Le cycle du carbone et son importance pour le réchauffement climatique par Philippe Ciais, directeur de recherche au cnrs ( Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement), Institut Pierre-Simon Laplace





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date de publication14.02.2017
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Le cycle du carbone et son importance pour le réchauffement climatique par Philippe Ciais, directeur de recherche au CNRS (Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement), Institut Pierre-Simon Laplace

Je qualifierai le cycle du carbone d’œuvre de Dieu et de part du diable. L’œuvre de Dieu car il permet à notre planète d’avoir du CO2 dans son atmosphère et ainsi de maintenir des températures suffisamment élevées pour que la vie humaine soit possible.

La concentration de CO2 dans notre atmosphère

Si on regarde l’évolution du climat depuis un demi-million d’année, notre terre a plutôt connu des températures froides avec, de temps en temps, des périodes plus chaudes comme celle que nous vivons en ce moment. On constate également que chaque fois que la terre est chaude, les quantités de CO2 et de méthane sont plutôt élevées et au contraire, qu’elles sont plutôt faibles lorsque la terre est froide. On remarque enfin qu’il doit exister des mécanismes qui permettent de ne pas dépasser une valeur de 280 ppm de CO2.

Que fait l’humanité ? Elle augmente la teneur en CO2 d’à peu près 100 ppm (c'est-à-dire environ la valeur d’une transition entre le CO2 glaciaire et le CO2 interglaciaire) sur un intervalle de temps qui apparaît comme quasi instantané par rapport à celui des variations naturelles. Nous nous retrouvons donc désormais dans un climat chaud dont la valeur de CO2 a dépassé toutes celles que l’on connaissait avant.
Ce schéma indique la concentration de CO2 relevée en haut d’une montagne dans l’hémisphère nord. Outre l’augmentation de cette concentration, nous constatons une pulsation saisonnière de la teneur en CO2 de l’atmosphère avec des valeurs plus basses l’été car les plantes fixent du CO2 par la photosynthèse et des valeurs plus élevées l’hiver en raison de la décomposition organique.

Comment fonctionne le cycle du carbone ?
Le cycle du carbone peut être conçu comme un oscillateur composé de trois réservoirs : l’atmosphère, la biosphère continentale et l’océan dont la capacité d’échange avec l’atmosphère est quasiment équivalente à celle de la biosphère. Ces différents réservoirs échangent des flux de carbone importants. L’homme modifie ces flux en puisant du carbone fossile, totalement découplé de ce système, pour produire de l’énergie et en rejetant ainsi du CO2 qui se retrouve ensuite dans l’atmosphère, dans la végétation et dans les océans.
L’augmentation de la température est causée par l’augmentation du CO2 dans l’atmosphère.
Il est primordial pour notre futur de connaître la fraction de carbone absorbée par le cycle naturel. Il faut également savoir quelle partie est dissoute dans les océans et quelle partie est fixée dans la végétation. En effet, si l’excès de carbone fossile est dissout préférentiellement dans l’océan, il sera conservé hors de l’atmosphère plus longtemps que s’il est stocké dans la biosphère.
En plus d’émettre du CO2 dans l’atmosphère, l’humanité a un très fort impact sur l’usage des sols. Ainsi, la déforestation contribue à ajouter encore un peu plus de CO2 dans l’océan.
Le cycle naturel du carbone absorbe environ 40 % du carbone fossile que nous mettons chaque année dans l’atmosphère. Cette subvention naturelle permet donc de diminuer de près de moitié le réchauffement climatique.
Quel impact avons-nous sur le cycle du carbone en termes d’émission ?


Nous n’avons jamais mis autant de carbone dans notre atmosphère aussi rapidement. De plus, l’augmentation de nos émissions apparaît comme quasiment inexorable puisque la population ne cesse d’augmenter et sa demande en énergie aussi. Nous avons d’abord utilisé le bois et le charbon comme sources d’énergie puis nous sommes passés au pétrole et au gaz naturel. Nous voyons sur ce schéma que nous n’avons pas substitué les ressources naturelles les unes aux autres mais que nous avons accumulé leur utilisation. Ces valeurs ne sont pas inventées par les climatologues mais basées sur les statistiques de consommation d’énergie dans différents pays et sur les quantités de pétrole vendues par l’OPEP. Nous pouvons donc être certains de la quantité de carbone fossile émise annuellement.


Nous pourrions être tentés de croire que le problème de l’effet de serre s’arrêtera avec l’épuisement des ressources fossiles. C’est une erreur car s’il reste peu de pétrole et de gaz, les réserves en charbon sont encore très conséquentes et peuvent permettre à l’humanité de continuer son développement pendant des centaines d’années. Sur le schéma, la boîte noire qui représente toutes les réserves non conventionnelles de carbone, qu’il serait éventuellement possible d’extraire pour fournir de l’énergie, équivaut à la masse de l’océan. Nous disposons donc d’une ressource en carbone quasi illimitée et il faut savoir que ces émissions de carbone ne sont ensuite pas réversibles en moins de quelques centaines de millions d’années.
Les vieux pays industrialisés ont commencé à émettre le carbone mais ils sont actuellement rattrapés par les pays émergents (la chine a dépassé les Etats-Unis en 2006).
Ce graphe montre une utilisation élevée du carbone par les habitants des pays développés mais il cache une réalité pour les pays en voie de développement. En Chine, seul un tiers des habitants participe à l’économie mondiale tandis que les deux autres tiers n’ont rien et n’émettent donc pas de carbone. Si dans les pays émergents, on rapporte l’émission de carbone au nombre d’habitants réellement impliqués dans l’économie mondiale, on s’aperçoit que leur taux d’émission est très voisin de celui des habitants des pays développés.
Nous avons été surpris de constater une accélération de l’émission du carbone entre les années 60 et 2006. On est passé d’une croissance des émissions de 1 % par an à 3 % par an. Cela signifie que nous avons augmenté par un facteur 3 la vitesse de rejet du CO2 fossile dans notre atmosphère.
Le GIEC avait fourni des scénarios en 2001 qui faisaient tous l’hypothèse d’une amélioration du rendement en carbone de l’économie. Pourquoi ? En raison de la dématérialisation de l’économie et de l’amélioration des rendements énergétiques des systèmes de production d’énergie. Nous avons bien constaté cette tendance à la baisse dans les années 70 mais, depuis le développement des pays émergents, nous constatons un inversement de cette tendance (c'est-à-dire la ré-augmentation de la quantité de carbone nécessaire au développement économique) auquel personne ne s’attendait.

Il faut de plus être conscient que changer de source d’énergie prend du temps. Aucune énergie ne nous permet de nous débarrasser d’une source particulière de carbone fossile. Sur ce schéma, nous voyons que non seulement les sources d’énergie s’empilent les unes sur les autres mais qu’en plus, les périodes de substitution durent au moins cent ans.
Ce schéma présente les projections des émissions de CO2 proposées par le GIEC en fonction de différents scénarios économiques. Si nous voulons stabiliser le CO2, il faut suivre les courbes en pointillés.
La vitesse d’augmentation des émissions est déjà deux à trois fois plus rapide que ce qu’avait prévu le GIEC en 2000 dans le plus pessimiste des scénarios. On peut donc s’attendre à connaître une accélération de la perturbation.
Quelle est la réponse du cycle naturel du carbone pour le présent et le futur ?

Ce schéma représente le bilan comptable de la perturbation que nous introduisons dans le cycle du carbone. En haut sont représentés le CO2 fossile que nous mettons dans l’atmosphère (courbe grise) et le CO2 supplémentaire ajouté par la déforestation (courbe en beige). En bas, vous visualisez où va cet excès de carbone : la moitié reste dans l’atmosphère, une partie est absorbée dans l’océan et l’autre partie se retrouve dans la végétation. Nous avons finalement un cycle naturel extrêmement résilient. En 1960, il absorbait 2 milliards de tonne de carbone fossile en plus par an ; aujourd’hui il en absorbe à peu près 8 milliards. Bien que nous ayons multiplié par 4 la perturbation, nous constatons qu’en 2000 comme en 1960 le cycle naturel absorbe toujours 50 % du carbone fossile.

Si on regarde la courbe verte qui représente l’absorption par la végétation, on s’aperçoit d’une très forte variabilité. La végétation est un réservoir très sensible aux fluctuations du climat. Une année sèche enlève complètement ce puits de carbone alors qu’une année froide l’augmente.
Depuis que nous disposons de moyens d’observation plus fiables de l’atmosphère, nous parvenons à calculer la fraction atmosphérique du carbone, c'est-à-dire la portion de carbone fossile qui reste dans l’atmosphère. Nous avons remarqué que cette fraction atmosphérique augmentait très lentement (environ 1 % par décennie). Cela souligne un affaiblissement lent mais significatif de la capacité de l’océan et de la végétation à absorber un excès de CO2.
Grâce à des réseaux de mesure, nous avons pu établir l’impact des conditions climatiques extrêmes sur le bilan de carbone d’une très grande région comme l’Europe. Nous avons constaté que pendant un été extrême (celui de 2003) la végétation européenne a émis une quantité de carbone dans l’atmosphère qui était à peu près équivalente à la moitié des rejets anthropiques.

Prédire l’évolution du climat et du carbone au XXIème siècle revient à se poser une question : aura-t-on dans le futur une rétroaction positive entre réchauffement climatique et cycle du carbone ? En d’autres termes, est-ce qu’en réchauffant le climat, nous allons affaiblir le cycle du CO2 ou au contraire ce cycle restera-t-il un mécanisme plutôt stabilisant ? Il est impossible d’apporter une réponse simple à cette question car de nombreux effets antagonistes sont à l’œuvre. Plus le CO2 augmente dans l’atmosphère, plus la différence de pression partielle entre l’océan et l’atmosphère augmente. L’augmentation de la concentration du CO2 dans l’atmosphère est donc a priori bonne pour les puits océaniques.

Nous avons pu marier des modèles qui décrivent le climat du futur et ceux qui décrivent le cycle du carbone sur l’ensemble des continents et des océans. Ils montrent tous que dans la plupart des régions tropicales on a une perte de CO2 supplémentaire qui est due au réchauffement climatique. En climat chaud, le cycle du carbone s’affaiblit. Les modèles prévoient donc une rétroaction positive du réchauffement climatique sur le cycle du carbone mais ils divergent sur l’amplitude de cette rétroaction positive.

Pour faire simple vous avez deux types de modèles :

  • ceux qui vous disent que la température et le cycle du carbone ne vont pas trop interagir et que donc il n’y aura pratiquement pas de changement de la fraction atmosphérique ;

  • ceux qui prévoient que la fraction atmosphérique représentera 60 à 70 % au lieu des 50 % actuels.

Quels modèles croire ? Les modèles que nous avons établis depuis 1960 montrent déjà une augmentation de 1 % par décennie. Cela suggère que les premiers modèles sont peut-être un peu optimistes et que les seconds sont compatibles avec l’affaiblissement constaté depuis les années 60. Il faut donc s’attendre à un réchauffement supplémentaire lié au cycle du carbone.

En conclusion : nous assistons à une accélération sans précédent (et qui n’avait pas été prévue) des émissions de CO2, nous constatons une augmentation de l’intensité en carbone de l’économie  et un affaiblissement des puits naturels de carbone. Il est probable que dans le futur on assiste à un réchauffement supplémentaire de 10 à 20 % à cause des interactions entre climat et cycle du carbone. Cela devrait nous conduire à réfléchir, en plus des solutions pour réduire les émissions de carbone, aux possibilités de gestion du cycle naturel du carbone.
Questions / réponses


  • Nous savons que le volume des océans va augmenter donc nous pouvons imaginer qu’il y ait un effet stabilisateur dû à cette augmentation. Qu’en est-il ?

Ajouter de l’eau douce dans un océan le rend plus stratifié. L’eau de surface aura donc tendance à se mélanger moins vite avec les eaux profondes. Malheureusement, c’est ce processus d’entrainement des eaux de surface vers le fond de l’océan qui enlève du CO2 atmosphérique car le CO2 sature assez vite les eaux de surface.

  • Je souhaitais amener la question éthique de l’avenir dans ce débat parce que même si l’océan est un puits à long terme, la circulation générale finira bien par nous ramener le CO2 qui a été ainsi stocké. Donc c’est une hypothèque sur l’avenir. D’autre part, je suis toujours frappée par l’absence de réflexion éthique autour de cette consommation effrénée du pétrole. L’énergie fossile constitue pour moi le compte épargne de l’écosystème terre qui a été lentement abondé pendant des milliards d’années ; et voilà qu’un fils prodigue dépense tout en 200 ans. C’est un formidable holdup sur les générations futures et cette dimension est finalement peu présente quand on parle de la pénurie du pétrole.

En ce qui concerne les océans, l’augmentation de CO2 rend les océans plus acides. Cela n’est évidemment pas bon pour la flore et la faune océanique. Toutefois, si plus de CO2 dans l’océan équivaut à moins de réchauffement pour l’Afrique sahélienne, je suis plutôt content qu’il y ait un fort puits de carbone dans l’océan.

Pour l’aspect éthique, je partage votre point de vue. Seulement la raison pour laquelle nous ne voyons pas que nous faisons une utilisation effrénée du CO2 fossile, c’est que nous n’utilisons jamais directement ce CO2 fossile. Il y a une dématérialisation de la consommation de carbone.

  • Vous avez souligné qu’il y avait eu un plafonnement des températures maximum. Avez-vous compris pourquoi ?

Analyser ce qui s’est passé pendant le paléocène constitue un enjeu de recherche très important si nous voulons comprendre les interactions futures entre climat et cycle du carbone. Le CO2 et les températures ne peuvent pas augmenter toujours parce qu’au bout d’un moment l’océan atteint son état maximum et que le forçage solaire stabilise la température pendant les périodes chaudes. Par contre nous ne comprenons pas bien les transitions. En comprenant les transitions passées, nous aurons des éléments pour comprendre les rétroactions positives entre climat et cycle du carbone.

  • Incluez-vous dans les estimations des puits et des sources les connaissances écologiques et biologiques actuelles ?

Nous incluons ce qui se fait de mieux en termes de connaissance à grande échelle des écosystèmes. Mais à cette échelle là, il faut être très modeste. Il se peut que nous passions à côté de processus biogéochimiques ou d’interactions entre ces processus. Les modèles que j’ai utilisés décrivent assez mal le cycle de l’azote par exemple.

  • Quelles sont les conséquences de l’acidification des océans pour les années à venir ?

D’un point de vue chimique, la simple acidification de l’océan diminue de 10 % en 2100 sa capacité à dissoudre un excès de CO2.

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