Rôle de la photosynthèse : Processus qui fixe le CO₂ atmosphérique en molécules organiques, initiant le cycle du carbone dans les écosystèmes.
- Identifier les réactifs et produits de la photosynthèse
- Expliquer le transfert de carbone
- Montrer l'importance dans le cycle global
- Relier aux autres processus du cycle
Les plantes absorbent le CO₂ de l'atmosphère par les stomates
Le CO₂ est fixé dans le cycle de Calvin pour former du glucose
Le carbone est stocké dans la biomasse végétale (cellulose, amidon)
Le carbone est transféré aux consommateurs par ingestion
La photosynthèse régule les concentrations de CO₂ atmosphérique
La photosynthèse est le processus fondamental qui fixe le CO₂ atmosphérique en molécules organiques, initiant ainsi le cycle du carbone dans les écosystèmes terrestres.
• Équation bilan : 6CO₂ + 6H₂O + énergie → C₆H₁₂O₆ + 6O₂
• Quantité fixée : ~200 GtC/an par photosynthèse
• Rôle central : Source primaire de carbone organique
Échanges CO₂ biosphère-atmosphère : Flux bidirectionnels de dioxyde de carbone entre la biosphère et l'atmosphère.
~200 GtC/an de CO₂ sont absorbés par la photosynthèse
~200 GtC/an de CO₂ sont rejetés par la respiration autotrophe et hétérotrophe
En conditions naturelles, les flux sont quasiment équilibrés
Plus de photosynthèse en été dans l'hémisphère Nord, donc baisse saisonnière du CO₂
Les concentrations atmosphériques varient de ±5 ppm selon les saisons
Les échanges CO₂ entre biosphère et atmosphère sont massifs (~200 GtC/an dans chaque sens) et présentent une cyclicité saisonnière.
• Flux photosynthétique : ~200 GtC/an
• Flux respiratoire : ~200 GtC/an
• Amplitude saisonnière : ±5 ppm de CO₂
Équilibrage équation : Application de la conservation des atomes pour équilibrer l'équation chimique.
CO₂ + H₂O + énergie lumineuse → C₆H₁₂O₆ + O₂
Avant: 1C, 2H, 3O; Après: 6C, 12H, 8O
Multiplier CO₂ par 6: 6CO₂ + H₂O + énergie → C₆H₁₂O₆ + O₂
Multiplier H₂O par 6: 6CO₂ + 6H₂O + énergie → C₆H₁₂O₆ + O₂
Multiplier O₂ par 6: 6CO₂ + 6H₂O + énergie → C₆H₁₂O₆ + 6O₂
L'équation équilibrée de la photosynthèse est: 6CO₂ + 6H₂O + énergie lumineuse → C₆H₁₂O₆ + 6O₂
• Conservation des atomes : Même nombre avant et après
• Ordre d'équilibrage : Carbone, Hydrogène, Oxygène
• Énergie lumineuse : Catalyseur, pas dans bilan atomique
Productivité primaire : Quantité de biomasse produite par les producteurs primaires par unité de temps et de surface.
PPB = Productivité Primaire Brute, PPN = Productivité Primaire Nette
PPN = PPB - RA (Respiration Autotrophe)
Exprimée en g C/m²/an ou tonnes de C/hectare/an
Forêt tropicale: ~2000 g C/m²/an, Forêt tempérée: ~1000 g C/m²/an
Pour une forêt de 100 hectares avec 1000 g C/m²/an: 100 × 10⁴ × 1000 = 10⁹ g C/an = 1000 tonnes C/an
La productivité primaire mesure la quantité de carbone fixée par photosynthèse, variant selon les écosystèmes (forêts tropicales: ~2000 g C/m²/an).
• Relation fondamentale : PPN = PPB - RA
• Unités : g C/m²/an ou t C/ha/an
• Valeurs caractéristiques : Forêts: 500-2000 g C/m²/an
Photosynthèse vs respiration : Processus inverses dans le cycle du carbone et le bilan énergétique.
Photosynthèse: 6CO₂ + 6H₂O + énergie → C₆H₁₂O₆ + 6O₂
Respiration: C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + énergie
Photosynthèse: consomme CO₂, produit O₂; Respiration: consomme O₂, produit CO₂
Photosynthèse: stocke l'énergie; Respiration: libère l'énergie
Sur Terre: photosynthèse ≈ respiration (petit excès de photosynthèse → stockage)
Équilibre essentiel pour la composition atmosphérique
Photosynthèse et respiration sont des processus complémentaires et inverses qui régulent les concentrations de CO₂ et O₂ dans l'atmosphère.
• Processus inverses : Produits deviennent réactifs
• Équilibre global : Photosynthèse ≈ Respiration
• Régulation atmosphérique : Maintien de 21% O₂, 0.04% CO₂
Absorption CO₂ océans : Processus physique et chimique de dissolution du CO₂ atmosphérique dans les eaux océaniques.
CO₂(g) ⇌ CO₂(aq) selon la loi de Henry
CO₂(aq) + H₂O ⇌ H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃⁻ ⇌ 2H⁺ + CO₃²⁻
Les océans absorbent ~30% des émissions anthropiques de CO₂
Les ions carbonate (CO₃²⁻) réagissent avec H⁺, limitant l'acidification
Malgré le tampon, le pH océanique a baissé de 0.1 unité depuis l'ère préindustrielle
Les océans absorbent ~30% du CO₂ émis, mais cette absorption provoque une acidification progressive des eaux.
• Quantité absorbée : ~2.5 GtC/an
• Réaction chimique : CO₂ + H₂O → H₂CO₃ → H⁺ + HCO₃⁻
• Acidification : ΔpH = -0.1 depuis 1750
Émissions anthropiques : Libération de CO₂ due aux activités humaines, perturbant le cycle naturel.
Combustion des énergies fossiles (pétrole, charbon, gaz), déforestation
~36.8 GtCO₂/an en 2022 (soit ~10 GtC/an)
~50% des émissions restent dans l'atmosphère, augmentant la concentration
De ~280 ppm en 1750 à >420 ppm en 2023
Renforcement de l'effet de serre, changement climatique
Les émissions anthropiques (~10 GtC/an) perturbent le cycle naturel du carbone, augmentant la concentration atmosphérique de CO₂ de 40% depuis 1750.
• Émissions actuelles : ~36.8 GtCO₂/an
• Accumulation : ~50% dans l'atmosphère
• Augmentation : 280 ppm → 420+ ppm (+50%)
Séquestration sols : Stockage du carbone dans les sols sous forme organique et minérale.
Carbonates, résidus végétaux, humus constituent le principal réservoir
~1500 GtC dans les sols superficiels (premiers mètres)
Maturation de la matière organique, formation de complexes argilo-humiques
Humidité, température, texture du sol, couverture végétale
Labour, couverts végétaux, rotation des cultures influencent la séquestration
Les sols sont le plus grand réservoir continental de carbone (~1500 GtC), avec des pratiques agricoles influençant la séquestration.
• Quantité stockée : ~1500 GtC dans sols superficiels
• Processus : Maturation matière organique
• Facteurs : Climat, gestion agricole
Puits de carbone : Réservoirs naturels ou artificiels qui absorbent plus de CO₂ qu'ils n'en émettent.
Naturels: forêts, océans, sols; Artificiels: stockage géologique
Fixent le carbone dans la biomasse, mais relâchent à la mort des arbres
Absorbent ~2.5 GtC/an de CO₂ anthropique
Certains puits peuvent devenir sources à long terme (forêts matures)
Restauration forestière pourrait séquestrer ~25 GtC d'ici 2050
Les puits de carbone (forêts, océans, sols) absorbent une partie des émissions anthropiques, mais leur efficacité varie dans le temps.
• Océans : ~2.5 GtC/an de puits
• Forêts : Variable selon maturité
• Potentiel restauration : ~25 GtC
Équilibre cycle carbone : Bilan global des flux de carbone entre les différents réservoirs terrestres.
Atmosphère (850 GtC), Océans (38000 GtC), Biosphère terrestre (600 GtC), Sols (1500 GtC)
Photosynthèse (120 GtC/an), Respiration (120 GtC/an), Échange océan-atmosphère (90 GtC/an)
Émissions (10 GtC/an), absorption océanique (2.5 GtC/an), puits terrestre (3 GtC/an)
~4.5 GtC/an restent dans l'atmosphère (50% des émissions)
Augmentation de 40% de la concentration atmosphérique depuis 1750
L'équilibre naturel du cycle du carbone est perturbé par les émissions anthropiques, entraînant une accumulation de CO₂ dans l'atmosphère.
• Réservoirs : Atm (850), Océans (38000), Biosphère (600), Sols (1500) GtC
• Flux naturels : ~120 GtC/an photosynthèse/respiration
• Perturbation : +10 GtC/an anthropique
