Climat et utilisation des combustibles fossiles, sujet de métropole, mars 2023, exercice 1

Énoncé

Exercice sur 7 points

En 150 ans, les émissions anthropiques de CO₂ sont passées d'environ 1 gigatonne par an (Gt.an⁻¹) à environ 3 Gt.an⁻¹, expliquant en grande partie le réchauffement climatique actuel.
Ces émissions sont entre autres dues à l'utilisation de combustibles fossiles comme le charbon, roche sédimentaire dont les principaux gisements se sont formés à partir de forêts du Carbonifère.

QUESTION :

Montrer que le réchauffement climatique actuel est en partie lié à l'utilisation par l'être humain de l'énergie solaire du passé.

Vous rédigerez un texte argumenté. On attend des expériences, des observations, des exemples pour appuyer votre exposé et argumenter votre propos.

Corrigé

Les experts du Giec (Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat) évaluent l'augmentation de la température terrestre globale depuis la période préindustrielle, soit en 1850, à 1,2 °C. Depuis plusieurs dizaines d'années, les scientifiques ont établi l'origine humaine de ce réchauffement climatique de grande ampleur et ont démontré qu'une de ses principales origines est la combustion lors des activités humaines de combustibles fossiles, comme le charbon et le pétrole. Comment montrer que le réchauffement climatique actuel est en partie lié à l'utilisation par l'être humain de cette énergie solaire du passé, contenue dans ces combustibles fossiles ? Nous montrerons d'abord comment la photosynthèse réalisée dans le passé a permis, grâce à l'énergie solaire, de produire de grandes quantités de matière organique. Puis nous établirons que cette matière organique a été piégée dans des roches carbonées constituant les combustibles fossiles. Enfin, nous montrerons que la combustion de ces combustibles fossiles est en très grande partie à l'origine du réchauffement climatique actuel.

1. La photosynthèse permet la conversion de l'énergie solaire en énergie chimique

La photosynthèse permet la production de matière organique à partir de matière minérale en présence d'énergie solaire. Elle est le principal métabolisme permettant l'entrée d'énergie dans la biosphère. La photosynthèse a lieu dans les cellules chlorophylliennes des parties aériennes de la plante, notamment au niveau des feuilles.La photosynthèse se déroule dans un organite intracellulaire spécialisé : le chloroplaste. Lors de la photosynthèse, l'énergie lumineuse est d'abord convertie en énergie chimique dans le chloroplaste. En effet, les pigments chlorophylliens des chaînes photosynthétiques de la membrane des thylakoïdes des chloroplastes absorbent l'énergie lumineuse, ce qui entraîne des transferts d'électrons le long de cette chaîne photosynthétique. Ces réactions s'accompagnent de l'oxydation de l'eau, ou photolyse de l'eau, qui libère de l'O₂ dans le milieu. Le transfert d'électrons au niveau de la chaîne photosynthétique permet alors la production de différentes molécules dans le stroma du chloroplaste. Ces molécules sont utilisées pour réduire du CO₂ d'origine atmosphérique en molécules organiques. L'ensemble des réactions de réduction du CO₂, appelé cycle de Calvin, a lieu dans le stroma du chloroplaste et aboutit à la formation d'un premier glucide à trois atomes de carbone, une triose-phosphate, l'APG (3-phosphoglycérate). En effet, dans les années 1950, les scientifiques Calvin, Benson et Bassham ont montré que des algues unicellulaires étaient capables de synthétiser des glucides radioactifs lorsqu'elles étaient cultivées à la lumière dans un milieu riche en ¹⁴CO₂. La première molécule formée lors de cette expérience est l'APG, puis apparaissent dans les algues d'autres molécules organiques, notamment des glucides, dont le glucose. En effet, l'association de deux APG permet la synthèse d'un glucide à six atomes de carbone, le glucose (C₆H₁₂O₆), comme le présente le schéma suivant.


La photosynthèse dans la cellule végétale chlorophyllienne

Ainsi, la photosynthèse réalisée chez les végétaux chlorophylliens permet, à l'aide de l'énergie solaire, la réduction du CO₂ atmosphérique pour former des molécules organiques comme les glucides, riches en énergie chimique. La photosynthèse permet donc de convertir l'énergie solaire en énergie chimique, contenue dans la matière organique.

2. La formation des roches combustibles fossiles : le piégeage de la matière organique dans les roches carbonées

Sous certaines conditions, la matière organique produite lors de la photosynthèse peut être fossilisée sous forme de roches carbonées. Or, le climat du Carbonifère au Paléozoïque était propice à un important développement de la végétation. Cette intense production végétale, associée à une forte sédimentation détritique, a entraîné la formation de grands gisements de roches carbonées. La matière organique d'origine végétale ne s'est pas décomposée, mais s'est transformée sur un temps long en roches carbonées riches en énergie. Par exemple, dans le bassin houiller de Graissessac, situé dans le sud du Massif central en France, des couches de charbon ont longtemps été exploitées comme combustible. Des fossiles végétaux, comme des fougères spécifiques du Carbonifère, sont observables dans ces couches de charbon. De très nombreux gisements de charbon datant du Carbonifère existent de par le monde.
Ces roches carbonées constituent des réservoirs de carbone, elles séquestrent donc le carbone dans le sous-sol. La matière organique ainsi piégée n'est donc pas décomposée, d'où l'absence de retour du carbone dans l'atmosphère. Ainsi, au Carbonifère, la formation importante de roches carbonées a permis le piégeage sur le long terme, c'est-à-dire des centaines de millions d'années, de carbone d'origine atmosphérique et donc d'énergie chimique ayant pour origine l'énergie solaire passée.Ces roches carbonées constituent des réservoirs de carbone, elles séquestrent donc le carbone dans le sous-sol. La matière organique ainsi piégée n'est donc pas décomposée, d'où l'absence de retour du carbone dans l'atmosphère. Ainsi, au Carbonifère, la formation importante de roches carbonées a permis le piégeage sur le long terme, c'est-à-dire des centaines de millions d'années, de carbone d'origine atmosphérique et donc d'énergie chimique ayant pour origine l'énergie solaire passée.

3. La combustion de roches combustibles : à l'origine du réchauffement climatique actuel

La combustion des roches carbonées, comme le charbon et le pétrole, produit de l'énergie thermique, et s'accompagne d'une libération de CO₂. En effet, la combustion d'un morceau de charbon entraîne un dégagement de gaz qui trouble l'eau de chaux, permettant de caractériser la présence de CO₂. Le CO₂ ainsi formé rejoint l'atmosphère. Depuis 150 ans, l'utilisation massive par l'être humain des énergies fossiles a entraîné une augmentation du flux de carbone du réservoir lithosphérique que constituent les roches carbonées vers le réservoir atmosphérique. L'accroissement de ce flux de carbone entraîne une augmentation rapide de la concentration en CO₂ dans l'atmosphère. Ainsi, les mesures de la concentration atmosphérique en CO₂ montrent que cette concentration est passée d'environ 280 ppm (parties par millions) vers 1850 à plus de 410 ppm actuellement. Or, le CO₂ est un gaz à effet de serre. Présent dans l'atmosphère, le CO₂ atmosphérique absorbe le rayonnement infrarouge d'origine terrestre, entraînant un forçage radiatif positif, qui est à l'origine du réchauffement climatique actuel. Ainsi, depuis 150 ans, la combustion des énergies fossiles, qui ont emmagasiné lors de leur formation l'énergie solaire du passé dans des molécules carbonées, est en très grande partie à l'origine du réchauffement climatique actuel.
Ainsi, au Carbonifère, la photosynthèse réalisée chez les végétaux chlorophylliens a permis, par l'utilisation de l'énergie lumineuse, de produire, à partir de matière minérale, dont du CO₂ atmosphérique, de la matière organique riche en carbone. Ce carbone est resté séquestré dans les roches carbonées telles que le charbon pendant des centaines de millions d'années, jusqu'à leur utilisation récente à l'échelle des temps géologiques par l'espèce humaine. La combustion de ces roches carbonées, de plus en plus massive depuis 1850, entraîne la libération de CO₂ dans l'atmosphère. La présence accrue de ce gaz à effet de serre dans l'atmosphère est en très grande partie responsable du réchauffement climatique actuel. Les sociétés industrielles humaines seront-elles capables de réduire leurs émissions de gaz à effet de serre afin de limiter le réchauffement climatique à un niveau compatible avec la vie de l'ensemble des êtres vivants terrestres ?