.png)
.png)
Articles
Sébastien Lauwers
02 octobre 2020
​
​
​
Abstrait
​
Le carbone constitue l'élément fondamental de la plupart des substances chimiques qui composent les êtres vivants, comme les plantes, les hommes et la plupart de ce qui nous entourent. Le carbone entre dans la biosphère grâce à l'action de producteurs, en l'occurrence les végétaux et autres organisme photosynthétiques, qui captent l'énergie solaire pour convertir les molécules de dioxyde de carbone (CO2) atmosphérique en molécules carbonées indispensables à la vie. Ces molécules sont ensuite absorbées par les consommateurs, c'est à dire les organisme qui se nourrissent d'autres organismes.
De tous les éléments chimiques, le carbone n'a pas son pareil pour former des molécules volumineuses, complexes et variées. Cette diversité moléculaire a rendu possible la diversité des organismes qui ont évolué sur Terre. Ceux ci sont liés les uns aux autres et à des atomes d'autres éléments. Bien que les molécules complexes renferment d'autres éléments, tels que l'hydrogène (H), l'oxygène (O), l'azote (N) et parfois du souffre (S) ou du phosphore (P), c'est aux multiples liaisons du carbone (C), que nous devons l'infinie variété des molécules organiques.
​
​
Histoire
​
Dans le courant des années 1750 un physicien et chimiste écossais nommé, Joseph Black, avait remarqué que le calcium, pendant qu'il était chauffé, perdait du poids et qu'un gaz plus dense que l'air s'en dégageait. Ce gaz qu'il appela d'abord "air fixe", n'était autre que ce que nous connaissons maintenant sous le nom de dioxyde de carbone (CO2) . Suite à ces expériences , divers autres gaz ont été chimiquement caractérisés dont, l'oxygène par le pasteur et scientifique Joseph Priestley, l'azote par Daniel Rutherford (un élève de Black), et l'hydrogène par le physicien et chimiste Henry Cavendish .
​
Au début des années 1800, les chimistes, comme John Dalton, Humphry Davy, Amedeo Avogadro, étaient capables de composer des éléments simples en les combinant avec d'autres. Ils croyaient, à l'époque, qu'il était impossible d'effectuer une synthèse artificielle de molécules complexe, comme celles que l'on peut extraire de la matière vivante. À cette époque les croyances étaient que les êtres vivants, investis d'une force vitale, échappaient aux lois de la physiques et de la chimie. C'est pourtant à cette époque que les chimistes commencèrent à s'éloigner de cette conception, dès qu'ils apprirent à synthétiser des composés organiques.
​
​
​
​
​
​
​
​
Carbone
Une brève histoire du
L'entrée des enfers se trouve dans la vallée de l'Ampsanctus
Situé dans le nombril de l'Italie, ce lieu proche du Vésuve porte le nom de Lago Mefite, baptisée ainsi en l'honneur de la déesse Méphitis, et a acquis au cours des siècles une réputation plus que sulfureuse. Déjà au septième siècle avant J.C. des tribus locales qui bordaient le lac, y jetaient littéralement les membres de clans rivaux afin de les tuer. (Cazanove p. 145-181)
Ce petit lac ce caractérise par des gaz sous-terrains qui, au contact de l'eau provoquent des bulles et des fumées toxiques riches en dioxyde de carbone et en acide sulfurique. Des études récentes montrent que ses eaux proviennent de plusieurs kilomètres sous terre, d'un substrat de carbonates riches en poches de gaz comprimés, qui ont étés relâchées lors d’événements tectoniques datant du Messinien, il y a 5 millions d'années. Cette poche émet en moyenne 2.000 tonnes de gaz par jour, dont du dioxyde de carbone (CO2), du méthane (CH4) et du sulfure d'hydrogène (H2S). (G. Chiodini et al. 2007) Mais c'est le souffre qui donne à la Méfite le doux parfum d’œuf pourri et non le CO2.
La perturbation anthropique du cycle du carbone est une réalité à l’échelle planétaire. Elle est constatée dans l’atmosphère, dans les océans, dans les écosystèmes continentaux. Face aux émissions anthropiques de gaz carbonique, en constante augmentation, les océans et les continents piègent du CO2, mais en quantité insuffisante pour éviter l’accélération du taux d’accroissement de CO2 atmosphérique et son impact sur l’effet de serre et le climat. Si les puits de carbone régulent en partie le climat, les variations climatiques régulent l’intensité des puits de carbone. La perturbation anthropique de CO2, très rapide depuis quelques décennies, est aussi à l’origine de bouleversements géochimiques et biologiques dans l’océan (acidification) et sur les écosystèmes terrestres. Une surveillance accrue du cycle du carbone à l’échelle de la planète ainsi qu’un renforcement des observations et une amélioration des modèles sont incontournables pour réduire les incertitudes concernant le cycle géochimique du carbone et son évolution, et pour réduire les incertitudes géopolitiques quant aux décisions énergétiques et leurs révolutions. (Metzl et Ciais 2011)
​
​
Les Isotopes comme signature anthropique
​
Comment est on certains que l'augmentation de CO2 est humaine et non naturelle ?
Il est vrai que la nature à elle seule émet 20 fois plus de CO2 dans l'atmosphère que l'homme.
​
​
​
​
​
​
​
​
​
​
​
​
​
​
​
​
​
​
​
​
​
C'est là qu'entre en jeu le Carbone 14. Cet isotope, découvert par Martin Kamen en 1940, est présent naturellement dans le CO2 atmosphérique. Mais comme le montre la figure ci-dessus, il diminue.
​
​
Alors que se passe-t-il dans l'atmosphère ?
​
Cette enveloppe gazeuse qui entoure notre planète est essentiellement composé d'un mélange d'azote (25 %), d'oxygène (77 %) et d'une petite portion de gaz carbonique, d'argon, etc...
L'atmosphère n'absorbe qu'une fraction relativement faible du rayonnement solaire entrant (~20%) mais absorbe ~90% du rayonnement émis par la surface. Pourquoi ? L'absorption de l'énergie électromagnétique par un gaz (atomes ou molécules) est le résultat de transitions entre les niveaux d'énergie : l'énergie de la transition doit être égale à l'énergie du photon. Les énergies des photons dans la région spectrale des ondes longues sont de ~0,1 eV et moins, ce qui se trouve justement à correspondre au spectre d'énergie des mouvements rotationnels et mouvements vibratoires des gaz tels que la vapeur d'eau (H2O) et le dioxyde de carbone (CO2), ainsi que de nombreux autres gaz comme le méthane (CH4) et le protoxyde d'azote (N2O). Ces gaz sont connus comme des gaz à effet de serre, ou plus formellement des gaz radiatifs (Notez que N2 et O2 ne présentent pas de tels spectres). Tous ces processus sont, bien sûr, régis par la mécanique quantique mécanique quantique, que nous aborderons en détail au plus loin.
L'absorption d'une telle énergie par contribue à les réchauffer ainsi que l'atmosphère environnante. Cependant, ces gaz émettent aussi des radiations - dans la même région spectrale - dans le cadre de l'équilibre naturel de la planète. (La quantité émise dépendra également de la température à l'altitude d'émission, qui sera probablement inférieure à la température de la surface). Ce rayonnement est à la fois émis vers le haut et vers le bas, de sorte qu'une partie reviendra à la surface, comme le montre la figure ci-dessous :
​
​
​
​
​
​
​
​
​
​
​
​
​
​
​
​
CHANGEMENT DE LA COMPOSITION DE L'ATMOSPHÈRE
Nous venons de voir que les conditions climatiques de la Terre sont en grande partie le résultat de la présence dans notre atmosphère d'un certain nombre de gaz qui ne représentent qu'une petite fraction de la masse atmosphérique totale - les gaz à l'état de traces. La vapeur d'eau est l'exception
exception, mais elle n'est présente dans l'atmosphère que parce que les températures sont suffisamment élevées pour retenir cette quantité. (Tout ceci est régi par la thermodynamique et sera discuté
en détail au chapitre 2). Si tout le CO2 était retiré de l'atmosphère l'atmosphère, elle commencerait alors à se refroidir, et la quantité de vapeur d'eau diminuerait par condensation.
Cela soulève deux questions. Premièrement, les concentrations de ces gaz ont-elles "toujours" été les mêmes ? Deuxièmement, que pourrait-il se passer si leurs concentrations changeaient ?
Pour répondre à la première, nous devons commencer par définir ce que nous
ce que nous entendons par "toujours". La Terre a une atmosphère depuis ~4 milliards d'années, et la vie existe ici depuis presque aussi longtemps. Au cours de cette période, nous savons que les conditions ont
considérablement changé, et certaines de ces questions seront abordés sur ce site. De tous ces changements, le plus récent et, sans surprise, le mieux compris, est le cycle glaciaire-interglaciaire de l'ère glaciaire actuelle, qui sera aussi couvert sur ce site.
La Terre est sortie de la dernière glaciation il y a environ 11 700 ans et est entrée dans l'Holocène. Cette période a été remarquablement stable, et cette stabilité (climatique) a sans aucun doute été un facteur primordial dans l'essor de la civilisation humaine. C'est donc ce clignement d'œil géologique que nous choisirons de définir comme "actuel".
En extrayant les bulles de gaz piégées dans les glaces de l'Antarctique et du Groenland, les scientifiques (paléoclimatologues) ont pu déterminer les concentrations des principaux gaz à effet de serre en remontant à plus de un demi-million d'années. Pour l'instant, nous allons nous concentrer sur les 2000 premières années. La figure ci dessous montre la concentrations des gaz à effets de serre depuis l'an 0 (IPCC AR4 - 2007)
Nous voyons que ces trois éléments étaient remarquablement constants jusqu'il y a environ 200 ans, date à laquelle quelque chose a changé. C'est cette augmentation récente, qui ne montre aucun signe d'affaiblissement (malgré les confinements subis en 2020 et 2021). On peut supposer qu'une augmentation de la concentration de gaz à effet de serre entraînera l'absorption par l'atmosphère d'une plus grande partie du rayonnement thermique (ondes longues) émis par la surface de la Terre. Ce qui conduit à une atmosphère plus chaude, atmosphère, qui émettra davantage de rayonnement thermique, dont une partie retournera à la surface, et ainsi de suite...
Carbon dioxide degassing at Latera caldera (Italy): Evidence of geothermal reservoir and evaluation of its potential energy
G. Chiodini, A. Baldini, F. Barberi, M. L. Carapezza, C. Cardellini, F. Frondini, D. Granieri, and M. Ranaldi
Received 8 December 2006; revised 12 June 2007; accepted 31 July 2007; published 25 December 2007.
JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH, VOL. 112, B12204, doi:10.1029/2006JB004896, 2007
​
Le lieu de culte de Méfitis dans les Ampsancti ualles : des sources documentaires hétérogènes
Olivier de Cazanove
​
La perturbation anthropique du cycle du carbone
Nicolas Metzl et Philippe Ciais
p. 204-207 CNRS edition 2011
https://books.openedition.org/editionscnrs/11472?lang=fr#authors
​