions excédentaires de gaz carbonique seront éliminées de l'atmosphère dans les 30 prochaines années, et 30 % le seront au cours de quelques siècles grâce au cycle habituel de séquestration. Mais il faudra des milliers d'années avant que cela ne se produise pour les autres 20 % qui demeurent dans l'atmosphère ».

La planète Terre et son atmosphère sont un système fermé dans lequel le carbone n'est ni créé ni détruit. Les quantités de carbone ne changent pas - elles se déplacent seulement entre les différentes phases du cycle, de l'atmosphère aux océans, du sol aux couches de sédimentation, mais elles ne peuvent ni augmenter ni diminuer. En effet, le carbone dans l'atmosphère ne peut pas s'échapper dans l'espace ; il doit d'une façon ou d'une autre être séquestré sur Terre : fixé par les végétaux ou dissous de nouveau dans les océans.