Le dioxyde de carbone (CO₂) a mauvaise presse. Il faut dire qu'il passe pour être un poison. C'est d'ailleurs une contrevérité. C'est le monoxyde de carbone (CO) qui est toxique, la dangerosité du CO₂ n'étant due qu'au risque d'asphyxie qu'entraine une trop forte teneur en CO₂ dans l'air.

Mais s'il est pointé du doigt, c'est surtout parce que c'est un gaz à effet de serre. Le CO₂ est transparent dans le domaine visible et ultraviolet mais il absorbe le rayonnement infrarouge. Il induit de ce fait un réchauffement de l'atmosphère, le rayonnement infrarouge produit par la Terre et l'activité humaine étant en partie bloqué par le CO₂ contenu dans l'air.

Anti-gel

Cet effet de serre est utile à petite dose. Sans effet de serre, la température moyenne de la Terre serait de -15 degrés Celsius ! Notre planète a d'ailleurs connu plusieurs épisodes sévères de glaciation. Le processus de glaciation a été étudié en long et en large par les géologues. Les simulations montrent que si, pour différentes raisons, la couverture glaciaire s'étend jusqu'à une latitude de 30 degrés environ le coefficient d'albedo de notre planète (la proportion d'énergie solaire réfléchie) descend en dessous d'un seuil en-deçà duquel le processus de glaciation devient irréversible. La Terre est alors entièrement recouverte par les glaces, ce qui explique la présence de traces de glacier dans des régions proches de l'équateur. On parle alors de Terre boule de neige (snow ball en anglais).

Cette glaciation complète de la surface de la Terre n'interrompt pas l'activité volcanique. Au bout de plusieurs millions, voire dizaines de millions d'années le CO₂ rejeté dans l'atmosphère par les volcans restaure un effet de serre suffisant pour retenir en partie l'énergie du rayonnement solaire. La fonte des glaciers commence, ce qui diminue l'albedo : le processus s'emballe dans l'autre sens. Il y aurait eu deux épisodes majeurs de Terre boule de neige au cours des 4,5 milliards d'années d'existence de notre planète, ainsi que plusieurs épisodes de glaciation de moindre ampleur.

La Terre a trouvé aujourd'hui un certain équilibre thermique. Comme nous le verrons plus bas cet équilibre est fragile et il nous appartient de prendre les mesures nécessaires pour le préserver.

Propriétés physiques et chimiques du dioxyde de carbone

La molécule de dioxyde de carbone est constituée d'un atome de carbone qui entretient deux doubles liaisons covalentes avec des atomes d'oxygène (O=C=O). C'est une molécule très stable.

A la pression atmosphérique sa température de fusion est de -78,5° C et sa température d'ébullition de -56,6° C. Dans sa phase solide, on trouve le CO₂ sous la forme de neige carbonique ou de glace carbonique.

Le CO₂ est soluble dans l'eau :

La molécule H₂CO₃ est un acide, l'acide carbonique. C'est la dissolution du CO₂ par l'humidité présente dans l'atmosphère qui est à l'origine des pluies acides. La présence d'acide carbonique dans l'eau se traduit par un équilibre entre acide, ion hydrogénocarbonate et ion carbonate :

(Lorsque le pH est équilibré, l'ion hydrogénocarbonate HCO3^- est prédominant.) L'acide carbonique réagit avec les silicates :

Par ailleurs l'ion carbonate précipite avec le calcium pour donner du carbonate de calcium :

Le carbonate de calcium ainsi formé se dépose au fond de l'océan et forme des sédiments calcaires. Le CaCO3 se retrouve également dans la biomasse marine sous forme de coquille ou de squelettes d'animaux marins.

La réduction du dioxyde de carbone est possible en présence d'un catalyseur ou sous l'action d'une enzyme associée à un métal. Elle donne un alcool (molécule comportant un groupe hydroxyle -OH) ou un acide carboxylique (terminaison -COOH) :

Histoire du CO₂

La concentration de CO₂ dans l'atmosphère à l'origine de la Terre est un sujet de débat parmi les scientifiques. Les « archives » des géologues (les fossiles) ne remontent pas jusqu'à cette époque puisqu'il n'y avait pas encore d'organismes vivants. Si l'on se réfère aux proportions de gaz présents dans le milieu interstellaire, le CO₂ ne devait constituer qu'une faible partie de l'atmosphère primitive. Le méthane (CH4) et l'ammoniac (NH3) devait être beaucoup plus abondants. Cependant, dans la fournaise de la jeune Terre, le méthane a probablement réagi avec les oxydes de fer pour donner de l'eau et du dioxyde de carbone :

L'activité volcanique intense à cette époque a également conduit à une libération massive de CO₂. De fait les planétologues et les géologues supposent que le dioxyde de carbone s'est très rapidement imposé comme la composante principale de l'atmosphère terrestre. Or, comme nous l'avons dit, le CO₂ est un gaz à effet de serre. Dans ces conditions, et bien que la puissance du rayonnement solaire de l'époque soit inférieure à sa valeur actuelle, la température à la surface de la Terre devait être suffisamment élevée pour entretenir un fort taux d'humidité. Cette humidité ambiante se chargeait de CO₂ avant de retomber sous forme de pluie acide. (On peut supposer que du CO₂ a également été capté à la surface des océans : encore aujourd'hui les couches supérieures des océans ont la capacité de stocker des dizaines de milliers de gigatonnes de CO₂ à l'état dissous.)

Le cycle précipitation / évaporation a permis d'absorber en quelques dizaines ou centaines de millions d'années une grande partie du CO₂ atmosphérique. Le ruissellement de l'eau de pluie chargée d'acide carbonique a mis celui-ci en contact avec le silicate contenu dans la croûte terrestre. Or, comme cela a été indiqué plus haut, l'acide carbonique réagit avec les silicates pour donner de la silice, de l'eau et des ions hydrogénocarbonates. Les rivières ont entrainé ces ions dans l'océan où ils se sont mêlés aux ions provenant de la captation directe de CO₂. Le carbonate a alors précipité avec des ions calcium pour former des roches calcaires qui se sont déposées au fond de l'eau et ont sédimenté. L'eau débarrassée du CO₂ s'évapore et le cycle recommence. Le fond des océans est effectivement recouvert d'une épaisse couche de calcaire. La subduction en a entraîné une partie dans le manteau. A d'autres endroits, le mouvement des plaques tectoniques l'a fait émerger sous forme de falaises ou de massifs calcaires. L'ampleur de ces falaises et massifs (pourtant érodés) donne une idée de la quantité phénoménale de CO₂ séquestrée par ce processus géologique de très long terme. On estime aujourd'hui à 50 millions de gigatonnes la masse de CO₂ piégée dans la lithosphère océanique !

Ce processus a conduit, après des centaines de millions d'années, à une baisse significative de la teneur en CO₂ de l'atmosphère terrestre. L'azote est alors devenu le gaz le plus abondant dans l'atmosphère. Mais le CO₂ n'avait pas dit son dernier mot... C'est comme source d'énergie des organismes vivants qu'il va intervenir.

Il y a 3,7 milliards d'années sont en effet apparus les premiers organismes vivants : des microorganismes méthanogènes. On a retrouvé des fossiles de microorganismes de ce type dans des strates géologiques vieilles de plus de 3,5 milliards d'années. Ces microorganismes consomment du CO₂ qu'ils réduisent avec de l'hydrogène. Plusieurs réactions peuvent intervenir, soit directement à partir de CO₂, soit à partir de dérivés obtenus par hydrogénation :

Cette réaction fait intervenir de l'hydrogène. L'hydrogène sulfuré (H2S) peut produire des réactions similaires. On suppose que ces réactions se sont produites dans l'océan, de préférence à côté de cheminées volcaniques. Ceci a conduit à augmenter la teneur en méthane de l'atmosphère et des océans. Un méthane plus abondant a permis une plus grande diversité de molécules organiques (la présence d'argile et de sulfures ayant sans doute joué un rôle prépondérant). Puis, il y a 2,5 milliards d'années sont apparus des microorganismes mettant en Å“uvre une autre forme de métabolisme : les cyanobactéries.

Photosynthèse

Les cyanobactéries pratiquent la photosynthèse. La photosynthèse consiste en une réduction du CO₂ par l'eau en utilisant l'énergie solaire captée par la chlorophylle (une molécule organique comportant un atome de magnésium). La photosynthèse produit des oses (des sucres comme le glucose) et du dioxygène O2. La photosynthèse est un processus complexe :

• Des molécules captent la lumière pour produire deux types d'enzymes.
• Ces enzymes permettent ensuite à l'eau de réagir avec le CO₂ qui a été fixé au préalable sur un composé phosphaté. Elles apportent l'énergie (sous forme d'électrons excités électriquement) et le pouvoir réducteur nécessaires à la réaction.

Les glucides produits par la photosynthèse sont en partie transformés en lipides par le métabolisme de ces organismes.

Le CO₂ transformé par la photosynthèse enrichit la biomasse (masse totale des organismes vivants de toute nature). Une partie de ce CO₂ est libérée rapidement et retourne au milieu ambiant (décomposition). Une autre partie de ce CO₂ est fossilisée ou enfouie dans les tourbières. Les tourbières du carbonifère sont à l'origine de nos gisements d'énergie fossile.

La photosynthèse va bouleverser l'équilibre atmosphérique. Dans un premier temps la photosynthèse est l'apanage des cyanobactéries, des microorganismes de la classe des archées. Elles se développent de façon exponentielle. Le CO₂ qu'elles captent est fossilisé sous la forme de structures laminaires calcaires, les stromatolithes dont on trouve de nombreuses traces dans les fonds marins peu profonds. L'activité des cyanobactéries se prolonge pendant des dizaines de millions d'années. Elle conduit à une nouvelle baisse de la teneur en CO₂ et à l'oxygénation de l'atmosphère.

L'oxygénation a des effets multiples : développement de nouvelles formes de vie de plus en plus complexes, apparition de la couche d'ozone qui protèges les organismes des effets délétères des UV solaires, mise en place d'un nouvel équilibre thermique à la surface de la Terre. Les microorganismes méthanogènes étant pour la plupart anaérobies ont trouvé refuge sous terre, dans les fonds marins ou à l'intérieur d'organismes vivants plus complexes. Des organismes multicellulaires se sont en effet développés qui mettent en Å“uvre un métabolisme encore plus élaboré. Cette fois, c'est le pouvoir oxydant de l'oxygène qui est utilisé comme source d'énergie. Ces organismes se nourrissent des organismes photosynthétiques (que l'on peut qualifier de végétaux ou du moins de proto-végétaux) et absorbent l'oxygène de l'air pour oxyder les lipides et les glucides qu'ils contiennent. Ce processus produit de l'eau, du CO₂ et des molécules à fort pouvoir réducteur (des nucléotides comme l'ATP, l'adénosine triphosphate, une molécule essentielle à la locomotion et à la division cellulaire). Le CO₂ est rejeté dans l'atmosphère ou dans l'eau dans le cas d'animaux marins.

Le cycle du carbone aujourd'hui

Le terme de cycle du carbone recouvre en fait une multiplicité de processus interdépendants avec des temps de cycle très différents. Certains de ces processus conduisent à une séquestration plus ou moins importante et plus ou moins longue du CO₂. D'autres tournent en boucle. Ils fonctionnent selon deux modes principaux :

• le mode photosynthétique,
• le mode acide.

Le cycle marin combine ces deux modes.

La voie photosynthétique repose sur le principe de la photosynthèse décrit plus haut. Le CO₂ est capté par les plantes et augmente la biomasse végétale. A partir de là, la voie photosynthétique se ramifie :

• une partie de la biomasse végétale se décompose et libère du CO₂ ou du méthane qui s'échappent dans l'atmosphère,
• une partie est enfouie dans les tourbières,
• une partie est consommée par le règne animal (elle augmente la biomasse animale).

Au demeurant, la biomasse animale connaît le même sort que la biomasse végétale : décomposition, enfouissement ou absorption par des prédateurs.

La voie acide a été décrite plus haut : dissolution du CO₂ par l'humidité ambiante, pluie acide, ruissellement, réaction avec les silicates, précipitation du calcaire… Elle aboutit à une séquestration du CO₂ sous forme de carbonate de calcium. La subduction entraîne le calcaire sous le manteau et, au bout d'un temps indéterminé, du CO₂ peut être rejeté dans l'atmosphère lors d'une éruption volcanique.

Le cycle marin est complexe. La surface de l'océan peut absorber du gaz carbonique ou en restituer par évaporation en fonction du gradient de température entre l'eau et l'air, de la pression de CO₂ dans l'air, de la teneur de l'eau en acide carbonique et d'autres paramètres... Une quantité non négligeable de CO₂ est stockée dans les couches supérieures de l'océan (environ 40000 Gigatonnes selon les estimations). Cette quantité reste à peu près constante, l'absorption compensant l'évaporation et la sédimentation (voir plus bas). Le CO₂ dissous dans les couches supérieures de l'océan entretient l'activité photosynthétique des algues et contribue à la biomasse marine (principalement due au plancton).

Comme nous l'avons mentionné plus haut, le CO₂ dissous dans l'eau libère des ions carbonates et ceux-ci précipitent avec les ions calcium pour donner du calcaire. Une partie de ce calcaire se dépose au fond de l'océan et sédimente. Une autre partie est absorbée par les animaux marins pour constituer leur coquille ou leur squelette. Ce calcaire est donc intégré à la biomasse marine. Lorsque ces animaux marins meurent, le calcaire n'est pas décomposé et il rejoint les sédiments d'origine purement minérale au fond de l'océan. C'est la raison pour laquelle les roches calcaires comportent de nombreux morceaux de coquillage (et parfois des fossiles entiers).

Le CO₂, un composé indispensable à la vie ?

Au terme de cette rapide présentation des propriétés du dioxyde on est loin de ce poison de notre existence si souvent décrit. Bien au contraire, le CO₂ joue un rôle essentiel dans l'équilibre du vivant.

En premier lieu, la teneur de l'atmosphère en CO₂ (et du méthane dont le cycle est très lié à celui du carbone) joue un rôle de thermostat à l'échelle de la Terre. Une teneur trop basse et c'est la glaciation assurée. Un excès de CO₂ et on risque un emballement thermique (fonte des glaciers, diminution de l'albedo, accroissement du réchauffement...). La planète Vénus a connu un emballement de ce type. Vénus est, en apparence, la sÅ“ur jumelle de la Terre mais elle est recouverte d'une atmosphère pesante (la pression est supérieure à 90 atmosphères) constituée à 96% de gaz carbonique. Cette atmosphère épaisse entretient un effet de serre brûlant (465° à la surface) qui interdit à toute forme de vie de se développer. Au demeurant, il n'y a pas de trace d'eau à la surface et il y a très peu de molécules H2O dans l'atmosphère.

Mais le CO₂, c'est également un composant clef de la chimie du vivant. Il joue un rôle déterminant dans deux chaînes métaboliques essentielles : celle des organismes méthanogènes et celle, beaucoup plus élaborée, de la photosynthèse. Or, c'est la photosynthèse qui renouvelle l'oxygène que nous consommons et qui entretient la croissance des plantes et des algues qui sont à la base de la chaîne alimentaire.

L'équilibre thermique et biologique de notre planète est le produit de cycles interdépendants dont la mise en place a pris des centaines de millions d'années. L'activité humaine (déforestation, rejet de CO₂ par combustion d'énergie fossile) modifie les paramètres qui conditionnent cet équilibre. Celui-ci sera-t-il assez robuste pour s'ajuster ou le point de non-retour est-il atteint ? La question est posée et il n'est plus possible de dire que nous n'avons pas été prévenus. C'est l'un des principaux défis que devra relever l'humanité au XXIème siècle.