Les puits de carbone sont des lieux de stockage du carbone (CO2) que l'on trouve sous différentes formes (carbonates et bicarbonates, molécules organiques, forme gazeuse ou solide) à différents endroits sur notre planète (océan, atmosphère, biomasse, sols). Ces différents réservoirs de carbone peuvent échanger entre eux du carbone, l'ensemble de ces flux s'appelle le cycle du carbone.

Il faut retenir que le reservoir océanique contient près de 60 fois plus de carbone que le réservoir atmosphérique. Le cycle du carbone illustre l’influence des activités humaines dans les perturbations de la composition de l’atmosphère. Le carbone est omniprésent sur la Terre. Sa quantité globale est constante et se répartit entre l’atmosphère, la biosphère, l’hydrosphère et la lithosphère. Le cycle du carbone correspond aux échanges entre ces différents réservoirs. Une partie du dioxyde de carbone (CO2) présent dans l’atmosphère se dissout dans l’océan. Une autre est transformée par la photosynthèse des végétaux en matière organique : celle-ci est ensuite décomposée par les bactéries ou ingérée par les animaux herbivores, puis par les carnivores qui libèrent à leur tour du CO2 en respirant.

Les écosystèmes terrestres, quand ils sont en croissance, absorbent normalement plus de gaz carbonique qu’ils n’en rejettent puisqu’une partie du CO2 absorbé est stockée dans la biomasse des végétaux. Les combustibles fossiles (charbon, pétrole, gaz), sont issus de la fossilisation de la biomasse au cours de millions d’années, et constituent un gigantesque stock de carbone. Lorsque l’homme les brûle pour produire de l’énergie, le carbone qu’ils contiennent retourne à l’état de CO2 dans l’atmosphère qui perturbe le cycle naturel du carbone et provoque un effet de serre additionnel. Enfin, du carbone est également rejeté dans l’atmosphère par le volcanisme et la respiration des différents éléments de la biosphère (plantes, animaux).

Source : Berner R. A. et Berner E. K. 996. Global environment: water, air
and geochemical cycles. Upper Saddle River, Prentice-Hall. 76 p.

Note : Valeurs en giga tonnes (Gtc) de carbone.

- L’atmosphère est la couche gazeuse qui entoure la terre.
- La biosphère est l’ensemble des écosystèmes de la planète comprenant les êtres vivants et leurs milieux. Elle comprend les portions de l’atmosphère, de l’hydrosphère et de la lithosphère où la vie est présente.
- L’hydrosphère correspond à la totalité des eaux de la planète comprenant les océans, les mers, les lacs, les cours d’eau et les eaux souterraines.
- La lithosphère est la partie superficielle du globe terrestre.

Tous les êtres vivants sont constitués de molécules contenant du carbone : glucides, protéines et lipides. Le cycle du carbone intègre toutes les réactions permettant aux êtres vivants d'utiliser le carbone pour fabriquer leurs tissus et libérer de l'énergie.

Les végétaux représentent le point de départ du cycle du carbone. Grâce à la photosynthèse, les plantes absorbent le carbone de l'air (CO2) et l'intègrent à leur propre biomasse (feuilles, bois, racines, fleurs et fruits). Cette matière organique sert de nourriture aux organismes hétérotrophes (consommateurs). En libérant de l'énergie, la respiration des hétérotrophes et des autotrophes renvoie du carbone dans l'atmosphère (CO2)

Les roches sédimentaires et l’océan profond (plus de 100 mètres de profondeur) forment les plus grands réservoirs de carbone. A l’inverse la pellicule superficielle de la planète recèle très peu de carbone, mais ce carbone est bien entendu vital pour le développement de la vie sur Terre. Au niveau des flux entre les puits, on évalue que le temps de présence d'un atome de carbone est de 4 ans dans l'atmosphère, de 11 ans dans la biosphère, de 385 ans dans l'hydrosphère superficielle (océan de 0 à 100 m), de plus de 100 milliers d'années dans l'océan profond et de quelques 200 millions d'années dans la lithosphère.

Les mécanismes de la photosynthèse, de la respiration, et de la fermentation affectent l'équilibre du CO2 atmosphérique sur une échelle de temps très courte (inférieure à 100 ans). Les flux de carbone reliés à ces processus sont importants mais les réservoirs sont relativement petits. Sur des échelles de temps beaucoup plus longues, ce sont les processus de nature géologique qui deviennent les contrôles les plus importants, des processus qui agissent sur des milliers et des millions d'années. Il s'agit de processus tels l'enfouissement des matières organiques dans les sédiments et roches sédimentaires, leur transformation en combustibles fossiles et leur altération (oxygénation) subséquente. Les flux de carbone liés à ces processus sont faibles; en revanche, les réservoirs sont immenses.

Echelles de temps
Le réchauffement climatique est aussi un problème d'échelle de temps (échelle géologique de la planète et l'échelle d'une vie humaine). Nous consommons les combustibles fossiles sans compter et à un rythme effréné. Il faudrait à la lithosphère des millions d’années pour réabsorber ce que nous avons relâché dans l'atmosphère en moins d'un siècle. Et si la Terre s'en mêlée ! Un volcanisme intensif et sur de longues durées pourrait peut-être nous faire partager le sort des dinosaures.

Un arrêt total et immédiat des rejets de carbone n'empêcherait cependant pas la température moyenne de la planète de continuer à augmenter pendant plusieurs dizaines à centaines d'années, car certains Gaz à effet de serre ne disparaissent de l'atmosphère que très lentement.

Perturbation du cycle du carbone.
Cette perturbation du CO2 se propage à la fois au climat terrestre à travers l’effet de serre du CO2, à la biomasse en tant qu’élément constitutif de toutes les molécules organiques.

Dans un écosystème forestier, les perturbations naturelles ou provoquées par les activités humaines entraînent des changements du niveau de fixation et de libération du carbone (photosynthèse et respiration). Par exemple, le réchauffement climatique pourrait accélérer la décomposition de la litière en favorisant la respiration des décomposeurs. Le sol forestier pourrait alors devenir une source de carbone, car on aurait ainsi plus de carbone libéré que de carbone fixé.

La conversion d’un sol arboré ou d’une prairie en terre agricole engendre sous l'effet du labourage, un déstockage du carbone qui etait auparavent retenu dans le sol (humus). On estime que la teneur en carbone du sol d’une prairie ou d’une forêt est 5 à 10 fois plus importante que celle d'un sol cultivé.

Diminution ou inversion de certains puits de carbone
La fonte du pergélisol avec évaporation d'hydrates de méthane, s'ajoutant à celui qui pourrait aussi être libéré en mer, ainsi que par l'augmentation des incendies de forêts et d'inondations se traduisant par la méthanisation de matière organique immergée, qui sont autant de facteur de réchauffement

Le réchauffement peut avoir pour effet de diminuer les courants thermohalins, qui vont de la surface de l'océan - où les échanges avec l'atmosphère sont rapidement réversibles - vers les profondeurs ; or ce sont ces courants qui entraînent le carbone des eaux de surface vers les fonds marins, soit sous forme de carbone dissous, soit sous forme de restes d'animaux qui sédimentent, le soustrayant alors à l'atmosphère pour une durée assez longue.