Thème 4.3 Le cycle du carbone Idée Essentielle: la disponibilité permanente de carbone dans les écosystèmes dépend du cycle du carbone

Nature de la science L’obtention de mesures quantitative précises : il est important d’obtenir des données fiables sur la concentration du dioxyde de carbone et du méthane dans l’atmosphère. (3.1) Notions-Clés 4.3 N1 Les autotrophes convertissent le dioxyde de carbone en glucides et en autres composes carbones. 4.3 N2 Dans les écosystèmes aquatiques, le carbone est présent sous la forme de dioxyde de carbone dissous et d’ions de carbonate d’hydrogène. 4.3 N3 Le dioxyde de carbone diffuse de l’atmosphère ou de l’eau aux autotrophes. 4.3 N4 Le dioxyde de carbone est produit par la respiration et il diffuse des organismes à l’eau ou à l’atmosphère 4.3 N5 Le méthane est produit à partir de matière organique dans des conditions anaérobies par des archéens méthanogènes et une certaine quantité se diffuse dans l’atmosphère ou s’accumule dans le sol.

Nature de la science L’obtention de mesures quantitative précises : il est important d’obtenir des données fiables sur la concentration du dioxyde de carbone et du méthane dans l’atmosphère. (3.1) Notions-Clés 4.3 N6 Le méthane est oxydé en dioxyde de carbone et en eau dans l’atmosphère. 4.3 N7 Il y a formation de tourbe quand la matière organique n’est pas totalement décomposée en raison de conditions acides et/ou anaérobies dans des sols engorges d’eau. 4.3 N8 La matière organique partiellement décomposée datant d’ères géologiques antérieures a été convertie soit en houille, soit en pétrole et en gaz qui s’accumulent dans les roches poreuses. 4.3 N9 Du dioxyde de carbone est produit par la combustion de la biomasse et de la matière organique fossilisée. 4.3 N10 Les animaux tels que le corail hermatypique et les mollusques possèdent des parties dures composées de carbonate de calcium qui peuvent se fossiliser dans les roches calcaires.

Nature de la science L’obtention de mesures quantitative précises : il est important d’obtenir des données fiables sur la concentration du dioxyde de carbone et du méthane dans l’atmosphère. (3.1) Compétences et Applications 4.3 A1 L’estimation des flux de carbone en raison des processus du cycle du carbone. Les flux de carbone doivent etre mesures en gigatonnes 4.3 A2 L’analyse des données obtenues par les stations de contrôle de l’air pour expliquer les fluctuations annuelles. 4.3 C1 Construire un diagramme représentant le cycle du carbone.

4.3.S1 Construct a diagram of the carbon cycle. 4.3.C1 Construire un diagramme représentant le cycle du carbone 4.3.S1 Construct a diagram of the carbon cycle. Carbon cycle diagrams vary greatly in the detail they contain. This one shows not only the sinks and the flows, but also estimates carbon storage and movement in gigatons/year. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Diagram_showing_a_simplified_representation_of_the_Earth%27s_annual_carbon_cycle_%28US_DOE%29.png

4.3.S1 Construct a diagram of the carbon cycle. 4.3.C1 Construire un diagramme représentant le cycle du carbone Carbon compounds in fossil fuels CO2 in the atmosphere and hydrosphere (oceans) Carbon compounds in producers (autotrophs) Carbon compounds in consumers Carbon compounds in dead organic matter

4.3.S1 Construct a diagram of the carbon cycle. 4.3.C1 Construire un diagramme représentant le cycle du carbone Carbon compounds in fossil fuels CO2 in the atmosphere and hydrosphere (oceans) Carbon compounds in producers (autotrophs) Carbon compounds in consumers Carbon compounds in dead organic matter

4.3.S1 Construct a diagram of the carbon cycle. 4.3.C1 Construire un diagramme représentant le cycle du carbone Utilisez cette vidéo pour vous aider à pratiquer les dessins* CO2 in the atmosphere and hydrosphere (e.g. oceans) http://youtu.be/CitOibRcCcI Cell respiration Combustion Cell respiration Photosynthesis Feeding Carbon compounds in fossil fuels Carbon compounds in dead organic matter Feeding Carbon compounds in producers (autotrophs) *Ceci est une bonne ressource, mais il y a une erreur dans la vidéo - le carbone est égéré lorsqu’il n’est pas digéré par un organisme, ni excrété.

4.3.S1 Construct a diagram of the carbon cycle. 4.3.C1 Construire un diagramme représentant le cycle du carbone Carbon compounds in fossil fuels CO2 in the atmosphere and hydrosphere (oceans) Extend your understanding: Between which sinks would you add a flux showing volcanoes and the weathering of rocks? What additional sink would you add to show the role of corals and shellfish? What additional flux would be needed? In some environments water is unable to drain out of soils so they become waterlogged and anaerobic. This prevents the decomposition of dead organic matter forming peat deposits [4.3.U7]. Peat can be dried and burnt as a fuel. Suggest how peat could be added to the carbon cycle. Explain why fossil fuels are classified as non-renewable resources when the carbon cycle indicates they are renewed (hint: refer to the pictorial carbon cycle). Diffusion is a flux that moves CO2 from the atmosphere to the hydrosphere and back again. Taken together these fluxes are largest in the cycle suggest why. Carbon compounds in producers (autotrophs) Carbon compounds in consumers Carbon compounds in dead organic matter

complex carbohydrates e.g. starch, cellulose lipids amino acids 4.3.U1 Autotrophs convert carbon dioxide into carbohydrates and other carbon compounds. 4.3.N1 Les autotrophes convertissent le dioxyde de carbone en glucides et en autres composes carbones All autotrophs however convert carbon dioxide (from the atmosphere or dissolved in water) or into organic compounds. Plant initially synthesis sugars (e.g. glucose) which are then converted into other organic compounds such as: complex carbohydrates e.g. starch, cellulose lipids amino acids n.b. Although most autotrophs fix carbon by photosynthesis. A few are Chemoautotrophs and fix carbon by utilising the energy in the bonds of inorganic compounds such as hydrogen sulfide. http://www.earthtimes.org/newsimage/photosynthesis-dream-renewable-energy_1_02842012.jpg http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Plagiomnium_affine_laminazellen.jpeg

4.3.N2 Dans les écosystèmes aquatiques, le carbone est présent sous la forme de dioxyde de carbone dissous et d’ions de carbonate d’hydrogène Some CO2 will directly dissolve in water, but most will combine with water to become carbonic acid. Both dissolved carbon dioxide and hydrogen carbonate ions are absorbed by aquatic plants and other autotrophs that live in water. H+ ions explains how carbon dioxide reduces the pH of water. CO2 + H2O → H2CO3 → H+ + HCO3– http://www.chemistryland.com/CHM107Lab/Exp05_CO2/Lab/CO2intoOcean.jpg

4.3.N3 Le dioxyde de carbone diffuse de l’atmosphère ou de l’eau aux autotrophes 4.3.U3 Carbon dioxide diffuses from the atmosphere or water into autotrophs Plants must have a constant supply of carbon dioxide (CO2) to continually photosynthesise CO2 moves through stomatal pores in the leaves of land plants* CO2 from outside the leaf diffuses down the concentration gradient into the leaf High CO2 Concentration gradient Low atmosphere or water Photosynthesis uses CO2 keeping the concentration of CO2 inside the leaf low Inside the leaf atmosphere or water Transverse section of parsnip leaf (Pastinaca sativa) *Some aquatic plants, e.g. water lilies have stomata, but in many fully submerged plants plants diffusion happens directly through the surface tissues. http://www.kbg.fpv.ukf.sk/studium_materialy/morfologia_rastlin/webchap10epi/web10.3-6.jpg

4.3.N4 Le dioxyde de carbone est produit par la respiration et il diffuse des organismes à l’eau ou à l’atmosphère Organisms carry out respiration to release energy in the form of ATP. Carbon dioxide is a waste product of cell respiration In terms of the carbon cycle three main categories of organisms carry out respiration: autotrophs, e.g. plants heterotrophs, e.g. animals saprotrophs and decomposers, e.g. fungi and bacteria http://ib.bioninja.com.au/_Media/cell_respiration_summary.jpeg

Once dried peat burns easily and can be used as a fuel. 4.3.U7 Peat forms when organic matter is not fully decomposed because of acidic and/or anaerobic conditions in waterlogged soils. 4.3.N7 Il y a formation de tourbe quand la matière organique n’est pas totalement décomposée en raison de conditions acides et/ou anaérobies dans des sols engorges d’eau Partially decomposed organic matter can be compressed to form brown soil-like peat Once dried peat burns easily and can be used as a fuel. Peat is a highly effective carbon sink, it is estimted that the world’s peat contains 550 Gt of carbon (International Mire Conservation Group, 2007-01-03) Toppila Peat-Fired Power Plant in Oulu, Finland http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Toppila_power_plant.JPG http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Peat-bog-Ireland.jpg

Respiration aérobique ont besoin d’oxygène 4.3.N7 Il y a formation de tourbe quand la matière organique n’est pas totalement décomposée en raison de conditions acides et/ou anaérobies dans des sols engorges d’eau 4.3.U7 Peat forms when organic matter is not fully decomposed because of acidic and/or anaerobic conditions in waterlogged soils. Dans les sols, la matière organique, ex. feuilles mortes, sont digérés par les bactéries saprotrophes et les champignons. Les saprotrophes assimilent une partie du carbone pour la croissance et relâche du dioxyde de carbone durant la respiration aérobique Respiration aérobique ont besoin d’oxygène Les saprotrophes et les méthanogènes [4.3.N5] sont inhibés. La décomposition partielle cause des conditions acides Les sols trempés sont un environnement anaérobique. De grandes quantités de matière organique (partiellement décomposée s’accumulent. La matière organique est partiellement décomposée La matière organique est compressée pour former de la tourbe http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Peat-bog-Ireland.jpg

4.3.N8 La matière organique partiellement décomposée datant d’ères géologiques antérieures a été convertie soit en houille, soit en pétrole et en gaz qui s’accumulent dans les roches poreuses 4.3.U8 Partially decomposed organic matter from past geological eras was converted either into coal or into oil and gas that accumulate in porous rocks. Le charbon est formé lorsque les dépôts de tourbe sont enfouis sous d’autres sédiments. La tourbe est compressée et chauffée pendant des millions d’années, devenant éventuellement du charbon. Le cycle des changements du niveau de la mer qui a lieu durant la période Carbonifères a causé l’enfouissement des marécages côtiers favorisant la formation de charbon. http://www.uky.edu/KGS/coal/images/coalform.jpg http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Coal_lump.jpg

La formation d’huile et de gaz a eu lieu dans d’anciens océans 4.3.U8 Partially decomposed organic matter from past geological eras was converted either into coal or into oil and gas that accumulate in porous rocks. 4.3.N8 La matière organique partiellement décomposée datant d’ères géologiques antérieures a été convertie soit en houille, soit en pétrole et en gaz qui s’accumulent dans les roches poreuses La formation d’huile et de gaz a eu lieu dans d’anciens océans Les conditions sont anaérobique donc la décomposition est partielle. Le mélange de différents types d’huile et de gaz est le résultat de changements chimiques complexes. Le méthane forme la plus grande partie du gaz naturel. http://www.agiweb.org/education/energy/images/oildrill.png http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Oil_well.jpg

Coquilles des mollusques Exosquelette des coraux durs 4.3.N10 Les animaux tels que le corail hermatypique et les mollusques possèdent des parties dures composées de carbonate de calcium qui peuvent se fossiliser dans les roches calcaires. 4.3.U10 Animals such as reef-building corals and mollusca have hard parts that are composed of calcium carbonate and can become fossilized in limestone. Certains animaux sécrète des structures de carbonate de calcium (CaCO3) pour se protéger: Coquilles des mollusques Exosquelette des coraux durs Lorsque l’animal meurt, les parties molles se décomposent, mais le carbonate de calcium demeure pour former des dépôts dans le fond des océans. Les dépôts sont enfouis et compressés et formeront éventuellement de la roche calcaire. Les empreintes des parties corporelles dures demeurent dans les roches comme fossiles. La roche calcaire est un grand puits de carbone. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fossils_in_a_beach_wall.JPG

Fossil/Biomass fuel + O2 → CO2 + H2O 4.3.N9 Du dioxyde de carbone est produit par la combustion de la biomasse et de la matière organique fossilisée. 4.3.U9 Carbon dioxide is produced by the combustion of biomass and fossilized organic matter. Si réchauffée, la biomasse séchée ou les carburants fossilisés bruleront en présence d’oxygène Fossil/Biomass fuel + O2 → CO2 + H2O Avec toutes les preuves scientifiques qui supportent le réchauffement planétaire, est que la coupe avec brûlis une méthode acceptable de défrichement pour l’agriculture? http://youtu.be/zDOq7QZXTdI Slash & Burn: Why Amazonian farmers use fire http://d32ogoqmya1dw8.cloudfront.net/images/eslabs/carbon/slashandbuurn_250.jpg http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Coal_and_Fire.JPG http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Deerfire_high_res_edit.jpg

4.3.N5 Le méthane est produit à partir de matière organique dans des conditions anaérobies par des archéens méthanogènes et une certaine quantité se diffuse dans l’atmosphère ou s’accumule dans le sol. 4.3.U5 Methane is produced from organic matter in anaerobic conditions by methanogenic archaeans and some diffuses into the atmosphere or accumulates in the ground. Les Méthanogènes sont des microorganismes archéens qui produisent du méthane comme sous produit métabolique dans des conditions anoxiques. Normalement durant la production d’ATP, du méthane est produit à partir du dioxyde de carbone. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Everglades_Nat%27l_Park_Mangrove.jpg http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Azores_%283240489010%29.jpg Les méthanogènes se retrouvent dans une variété d’environnements anoxiques: Zones humides (ex. rizières, marécages et mangroves) Voies digestives des animaux (ex. vaches, humains et termites) Sédiments marins et d’eaux douces (ex. boue dans le lit des lacs) Site d’enfouissement (dans lesquels la matière organique a été enfouie) http://commons.wikimedia.org/wiki/File:China_-_Yangshuo_29_-_Rice_Paddy_Terraces_%28140905203%29.jpg http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Landfill_compactor.jpg

méthane+ radical hydroxyle → dioxyde de carbone + eau 4.3.U6 Methane is oxidized to carbon dioxide and water in the atmosphere. 4.3.N6 Le méthane est oxydé en dioxyde de carbone et en eau dans l’atmosphère Les mesures indiquent que les niveaux de méthane atmosphérique augmentent On estime, qu’en moyenne, le méthane persiste dans l’atmosphère pour 8.4 ans. Le méthane libéré dans l’atmosphère peut être retiré par plusieurs mécanismes. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mlo_ch4_ts_obs_03437.png http://commons.wikimedia.org/wiki/File:MethaneSinkPieChart.jpg Le processus d’extraction du méthane le plus important est l’oxydation par radical hydroxyle. méthane+ radical hydroxyle → dioxyde de carbone + eau http://commons.wikimedia.org/wiki/File:China_-_Yangshuo_29_-_Rice_Paddy_Terraces_%28140905203%29.jpg

4.3.A1 L’estimation des flux de carbone en raison des processus du cycle du carbone 4.3.A1 Estimation of carbon fluxes due to processes in the carbon cycle. Ce n'est pas possible de mesurer la grosseur des puits de carbone et les échanges entre eux. Les estimés sont basés sur plusieurs mesures et publiés avec des incertitudes très grandes. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Diagram_showing_a_simplified_representation_of_the_Earth%27s_annual_carbon_cycle_%28US_DOE%29.png

4.3.A2 Analysis of data from air monitoring stations to explain annual fluctuations. 4.3.A2 L’analyse des données obtenues par les stations de contrôle de l’air pour expliquer les fluctuations annuelles. Many field stations globally use the same standardised method. All stations show a clear upward trend with annual cycles.

4.3.A2 Analysis of data from air monitoring stations to explain annual fluctuations. 4.3.A2 L’analyse des données obtenues par les stations de contrôle de l’air pour expliquer les fluctuations annuelles. http://cdiac.ornl.gov/trends/co2/sio-keel.html

4.3.A2 Analysis of data from air monitoring stations to explain annual fluctuations. 4.3.A2 L’analyse des données obtenues par les stations de contrôle de l’air pour expliquer les fluctuations annuelles. http://cdiac.ornl.gov/trends/co2/sio-keel.html

4.3.A2 Analysis of data from air monitoring stations to explain annual fluctuations. 4.3.A2 L’analyse des données obtenues par les stations de contrôle de l’air pour expliquer les fluctuations annuelles. http://cdiac.ornl.gov/trends/co2/sio-keel.html

4.3.A2 Analysis of data from air monitoring stations to explain annual fluctuations. 4.3.A2 L’analyse des données obtenues par les stations de contrôle de l’air pour expliquer les fluctuations annuelles. Tendance Fluctuations annuelles

4.3.A2 L’analyse des données obtenues par les stations de contrôle de l’air pour expliquer les fluctuations annuelles. 4.3.A2 Analysis of data from air monitoring stations to explain annual fluctuations. Tendance Il y a une augmentation du CO2 atmosphérique à Mauna Loa, année sur année Fluctuations annuelles

4.3.A2 L’analyse des données obtenues par les stations de contrôle de l’air pour expliquer les fluctuations annuelles. 4.3.A2 Analysis of data from air monitoring stations to explain annual fluctuations. Tendance Il y a une augmentation du CO2 atmosphérique à Mauna Loa, année sur année Fluctuations annuelles Les dépressions annuels du CO2 correspondent avec les étés de l’hémisphère nord. L’hémisphère nord a la plus grande masse de sol et à ce temps de l’année, il y a beaucoup plus d’arbres et de plantes en feuilles. Cette augmentation de feuillage contribue à une augmentation de la photosynthèse, et donc à un puit plus grand de CO2 de l’atmosphère. Les sommets annuels correspondent aux hivers.

4.3.A2 Analysis of data from air monitoring stations to explain annual fluctuations. 4.3.A2 L’analyse des données obtenues par les stations de contrôle de l’air pour expliquer les fluctuations annuelles. https://www.ncdc.noaa.gov/cdo/f?p=518:1:0:::APP:PROXYTOSEARCH:7

Bibliographie / Remerciements Bob Smullen