Les différents climats et leurs climax :

Le climax, comme nous l'avons vu est l'état stable d'un écosystème en fonction des paramètres environnementaux : la vie se complexifira sans cesse jusqu'à aboutir au climax, ensuite l'évolution sera plus lente et dépendante du renouvellement du milieu. Sur Terre la plupart des régions possèdent pour climax une forêt, l'arbre étant le végétal le plus perfectionné.

Les forêts ne sont pas uniquement des zones où l'on ne trouve que des arbres, une forêt abrite une multitude d'animaux, des grands mammifères aux plus petits insectes et le sol d'une forêt recelle une variété phénoménale des micro-organismes, bactéries et champignons. Parmi les forêts, celles qui sont les moins riches (au niveau de la biodiversité) sont celles qui manquent d'éléments indispensables : au nord les forêts boréales sont quasiment perpétuellement enneigées et n'obtiennent qu'une quantité d'eau et de lumière limitée. Près des tropiques, c'est au contraire d'abondance de lumière, couplée au manque d'eau, qui limite le développement. L'équateur possède les forêts les plus diversifiées possible car tout est réuni là pour un développement optimal : de la lumière en abondance, de l'eau, et une chaleur quasiment constante toute l'année. Les forêts équatoriales, dite pluviales, sont en réalité constituées d'une succession d'étages : les grands arbres, des arbres plus petits, des arbustes et fougères, le sol superficiel et les racines. Chacun des étages est un écosystème à part entière. Plus les éléments nécessaires diminuent et plus le nombre et la diversité des étages diminuent, ainsi dans les forêts tempérées, il n'y a généralement que deux étages, les arbres et les broussailles de fougères. Dans les forêts boréales, les arbres sont presque exclusivement des conifères et leurs sous-bois sont pauvres et peu vivants car trop sombres et trop froids avec de plus un sol acide.

Ce graphique représente les variations de végétation en fonction des deux principaux critères : l'eau et la température (au départ forcément liée à la quantité de rayonnement solaire). On voit que partout où il y a assez d'eau, le climax est atteint par une forêt et que l'on passe très rapidement d'un type de végétation à un autre en fonction des précipitations, c'est ce qui explique sur la carte mondiale les différences de climax à des latitudes équivalentes : en Inde par exemple parce que le massif de l'Himalaya crée une barrière qui bloque l'humidité et provoque les moussons, et en Europe parce qu'un courant océanique chaud (le Gulf stream) repousse le froid de plusieurs milliers de kilomètres vers le nord.

Le cycle du carbone :

Le cycle du carbone est généralement grossièrement résumé par le cycle du dioxyde de carbone (CO2) sur les continents. On apprend donc que le CO2 présent dans l'air est capturé pendant la photosynthèse des plantes, transformé en matière, consommé par des herbivores, consommé à leurs tours par des carnivores, qui sont décomposés après leur mort et retransformé en CO2. Sachant que toutes ces créatures respirent pendant tout leur cycle de vie. Malheureusement ce cycle est tellement réducteur qu'il en devient faux : d'abord parce que le carbone ne circule pas uniquement via le CO2 et ensuite parce que les continents ne représentent qu'un petit tiers de la surface de la planète et que le reste comporte aussi des échanges.

Nous avons vu dans la partie précédente que la planète Terre contient autant de carbone propotionnellement à sa taille que Vénus et Mars mais qu'au contraire de ces deux planètes le carbone terrestre ne se trouve pas uniquement dans l'atmosphère (il s'y trouve d'ailleurs très peu). Où se trouve donc le carbone terrestre, comment circule-t-il et dans quelles proportions le cycle du CO2 participe-t-il aux échanges ?

Le carbone est stocké dans notre environnement sous une forme ou une autre :
-comme gaz carbonique dissous dans l'océan
-comme composant de molécules organiques des vivants et de leurs cadavres
-comme gaz carbonique présent dans l'atmosphère
-comme composant de minéraux des sols

Dès que l'on a affaire à l'un de ces endroits, on s'intéresse à ce qu'il renferme comme carbone. On le mesure généralement en milliards de tonnes, ou Gt (gigatonnes).

La figure ci-dessus donne la valeur des principaux stocks de carbone :
-l'atmosphère renferme actuellement 750 Gt de carbone
-l'océan intermédiaire (moyen et profond) renferme 50 fois plus de carbone : 38 100 Gt
-les sols renferment 3770 Gt, alors que la végétation et les animaux qui les recouvrent renferment seulement 610 Gt

Les valeurs qui sont données ici ne sont pas définitives car c'est actuellement un des grands défis du monde scientifique : calculer précisement les stocks et les échanges de carbone sur toute la planète.

La figure donne aussi les échanges annuels de CO2 entre l'atmosphère et la Terre. La majeure partie de ces échanges sont naturels :
-60 Gt entre la végétation et l'atmosphère
-90 Gt entre l'océan de surface et l'atmosphère
-40 à 50 Gt entre l'océan de surface et la vie marine

Mais l'humanité a rajouté d'autres échanges :
-6 Gt environ due à la combustion des énergies fossiles
-1 Gt environ due à la déforestation.
Note : Ces flux sont connus à ± 1 Gt près : c'est une incertitude énorme pour des flux qui sont du même ordre de grandeur. Il est aussi important de préciser que le schéma ci-dessus ne concerne que le CO2, et pas les autres gaz à effet de serre.

On appelle puit de carbone toutes les zones qui stockent d'une manière plus ou moins durable le carbone sous une forme ou une autre.

Les puits et sources de carbone :

Il y a trois puits pour absorber le carbone sous forme de CO2 de l'atmosphère (rappelons que le CO2 est stable dans l'atmosphère, ce qui n'est pas le cas de tous les gaz à effet de serre, voir la partie précédente) :

Il est bien évident que le changement du climat entraine la modification des écosystèmes qui à leur tour modifient leur rôle dans le cycle... Nous regarderons donc comment fonctionne le système si toutes les émissions sont stables.

Les écosystèmes continentaux : Le sol contient l'essentiel du carbone des écosystèmes terrestres, y compris forestiers. Il s'agit à la fois de parties de plantes ou détritus de plantes et d'organismes vivants. Or si la température monte, l'activité microbienne du sol va probablement augmenter. Dans un écosystème à maturité, c'est à dire à l'état de climax, les plantes absorbent autant de CO2 que le milieu en produit et produisent autant d'oxygène que le milieu en consomme : le bilan total est stable, il est donc faux de considérer l'Amazonie comme le "poumon de la planète", cette région étant à l'origine recouverte par une forêt primaire mature, d'un point de vue global elle ne produit ni ne consomme de CO2 ou d'oxygène. Les forêts ne fixent plus(+) de carbone qu'elles n'en produisent uniquement pendant leur croissance (en moyenne un siècle), après le carbone est fixé dans le sol et les divers éléments de l'écosystème mais l'absorption globale devient nulle.

L'océan : Il fixe le carbone de deux manières, d'abord en l'absorbant ensuite en le fixant par la photosynthèse du phytoplancton. L'aborption chimique fonctionne en permanence et est plus importante dans l'eau froide, la circulation thermohaline (les grand courants marins qui remontent ou qui descendent au fond des océans, voir partie précédente) joue un rôle très important dans cette absorption car elle entraine le carbone dissous en surface dans les couches profondes qui, étant plus froides, ont une plus grande capacité de stockage. Au final ce carbone se transfome en ions bicarbonates qui préciptent au fond et sédimentent. L'absorption biochimique est soumise aux impératifs de la photosynthèse, ensuite le phytoplancton est consommé en partie par les crustacés, lesquels avec les coraux fixent du carbone sous forme minérale pour leurs coquilles et carapaces. A la mort de l'invertébré ces parties dures sont entrainées au fond des océans où elles sédimentent. L'océan recouvre 70% de la surface de la Terre, longtemps considéré comme "un désert liquide" c'est pourtant lui qui est le premier acteur de la vie.

Les stocks fossiles : Il existe deux catégories de stocks de carbone fossile : ceux qui sont combustibles (charbon, pétrole et gaz naturel) et issus de la végétation terrestre, et ceux qui ne le sont pas (roches, minéraux). Les roches sont issues de l'océan, des processus d'érosion et du cycle de l'eau, elles fixent de grandes quantités de carbone (rappel : la formule chimique du calcaire est CaCO3), ci-contre falaises de craie. Les combustibles fossiles sont formé par des processus de décomposition de végétaux dans des conditions particuilières qui sont détaillées dans la partie suivante.

Le cycle de ce méthane est encore méconnu, on sait cependant d'où il provient : dans les sous-sols des régions boréales et sur le fond des océans, les matières organiques mortes se sédimentent et se décomposent. Ce processus est dirigé par des bactéries méthanogènes, qui sont parmi les plus vieilles formes de vie connues. Elles dégradent les déchets organiques par fermentation et produisent du méthane et de l'eau. Mais cette fermentation ne peut avoir lieu en présence d'oxygène, ce sont des bactéries anaérobies, c'est pour cela qu'elles ne se trouvent que dans les profondeurs et les milieux mal oxygénés : marécages, tourbières, fond marins, sous-sols gelés qui sont pour nous synonymes d'odeurs nauséabondes. Le méthane produit se trouve donc rapidement au contact avec de l'eau à très faible température et dans le cas des océans à forte pression (ce qui compense la température trop élevée). Il forme donc des hydrates.

Le gaz peut aussi provenir d'une masse d'hydrocarbure en formation, il forme alors une couche imperméable d'hydrate qui va emprisonner les futures productions de gaz qui s'accumulent dans une grande poche. Mais les hydrates ne se forment pas partout : les conditions géologiques peuvent empêcher le processus (comme une activité volcanique) mais elles occupent quand même une grande partie du fond des océans, ce qui explique les estimations gigantesques de la quantité de méthane qu'elles contiennent. Ces hydrates posent de nombreuses questions : d'abord celle de leur rôle dans les précédentes glaciations, les carottes des calottes polaires nous ont appris que la température globale était liée à la quantité de CO2 et de méthane de l'atmosphère (voir chapitre précédent les GES).

Pourtant une glaciation, en entrainant le niveau des mers vers le bas, devrait provoquer la décompression des hydrates des sols côtiers boréals, dont le méthane devrait s'opposer au raffraîchissement en augmentant l'effet de serre. De même, dans le cas d'un réchauffement, la montée des eaux cette fois-ci, entraînerait aussi la décompression des gaz qui iraient renforcer le phénomène. Les carottes ont de toute façon prouvées que c'est le méthane qui joue un rôle prépondérant dans les phénomènes de variabilité rapide de la température du globe pendant des épisodes de 10-15 ans.

Ci-contre la photo d'un bloc d'hydrate de méthane en pleine combustion : si on l'allume avant qu'il ne fonde en ne laissant qu'une flaque d'eau, il brûle complètement sans laisser de résidu, ou comment faire du feu avec de la glace. Pour finir, les glaces et hydrates de gaz jouent un rôle majeur dans la topologie des régions perpétuellement gelées, le pergélisol ou permafrost. En effet, les glaces du sous-sol entrainent par leurs gels et dégels successifs des contraintes qui modifient le relief, sculptent les côtes et occasionnent des désordres dans les contructions humaines de ces régions. La côte canadienne de la mer de Beaufort, au nord-est, détient le record de l'érosion du littoral : jusqu'à 10 mètres de côte peuvent partir dans la mer quand la glace qui les soutient s'effondre.

La formation et l'évolution des matériaux fossiles :
On utilise actuellement dans le monde quasiment exclusivement des matériaux fossiles pour produire de l'énergie et notamment le pétrole pour les véhicules, le gaz pour l'électricité et la chaleur et le charbon pour l'électricité et l'industrie lourde nécessitant de très hautes températures. Ils sont tous les trois issus de processus assez semblables impliquant des végétaux. Ils se forment quand plusieurs conditions sont réunies :
- Une couverture végétale dense, proliférant dans un environement marécageux
- Des crues qui détruisent épisodiquement la forêt et concentrent les débris végétaux
- Une sédimentation épaisse qui enfouit les débris et empèche les processus normaux de décomposition
- L'accumulation des sédiments sur de grandes hauteurs, qui enfouissent les gisements en profondeur là où les pressions sont fortes et les températures élevées

Ces conditions étaient tout particulièrement réunies à la fin du carbonifère, dans les fossés tectoniques. De grande quantités de charbon ont ainsi été créées en Europe occidentale et dans l'est des états-unis d'amérique. Le pétrole lui est plutôt issu de boues sédimentaires, enfouies et isolées de manière similaire, et se trouve en grande quantité dans les delta des grands fleuves, prisonnier de poches salines sous l'océan. Le gaz est produit par la décomposition des végétaux en milieu anaérobie (sans oxygène), il accompagne toujours les veines de charbon et les poches de pétrole mais on peu aussi trouver des poches ne contenant quasiment que du gaz.

Les matières sont dites fossiles parce qu'elles se sont formées au fil du temps avec les mêmes processus que ceux qui ont produit des fossiles rocheux. On dit aussi que les matières fossiles ne sont pas renouvelables mais c'est faux, dans les régions qui y sont propices, de nouveaux gisements sont en cours de formation, cependant, le cycle temporel de création des ces matériaux est d'un point de vue humain éternel : des millions d'années... On considère donc que ces ressources ne sont pas renouvelables dans la mesure où nous les consommons 5 millions de fois plus vite qu'elles ne se produisent et que les zones de production, marécageuses, sont considérées comme "non productives" et la plupart du temps, asséchées. Production interompue, donc.

Ces matières riches en carbone emprisonnent une grande quantité de carbone dans la croûte terrestre. En brûlant ces matières nous renvoyons directement tout leur carbone du sol vers l'atmosphère mais même si nous ne détruisions pas les forêts, celles-ci ne pourraient pas absorber ce carbone qui est de toute manière éxédentaire. Ce carbone dans l'atmosphère est bel et bien une pollution (voir la défintion dans l'acte 2).