Cette figure résume le cycle global du carbone, avec ses réservoirs et les flux existant entre ces stocks.

Représentation du cycle global du carbone

Selon Kump, Kasting et Crane, Prentice Hall, 1999.

Le temps de résidence d’un atome de carbone est estimé à 4 ans dans l’atmosphère, à 11 ans dans la biosphère, à 385 ans dans l’hydrosphère de surface, à plus de 100 000 ans dans l’hydrosphère profonde et à 200 000 000 années sans la lithosphère.
Dans le cycle global du carbone, il faut différencier et hiérarchiser des sous-cycles qui, certes, interagissent mais à des échelles de temps différentes. Ainsi, on parle de cycle court pour le cycle du carbone organique (espèces vivantes) et de cycle long pour celui du carbone inorganique (éléments non-vivants). Mais il faut garder à l’esprit que ces deux séries de processus biogéochimiques sont intimement liées et qu’elles interfèrent l’un avec l’autre.

Cycle court, cycle du carbone organique

On considère que le cycle court du carbone organique s’opère sur des temps inférieur au siècle et qu’il repose sur le phénomène de recyclage du carbone grâce à la photosynthèse, la respiration, à l’oxydation et la fermentation. Le schéma ci-dessous illustre les échanges et les stocks de carbone (exprimés en GT).

Le mécanisme de base du cycle court est la conversion du carbone inorganique en carbone organique lors de la photosynthèse et la conversion inverse lors de la respiration.

Représentation du cycle court du carbone

Selon Kump, Kasting et Crane, Prentice Hall, 1999.

La photosynthèse permet aux végétaux et aux bactéries (producteurs primaires) de synthétiser de la matière organique : les feuilles captent la lumière du soleil. Elles absorbent aussi de l’eau par leurs racines et le gaz carbonique de l’air. Les plantes se servent de l’énergie du soleil pour changer l’eau et le dioxyde de carbone en glucose (hydrates de carbone), tout en rejetant de l’oxygène. Le glucose quitte ensuite la feuille et est transporté dans tout l’organisme pour le nourrir. On dit que l’énergie solaire est transformée en énergie chimique qui sera utilisée par les organismes consommateurs qui sont hétérotrophes, c’est-à-dire qu’ils sont incapables d’effectuer eux-mêmes les synthèses de leurs constituants à partir d’élément minéraux (animaux, champignons, certaines bactéries). Ainsi, ces consommateurs puissent leur énergie et leur nourriture en ingérant les producteurs primaires et en respirant.

Ainsi, la respiration transforme la matière organique (hydrates de carbone) grâce à l’oxygène libre en dioxyde de carbone et en eau.
Il faut alors préciser que dans la nature, la matière organique est soit respirée et donc oxydée par les plantes ou les animaux, soit décomposée par l’activité microbiologique (micro-organismes, bactéries et champignons) qui enrichit en carbone les sols et les sédiments. La décomposition de la matière organique se fait :
- soit par des organismes aérobies, ceux qui utilisent l’oxygène libre pour leur métabolisme et donc respirent,
- soit par des organismes anaérobies, ceux qui utilisent uniquement l’oxygène contenu dans la matière organique et qui dégradent la matière organique via la fermentation.

La fermentation intervient donc dans ces flux de carbone en produisant du dioxyde de carbone et du méthane à partir des hydrates de carbone de la matière organique. Ces gaz libérés dans l’atmosphère. Le méthane, qui est un gaz à effet de serre bien plus dangereux que le CO₂, s’oxyde en dioxyde de carbone (son temps de résidence dans l’air n’est que de 10 ans) ou bien s’accumule dans des réservoirs de gaz naturels.

Cycle long, cycle du carbone inorganique

Ce cycle opère sur des échelles de temps très longues (milliers à millions d’années) car des phénomènes géologiques interviennent. Les processus mis en œuvre lors de ce recyclage du dioxyde de carbone sont l’enfouissement des matières organiques dans les sols continentaux et les sédiments marins, leur transformation en combustibles fossiles ou en roches sédimentaires, leur précipitation en carbonate de calcium et leur dégradation (oxygénation). Ces flux sont relativement faibles mais les réservoirs de carbone sont immenses et les cinétiques d’échange très longues.

Représentation du cycle long du carbone

Selon Kump, Kasting et Crane, Prentice hall, 1999.

Les phénomènes participant à ce cycle sont les éruptions volcaniques, l’érosion des roches, l’enfouissement de la matière organique, l’absorption océanique et la précipitation des carbonates.

L’érosion des roches silicatées (45 à 76 % de silice), qui constitue la plupart des roches éruptives, libère en solution des ions calcium et bicarbonate. Ces ions sont transportés par les cours d’eau et les rivières vers les océans. Les carbonates de calcium précipitent dans les eaux de surfaces des océans et se dissolvent dans les eaux profondes. Le CaCO₃ est assimilé sous forme ionisé par tous les organismes et immobilisé sous forme de calcaire par beaucoup d’entre eux. Les sédiments carbonatés, déposés au fond de la mer, sont à nouveau reconvertis en silicates de calcium et en dioxyde de carbone quand les plaques océaniques sont poussées sous les autres plaques par la subduction de la tectonique des plaques. Le CO₂ rentre, de nouveau, dans l’atmosphère, par les éruptions volcaniques.

La biocalcification (fabrication de squelettes et de coquilles) modifie les flux de CO₂, de calcium et d’alcalinité dans les hydro-systèmes (séquestration du carbone inorganique et d’alcalinité). Ce processus semble donc très sensible aux impacts anthropiques et notamment à la perturbation globale du cycle de carbone et aux contaminations atmosphériques (acidité des pluies). De plus, la précipitation des carbonates de calcium est fonction de la disponibilité du CO₂.

L’absorption par l’océan du carbone est complexe. On sait que le CO₂ est plus soluble dans l’eau froide (donc plus profonde que l’eau de surface) que dans l’eau chaude. La circulation convective permet donc au flux d’eau de se refroidir (et donc de dissoudre le carbone) au niveau de l’Atlantique Nord, de cheminer le long de l’Afrique pour rejoindre les océans Indien et Pacifique où l’eau remonte en surface en libérant l’excès de CO₂. Les courants de surface ramènent les eaux à leur point de départ. L’ensemble du trajet est estimé à 1 000 ans.

L’enfouissement de la matière organique dégradée par des microorganismes s’accompagne d’une augmentation de température et de pression et de réactions thermo-catalytiques et de craquage thermique : ces étapes permettent de réduire la matière (éliminer l’azote et l’oxygène) et de séparer les phases fluides (huiles et gaz mobiles) des phases solides (résidus carbonés).