Etude des puits de CO2

Atelier scientifique
au Lycée Mansart

Réchauffement climatique
causes et conséquences

Année 2007-2008 :
les vendredi de 16 à 18h en salle 216

Etude des puits de carbone

La modélisation mathématique réalisée par les premières S avec l'aide de Marc Jamous du LSCE a mis en évidence une régulation naturelle qui capte la moitié du CO2 émis par les activités humaines. Ces puits de carbone existent dans la nature, ce sont des réservoirs qui piègent le CO2 atmosphérique. Nous avons choisi d'étudier expérimentalement deux puits de carbone.

Premier type de puits: la plante verte ou végétal chlorophyllien

Protocole : Nous avons utilisé trois serres en plastique à couvercle étanche, remplies de façon identique. Chacune contient 1kg de sable propre, 500ml de liquide de KNOP contenant tous les sels minéraux dont une plante peut avoir besoin, un lot de 2 ou 3 plants de chlorophytum dont le poids de chaque lot est identique (88gr de racines et feuilles de même taille). Ces 3 serres sont rangées dans une armoire de culture in vitro qui maintiendra l'éclairage et la chaleur constante. Comme les plantes vont passer les 15jours de vacances de Noël dans un labo obscure et froid, c'est nécessaire.

Une des serres est le témoin. Elle contient uniquement les facteurs déjà cités.

La deuxième serre est privée de CO2 atmosphérique par ajout d'un flacon planté dans le sable. Ce flacon ouvert contient des pastilles de potasse qui absorbent le CO2 .
2KOH + CO2 = K2CO3 + H2O
Les pastilles deviennent liquides.

La troisième serre contient une atmosphère en enrichie en CO2 . Nous avons d'abord produit du CO2 en faisant tomber de l'acide chlorhydrique sur des petits morceaux de craie et nous avons vu les bulles monter dans le tube à essai et repousser l'eau.
Ensuite, nous avons soulevé délicatement le tube et mis le pouce dessous pour le boucher avant de le sortir de l'eau. Puis nous avons placé ce tube au dessus de la trappe ouverte de la serre et enlevé le pouce. Comme le CO2 est plus dense que l'air, il est descendu dans la serre.

On a mesuré le pourcentage de CO2 présent dans l'atmosphère des serres au début de la mise en culture puis nous avons soigneusement refermé les trappes.

Les 3 serres ont été placées à la lumière et à 20°C dans l'armoire de culture, elles y sont restées 3 semaines.

Le vendredi d'après les vacances de Noël, nous avons de nouveau mesuré le pourcentage de de dioxyde de carbone dans chacune des trois serres,

Ensuite nous avons sorti les plantes pour les peser. Il a fallu les passer à l'eau car de nombreux grains de sable humide restaient accrochés aux racines.
Résultats obtenus :

	serre témoin	serre sans CO2	serre avec ajout de CO2
poids de chlorophytum au départ	87 gr	87 gr	87 gr
[CO2] au départ, en % d'atmosphère	0,02%	0%	5,18%
poids de chlorophytum 3 semaines après	107 gr	58,8 gr	147 gr
[CO2] 3 semaines après, en % d'atmosphère	0,01%	0,01%	1%

Interprétation :
Dans la serre témoin, les plantes ont pris 20gr.
Il y a de nouveau un peu de CO2 dans la deuxième serre, la potasse est complètement liquéfiée et ne doit plus rien absorber, aussi peut-on supposer que c'est du CO2 fourni par la respiration de la plante. Les plantes sont moins fournies qu'au départ : ce sont les racines surtout qui ont maigri. Le lot a perdu 28,2gr. Le CO2 est donc indispensable à la croissance de la plante par photosynthèse. La plante a consommé ses réserves de glucose (C6H12O6) en respirant.
Les plantes vertes ont bien poussées en présence de CO2. Elles ont pris 40 grammes de plus que les plantes témoins. Mais la croissance n'a pas été proportionnelle à la concentration. Peut-être y avait-il d'autres facteurs limitant la croissance comme l'énergie lumineuse, sels minéraux...
Nous avons voulu savoir combien de moles de CO2 notre plante avait absorbé. Sachant que les plantes fabrent toujours du glucose par photosynthèse qu'elles transforment ensuite en d'autres molécules organiques, on peut simplifier le calcul en disant que tout le poids gagné est du glucose.
Par définition, une mole de molécules contient 6,02.10²³ molécules. Le nombre N = 6,02.10²³ est appelé nombre d' Avogadro. Il faut d'abord calculer la masse molaire du glucose dont on cognait la formule brute: il suffit d'ajouter les masses atomiques de ses éléments:
Masse Molaire du glucose = ( 6x12) + (12x1) + (6x16) = 180gr
Alors dans la troisième serre, la plante a fabriqué 40gr, soit 22% d'une mole de glucose.

D'après le bilan de la photosynthèse, la quantité de CO2 absorbé ferait 6x22% d'une mole de CO2 absorbé.
Masse Molaire du CO2 = 12 + (2x16) = 44gr
22% de 6 x 44gr = 22% de 264 gr = 58gr
C'est impressionnant, sachant que une mole de CO2 contient 6,02.10²³ molécules!

Remarque: ce résultat ne tient pas compte de la respiration car les 2 bilans s'annulent l'un l'autre: il y a autant de CO2 consommé par photosynthèse que de CO2 rejeté par respiration, il y a aussi autant de glucose fabriqué par photosynthèse que consommé par respiration en un temps donné. Dans la serre 2, la respiration est seule présente alors que dans la serre 3 la photosynthèse est supérieure à la respiration.

Conclusion:
Combien de forêts planter pour compenser nos émissions de gaz carbonique? Difficile à dire car:
- Une forêt est un puits de carbone uniquement quand elle est jeune, puis à maturité, la respiration équilibre la photosynthèse.
- Une forêt à la place de champs absorbe plus de CO2 mais une forêt à la place d'un pré absorbe moins de CO2!
- En supposant qu'un hectare de forêt nouvellement plantée absorbe 2tonnes de carbone par an, il faudrait planter environ 1.500.000.000hectares de forêts , en remplaçant des terres agricoles, pour que, avec des émissions restant en outre au niveau de 1990, les concentrations de CO2 dans l'atmosphère n'augmentent pas. Pour fixer les idées, cela représente la plantation d'un huitième des terres émergées, ou encore environ 2 fois le Sahara, ou encore 30 fois la superficie de la France. Utopique avec la faim dans le Monde, non? (valeurs trouvées sur http://www.manicore.com/documentation/serre/forets.html )

Un peu déçus, nous nous tournons vers notre deuxième puits de dioxyde de carbone:

Deuxième type de puits: l'océan

Nous avons recherché une recette pour faire de l'eau de mer. Il en existe beaucoup pour ceux qui élèvent des poissons en aquarium. Nous avons choisi une recette assez complète, tout en ne mettant pas les sels minéraux cités à moins de 0,1gr/L.

Recette pour 1L d'eau de mer :

ingrédients	grammes
Eau distillée	965
Chlorure de sodium	27
Chlorure de magnésium	5,4
Sulfate de magnésium	1,2
Sulfate de calcium	0,8
Chlorure de potassium	0,4
Carbonate de calcium	0,2

Nous avons réalisé notre recette en pesant chaque constituant avec la balance de précision.

Protocole 1 : Pour tester le rôle des ions, nous préparons 3 erlenmeyers de 250ml:
- 1 = eau de mer sans sulfate ni carbonate de calcium
- 2 = témoin = eau de mer type recette
- 3 = eau de mer avec 2 fois plus de sulfate etcarbonate de calcium

Nous avons soufflé en chronométrant pour essayer d'ajouter une quantité équivalente de CO2 dans chacun des 3 erlenmeyers.

Avant de souffler, l'eau était limpide. Après:

Résultats	n°1	n°2	n°3
précipité blanc	faible	moyen	fort
pH	6,4	6,8	6,9

Interprétation: Le carbone contenu dans l'air expiré sous forme de CO2 se dissout dans l'eau de mer contenu dans l'erlenmeyer, sous forme d'ion carbonate CO3^2- ou d'ion hydrogénocarbonate HCO3^-. Il y réagit avec les ions calcium Ca²⁺ formés lors de la dissolution du sulfate de calcium et du carbonate de calcium, pour former du carbonate de calcium CaCO3 qui précipite en une poussière blanche puis se dépose lentement au fond. Plus l'eau de mer est riche en ions calcium, plus la précipitation est importante donc la capture de CO2 aussi.
Le carbone contenu dans l'atmosphère sous forme de CO2 se dissout lentement dans l'hydrosphère (océans, mers, nappes phréatiques). Il y réagit avec les ions calcium pour former du carbonate de calcium CaCO3 qui précipite et se dépose au fond des océans. Les roches sédimentaires calcaires ainsi créées sont intégrées dans la lithosphère (croûte + partie superficielle du manteau supérieur).

Nous avons constaté que le pH de l'eau varie en même temps que la concentration en CO2. Du CO2 juste dissout acidifie l'océan sous forem de H2CO3 puis il se déplace jusqu'à être ion carbonate et précipite en calcaire. C'est une méthode pratique de mesure du CO2, qui demande cependant d'avoir un pH-mètre assez précis et un tableau de correspondance.

Conclusion du premier protocole: "L’Homo industrialis n’occupe la terre que depuis 200 ans mais il a constamment accru sa consommation de charbon et de pétrole et produit des quantités considérables de béton. Les océans sont des puits très efficaces. Selon un article publié en juillet dernier dans Science, les océans ont absorbé 118 millions de tonnes de dioxyde de carbone atmosphérique au cours des deux derniers siècles, soit environ le tiers de leur capacité à long terme. Un colloque organisé en mai dernier par la Commission océanographique intergouvernementale de l’UNESCO a estimé que l’humanité pourrait avoir à payer très cher ce service. Leur forte teneur en CO2 rend les océans plus acides et on constate que cela commence à produire des effets négatifs sur la vie marine: les coraux, les mollusques ptéropodes, certaines espèces de plancton et peut-être même certains poissons, qui pourraient connaître des problèmes de reproduction ou d’asphyxie. Cela serait catastrophique pour les industries de la pêche et du tourisme du monde entier. En outre, avec la saturation progressive des eaux de surface en carbone, l’océan pourrait réduire sa capacité à servir de puits. S’il absorbait moins de carbone, c’est l’atmosphère qui en retiendrait davantage, ce qui accélérerait le réchauffement de la planète. (Voir http://www.unesco.org/science/awos/edito_fr09.shtml )

Une autre question, peut-être plus pressante, se pose : comment ces teneurs plus élevées de CO2océanique vont-elles affecter les écosystèmes marins ? En se dissolvant dans l’eau, le CO2 réduit le pH de l’eau et la rend plus acide. Depuis le début de la révolution industrielle, le pH a baissé, au plan mondial, de 0,12 unités de pH. Si ce taux n’est pas vraiment alarmant, la rapidité de son changement et sa tendance continue à la baisse sont inquiétants. À notre connaissance, les océans n’ont jamais subi une acidification aussi rapide. D’ici à la fin du siècle, si la concentration du CO2 atmosphérique continue à croîtrede façon exponentielle, nousdevrons nous attendre à constater une multiplication par trois de cette variation du pH et par 100 de sa vitessed’augmentation par rapport aux périodes de transition entre les ères glaciaires et interglaciaires. Il est probable que la planète n’a pas connu de si grandes modifications du pH océaniquedepuis 21 millions d’années.

Protocole 2: Pour tester l'influence de la température, nous préparons 3 erlenmeyers de 250ml:

1 = eau de mer à température ambiante de 19°C
2 = eau de mer à 16°C (sur un bac de glaçon)
3 = eau de mer à 22°C (sur une plaque tiède)

Cette fois, nous avons produit le CO2 à l'aide d'une bougie glissée allumée sous le bouchon. Elle s'éteint au bout de 10 secondes. Nous la sortons rapidement, refermons l'erlenmeyer et procédons de même pour les 2 autres erlenmeyers.

Résultats: La bougie a produit une quantité de CO2 équivalente dans chaque erlenmeyer, mais cette quantité est plus faible que quand on avait soufflé dans le protocole 1, aussi voit-on moins bien les précipités.
L'importance du précipité indique une influence de la température: plus l'eau est chaude, moins on observe de précipité.
Nous avons mesuré par pH-métrie la concentration en CO2: nous obtenons pH = 6,85 pour le 1, pH = 7,05 pour le 2 et pH = 7,04 pour le 3.

Interprétation: L'eau de mer qui se réchauffe "dégaze" une partie du CO2 dissous qu'elle contient ce qui diminue les capacités de ce puits de carbone. Moins elle contient de gaz dissout et moins elle peut transférer le CO2 atmosphérique en ion puis en roche calcaire. Le réchauffement climatique ne va pas arranger les chose, cela tient plus du cercle vicieux...

Conclusion du deuxième protocole:
L'influence des activités humaines a conduit l'océan de surface à émettre 20 milliards de tonnes de carbone par an en plus de ce qu'il émettait en 1750 (flèche rouge vers le haut), essentiellement à cause de l'augmentation de sa température de surface (une eau océanique qui se réchauffe "dégaze" une partie du CO2 dissous qu'elle contient), mais aussi à absorber 22,2 milliards de tonnes de carbone par an en plus de ce qu'il absorbait en 1750, en réponse à l'augmentation de la concentration atmosphérique en CO2 (plus de CO2 dans l'air "pousse" plus fort le CO2 à se dissoudre dans l'eau de l'océan)!
Le puit de CO2 océanique, c'est aussi le phytoplancton, c'est à dire les micro-végétaux de l'océan. Et malheureusement, plus il y a de CO2 dans l'air, plus il y en a dans l'eau de mer, et le CO2 acidifie l'eau de mer en s'y dissolvant. Hors, plus on acidifie l'eau, moins le phytoplancton pousse!! En deçà d'un certain pH, ça serait même complètement terminé, on aurait tué le puit de carbone le plus important qui est aussi le premier producteur de dioxygène de la planète: mortel...

Conclusion générale: Les échanges de molécules carbonées créent un cycle du carbone qui circule d'un réservoir à l'autre. Il existe 4 grands réservoirs terrestres: biosphère (animaux et végétaux), lithosphère (roches), hydrosphère (eau à l'état liquide et solide) et atmosphère (azote, dioxygène, gaz à effet de serre (H2O, CO2, CH4)... Les puits que nous avons testés sont intéressants car ils agissent rapidement, à échelle humaine. Le stockage de carbone par la lithosphère est beaucoup plus lent, il se déroule à l'échelle géologique. La lithosphère relâche du carbone selon deux processus : le volcanisme qui libère brutalement une quantité importante de carbone sous forme de CO2, et l'érosion qui libère constamment le carbone contenu dans les roches. Les feux de forêts (combustion de matière organique) et le chauffage urbain par combustion de matière organique fossile (pétrole, gaz, charbon) participent activement à l'apport de CO2 dans le réservoir atmosphérique.

Pour en savoir plus, consultez le site de Jussieu présentant le cycle du carbone et l'effet de serre avec de bonnes animations: http://cycleducarbone.ipsl.jussieu.fr/content/category/3/3/6/