L'élément carbone est un constituant fondamental de la vie. Son cycle global est étroitement relié à l'habitabilité de notre planète. Les activités humaines telles que l'utilisation de combustibles fossiles, la déforestation et la combustion de biomasse modifient le cycle global du carbone. Comprendre le cycle global du carbone et comment il interagit avec le climat est un défi clé de la recherche; il est essentiel pour la gestion des changements climatiques à venir afin qu'il reste dans des limites acceptables.
Le cycle global du carbone est la voie par laquelle le carbone se déplace à travers le système de la Terre, y compris la terre, les océans, l'atmosphère et la biosphère. Certains composants du système terrestre, tels que les océans et les terres, parfois agissent comme réservoirs de carbone en le stockant pendant de longues périodes, et à d’autres moments agissent comme sources de carbone en le libérant dans l'atmosphère (Fig.1). Les émissions humaines de gaz à effet de serre tels que le dioxyde de carbone (CO 2) et le méthane (CH 4) interfèrent avec - et la modification - cette voie. Maintenant, plus que jamais, la compréhension du cycle global du carbone dans toute sa complexité est un problème de recherche en appuyant sur.
La connexion climatique
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Figue. 1 Le cycle du
carbone.
Stockage et
déplacement de
carbone dans les systèmes
terrestres et à base d'eau.
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Depuis le début de la révolution industrielle, il y a plus de deux cents ans, les gaz à effet de serre ont été libérés dans l'atmosphère par les activités humaines telles que la combustion de combustibles fossiles et la déforestation. Les concentrations atmosphériques de composés à base de carbone, tels que le CO 2et CH 4, sont maintenant beaucoup plus élevé que ce qu'ils ont été à tout moment au cours des derniers milliers d’années. Cependant, le carbone libéré dans les émissions de GES, seulement environ 40% reste dans l'atmosphère. Le reste est absorbé par les océans et la biosphère terrestre.
Sur des échelles de temps allant jusqu'à quelques milliers d'années, l'atmosphère, les océans, la végétation et les sols échangent rapidement carbone dans de grandes quantités à travers une multitude de processus biologiques physiques, chimiques et. Beaucoup de ces processus sera lent ou accélérer la croissance des niveaux de gaz à effet de serre en réponse au réchauffement, et donc représenter une rétroaction positive ou négative, respectivement, entre le cycle global du carbone et du climat. Sur la terre, par exemple, des températures plus élevées peuvent conduire à une meilleure respiration du sol, ce qui augmente le dégagement de CO 2 dans l'atmosphère. A l’inverse, dans les latitudes nordiques, des températures plus élevées peuvent augmenter la longueur de la saison de croissance et de favoriser une meilleure absorption du CO 2 par la végétation.
De puits aux sources
Comment les scientifiques peuvent garder un œil sur le cycle du carbone à travers un tel système complexe? Certaines régions sont particulièrement importantes dans le maintien du cycle global du carbone et peuvent fournir des indices essentiels à la santé globale du système terrestre.
La perturbation du cycle global du carbone est étroitement liée au développement humain et à la nécessité pour les ressources énergétiques et alimentaires sur la terre et dans les mers.
Sur terre, les régions les plus importantes pour aspirer le carbone de l'atmosphère sont les forêts tropicales de l’Amazonie, le bassin du Congo et l’Asie du Sud, et les forêts boréales et la toundra arctique. Collectivement connu comme les «poumons verts» de la planète, ces régions ont de grandes quantités de carbone enfermé dans la végétation et le sol. Les fractions non négligeable de régions forestières et de la toundra boréale ont un magasin supplémentaire de carbone dans leur couche de pergélisol sous - jacent. Dans un contexte de réchauffement climatique, la fonte du pergélisol pourrait ainsi libérer de grandes quantités de carbone sous forme de CO 2 ou, dans les marais et les tourbières, comme CH 4, qui en outre amplifier les changements climatiques.
Dans les océans, il existe deux carbones «points chauds» importants dans l'océan Atlantique Nord et l'océan Austral autour de l'Antarctique. Ici, l'excès de carbone se déplace de la surface dans les eaux profondes où elle est stockée sur des périodes de siècles à des millénaires. Les variations de la circulation océanique dans ces zones, ce qui pourrait se produire que les températures augmentent, pourrait diminuer la capacité des océans à stocker le carbone. Les premières études suggèrent que cela se produit déjà dans l'océan Austral, qui remet en question de savoir si, à l'avenir, les puits de carbone continueront à fonctionner ou se saturer et peut - être même devenir des sources de carbone .
cycles du carbone défis
Les défis pour la recherche sont claires, à commencer par la compréhension du cycle du carbone en tant que partie intégrante du système climatique mondial. Par exemple, d'autres études sont nécessaires pour élucider les processus clés qui transforment le carbone dans les écosystèmes terrestres et marins, et de comprendre comment le cycle du carbone est couplé à la fois pour les cycles de nutriments tels que l'azote et le phosphore, et le cycle hydrologique.
Justifiant également une plus grande attention est la multitude de rétroactions du cycle du système carbone climat qui opèrent sur des échelles de temps allant de quelques jours à des époques géologiques. Cela ne peut pas être atteint sans l'amélioration de nos outils de modélisation. Ici, la communauté de recherche internationale a un engagement à long terme à l'amélioration des modèles de la Terre-système - en d’autres termes, les modèles climatiques mondiaux avec un cycle de carbone fermé.
Les modèles complexes doivent être limitées aux observations du monde réel. Les observations à long terme du principal carbone hot-spots sont donc impératives. Un exemple de fonctionnement est le Grand établissement Observatoire de la Tour Zotino dans la forêt de taïga sibérienne, qui comprend un mât de 300 m de hauteur pour mesurer l’effet de serre atmosphériques régionaux, la chimie réactive, les aérosols et la météorologie.Un observatoire similaire sera mis en place dans la forêt amazonienne à court terme. Ces mesures au sol devraient être complétées par l'air répétées et des systèmes de télédétection spatiaux.
Un état stable
Peut-être le plus difficile de tous est de gérer le cycle du carbone de telle sorte qu'il continue à maintenir la planète dans un état climatique stable. Du point de vue des sciences naturelles, cela impliquera le développement de sources d'énergie non basées sur les combustibles fossiles tels que les biocarburants, ainsi que de trouver des moyens de séquestration du carbone, comme par le reboisement ou la capture de l'air et de stockage.
Les technologies qui pourraient avoir de multiples avantages, comme l'utilisation de la biomasse tirée du cycle de l'agriculture, sont particulièrement dignes d'enquête. La biomasse peut potentiellement être utilisée comme carburant à faible teneur en carbone ou en tant que moyen de stockage du carbone. Le dernier cas a l'avantage supplémentaire de produits générant qui pourraient être négociés pour des crédits sur le marché du carbone. La biomasse qui se transforme en matériaux de carbone de longue durée permet d’éliminer efficacement le CO 2 atmosphérique, au moins pour la durée de vie des produits, et en tant que telle est appelé «carbone négatif» .
Le cycle global du carbone et sa gestion ne peuvent être étudiés à partir de seulement un point de vue des sciences naturelles. La perturbation du cycle global du carbone est étroitement liée au développement humain et à la nécessité pour les ressources énergétiques et alimentaires sur la terre et dans les mers. L'évaluation scientifique de toutes les options de gestion doit donc clairement pour accueillir la multitude de facteurs socioéconomiques dans le monde moderne. Pour répondre à cette d'une manière rationnelle et scientifique pose un énorme défi qui doit être relevé afin d'orienter les systèmes terrestres dans des limites acceptables au cours des 100 prochaines années et au-delà.
Pour déterminer quelles émissions anthropiques de dioxyde de carbone sont compatibles avec l'objectif de limiter le réchauffement planétaire à 2 ° C, notre modèle climatique doit inclure des changements dans le cycle du carbone. -Système terrestre simulations de l'Institut Max Planck de météorologie démontrent sensiblement réduit les émissions de dioxyde de carbone "admissibles" au cours de la vingt et unième siècle, quand un cycle de carbone couplé est inclus