Qu’est-ce que le cycle du carbone et comment son dérèglement se manifeste-t-il ?
Le cycle du carbone est le mécanisme naturel qui fait circuler le carbone entre l’atmosphère, les océans, les sols et les roches. En 2019, les émissions humaines de CO₂ étaient projetées à 43,1 milliards de tonnes [5].
Depuis l’ère industrielle, cette perturbation modifie la répartition du carbone et contribue notamment à son accumulation dans l’atmosphère et à l’acidification des océans. Examiner le fonctionnement naturel du cycle du carbone, ses principaux réservoirs et l’influence des émissions anthropiques permet aussi de mieux situer le rôle de solutions comme le CCUS, aujourd’hui étudiées dans le cadre de la transition énergétique.
Les principaux réservoirs du cycle naturel du carbone
Le cycle du carbone repose sur des échanges continus entre plusieurs grands réservoirs, notamment l’atmosphère, les océans, la biosphère terrestre, les sols et les roches. Leur taille et la vitesse à laquelle le carbone circule entre eux permettent de mieux comprendre pourquoi certaines perturbations peuvent avoir des effets durables.
Définition et structure générale
Le cycle du carbone correspond à la circulation du carbone sous différentes formes à travers l’atmosphère, l’hydrosphère, les biosphères terrestre et marine ainsi que la lithosphère. Au fil de ces échanges, le carbone change à la fois de forme chimique et de milieu.
Il peut notamment se retrouver sous forme de CO₂ dans l’atmosphère, de carbone organique dans la biomasse, de carbone dissous dans les océans ou de carbone stocké dans les sols, les sédiments et les roches. Pour quantifier ces stocks, les scientifiques utilisent souvent le PgC, ou pétagramme de carbone. Un PgC correspond à 10¹⁵ grammes, soit un milliard de tonnes métriques de carbone.
L’ensemble forme ainsi un réseau de réservoirs de carbone reliés entre eux par différents flux d’échange. [2]
Figure 1 : Aperçu global du cycle du carbone
Le cycle rapide et le cycle lent du carbone
L’IPCC distingue deux grands domaines dans le fonctionnement du cycle. Le cycle rapide comprend notamment les échanges entre l’atmosphère, les océans, la végétation et les sols. Selon le réservoir, les temps de renouvellement peuvent varier de quelques années à plusieurs millénaires. [2]
Le cycle lent regroupe pour sa part les vastes stocks de carbone présents dans les roches et les sédiments. Les échanges avec le domaine rapide se produisent notamment par l’activité volcanique, l’altération chimique des roches, l’érosion et la formation de sédiments sur le fond marin. [2]
Cette distinction aide à situer l’effet des combustibles fossiles dans le cycle. Leur carbone appartient au domaine lent et a été stocké sur des temps géologiques. Leur combustion transfère rapidement une partie de ce carbone vers l’atmosphère et, plus largement, vers le domaine rapide du cycle.
Taille des réservoirs en chiffres
La quantité de carbone stockée varie fortement selon les milieux. Le tableau suivant présente quelques estimations permettant de comparer leur ordre de grandeur.
Tableau 1 : Taille estimée des principaux réservoirs de carbone
| Réservoir | Taille estimée |
|---|---|
| Océans (carbone inorganique dissous) | ~38 000 PgC |
| Carbone organique associé aux minéraux (MOC), sols minéraux non pergélisolés (0–1 m) | ~899 PgC, soit environ 69 % du carbone organique total |
| Tourbières nordiques | 415 ± 150 PgC |
| Forêts boréales | ~272 ± 23 PgC |
Les tourbières nordiques illustrent particulièrement bien la concentration du carbone dans certains écosystèmes. Elles couvrent environ 2 % de la surface terrestre et leur stock est estimé à 415 ± 150 milliards de tonnes de carbone, tandis que celui associé aux forêts boréales, qui occupent près de 8 % des terres émergées, est d’environ 272 ± 23 milliards de tonnes. [4] Malgré l’incertitude entourant ces estimations, cette comparaison met en évidence le rôle important des tourbières dans le stockage terrestre du carbone.
Comment le carbone circule : les grands mécanismes naturels
Les réservoirs du cycle du carbone sont reliés par des échanges continus. Dans les océans comme sur les continents, différents processus déterminent la manière dont le carbone est absorbé, transformé, transporté et conservé au fil du temps.
L’absorption océanique physico-chimique
Les océans échangent naturellement du CO₂ avec l’atmosphère. Lorsqu’il se dissout dans l’eau de mer, une partie du CO₂ forme de l’acide carbonique, puis se transforme en différentes espèces chimiques. Ce processus entraîne notamment :
une augmentation des ions bicarbonate (HCO₃⁻) ;
une augmentation des ions hydrogène (H⁺) ;
une diminution des ions carbonate (CO₃²⁻). [3]
Cette absorption contribue au puits de carbone océanique, mais elle modifie également la chimie de l’eau de mer. L’augmentation des ions hydrogène entraîne une diminution progressive du pH, à l’origine de l’acidification des océans abordée plus loin dans l’article.
La pompe biologique des océans
La pompe biologique du carbone, ou Biological Carbon Pump, constitue un autre mécanisme important. Elle repose sur plusieurs étapes :
le phytoplancton utilise le CO₂ lors de la photosynthèse et l’intègre à la matière organique ;
une partie de ce carbone circule ensuite dans le réseau alimentaire marin ;
des organismes, particules et débris biologiques s’enfoncent progressivement dans la colonne d’eau ;
une fraction du carbone atteint les eaux profondes et, dans certains cas, les sédiments marins. [7]
Une grande partie de cette matière est recyclée avant d’atteindre les grandes profondeurs, mais environ 2 à 3 milliards de tonnes de carbone par an atteignent en moyenne le plancher océanique. [7] La pompe biologique contribue ainsi au transport vertical du carbone et influence la répartition du carbone inorganique dissous, des nutriments et du pH dans les océans.
Le stockage terrestre : sols et tourbières
Sur les continents, le stockage du carbone dans les sols dépend notamment de l’accumulation de matière organique et de son interaction avec les minéraux. Dans le premier mètre des sols minéraux non pergélisolés étudiés par Georgiou et al., le carbone organique associé aux minéraux représente environ 899 milliards de tonnes de carbone, soit près de 69 % du carbone organique total des sols concernés. [6] Cette association avec les particules minérales peut favoriser la conservation du carbone sur de longues périodes.
Les tourbières reposent sur un mécanisme différent. Dans leurs sols saturés en eau, la décomposition de la matière végétale est ralentie, ce qui favorise l’accumulation progressive de tourbe. Dans les écosystèmes étudiés par Beaulne et al. [4] :
la tourbe stocke environ 22,6 à 66,0 kg de carbone par mètre carré ;
la biomasse des arbres en contient environ 2,8 à 5,7 kg par mètre carré.
Cette différence illustre la capacité de certains milieux humides à concentrer d’importantes quantités de carbone dans leurs sols.
Le dérèglement humain du cycle du carbone : émissions et conséquences mesurables
Le cycle du carbone a connu de nombreuses variations naturelles au cours de l’histoire de la Terre. La perturbation actuelle se distingue toutefois par l’ajout rapide de grandes quantités de carbone provenant principalement des combustibles fossiles et des changements d’utilisation des terres. Une partie de ce carbone est absorbée par les océans et les écosystèmes terrestres, tandis que le reste s’accumule dans l’atmosphère.
L’ampleur des émissions anthropiques
En 2019, le Global Carbon Project estimait que les émissions mondiales de CO₂ d’origine humaine devaient atteindre 43,1 milliards de tonnes, avec une plage d’incertitude de 39,9 à 46,2 milliards de tonnes. Les émissions provenant des combustibles fossiles et de l’industrie étaient à elles seules projetées à près de 37 milliards de tonnes de CO₂ pour cette même année. [5]
Ces émissions anthropiques s’ajoutent à des flux naturels de carbone beaucoup plus importants en volume. La différence tient au fait que, dans un cycle relativement équilibré, les échanges naturels entre l’atmosphère, les océans et les écosystèmes terrestres se compensent en grande partie. Les activités humaines ajoutent un flux supplémentaire qui n’est pas entièrement absorbé par les puits naturels. [2][9]
Pourquoi les puits naturels ne compensent pas entièrement les émissions
Le bilan mondial du carbone peut être résumé ainsi : les émissions provenant des combustibles fossiles et des changements d’utilisation des terres sont partiellement compensées par l’absorption des océans et des écosystèmes terrestres. La différence contribue à l’augmentation du carbone dans l’atmosphère. [9]
Les océans absorbent environ un quart des émissions anthropiques de CO₂. [3] Les terres et la végétation en captent également une part importante, mais ces mécanismes naturels ne neutralisent pas la totalité des émissions.
La protection des stocks existants constitue également un enjeu important. Les écosystèmes renferment au moins 260 milliards de tonnes de carbone qualifié d’irrécupérable, notamment dans les tourbières, les mangroves, les vieilles forêts et les marais. [10] S’ils étaient libérés, ces stocks ne pourraient pas être reconstitués naturellement dans des délais compatibles avec les objectifs climatiques.
L’acidification des océans : un indicateur mesurable
L’acidification des océans illustre directement les effets de l’absorption du CO₂ anthropique. Selon l’IPCC, le pH des eaux de surface des océans ouverts diminue à un rythme compris entre 0,017 et 0,027 unité de pH par décennie depuis la fin des années 1980. [3]
Comme l’échelle du pH est logarithmique, même une variation qui semble faible correspond à une modification notable de la chimie de l’eau.
Cette évolution réduit notamment la disponibilité des ions carbonate utilisés par plusieurs organismes marins pour former leurs structures calcaires, notamment les coraux, les mollusques et certains organismes planctoniques. [3]
Ainsi, le rééquilibrage du cycle du carbone repose sur plusieurs leviers complémentaires : réduire les émissions à la source, préserver les puits naturels et limiter la perte des stocks existants. Dans les secteurs où certaines émissions demeurent difficiles à éviter, des technologies de captage, d’utilisation et de stockage du carbone (CCUS) sont également étudiées afin de réduire les rejets de CO₂ et, dans certaines configurations, contribuer à son retrait durable de l’atmosphère.
Le CCUS : un levier complémentaire pour la gestion du carbone
Lorsque les réductions d’émissions et les puits naturels ne suffisent pas à compenser les rejets de CO₂, le captage, l’utilisation et le stockage du carbone (CCUS) peut constituer un levier complémentaire. Ces technologies visent principalement à capter le CO₂ avant son rejet dans l’atmosphère et, selon les configurations, à le valoriser ou à le stocker de manière durable.
Un ensemble de technologies complémentaires
Le CCUS regroupe plusieurs étapes distinctes, notamment le captage, le transport, l’utilisation et le stockage du CO₂. Le carbone peut être capté à partir de procédés industriels ou d’installations énergétiques. Certaines technologies permettent également de retirer directement du CO₂ présent dans l’atmosphère.
L’IEA souligne que le CCUS fait partie des technologies pouvant contribuer à deux objectifs complémentaires : réduire les émissions dans certains secteurs difficiles à décarboner et, dans certaines configurations, retirer durablement du CO₂ de l’atmosphère afin de compenser des émissions résiduelles. [12]
Le CCUS connaît aujourd’hui un développement croissant à l’échelle mondiale et s’intègre à un ensemble plus large de solutions pour la gestion du carbone. Aux côtés de la réduction des émissions, de l’efficacité énergétique et de la préservation des puits naturels, il peut contribuer à soutenir la transition vers des systèmes énergétiques moins carbonés.
Conclusion : des solutions complémentaires pour mieux gérer le carbone
Le cycle du carbone repose sur un équilibre dynamique entre l’atmosphère, les océans, les sols, la biosphère et les roches. Les activités humaines ont modifié cet équilibre en ajoutant rapidement du carbone au système, alors que les puits naturels n’en absorbent qu’une partie. La réponse passe donc par plusieurs leviers complémentaires, notamment la réduction des émissions, la protection des réservoirs naturels et le développement de technologies capables de mieux gérer les flux de CO₂.
Dans cette perspective, le CCUS peut contribuer à limiter certaines émissions et, selon les configurations, à stocker durablement le carbone capturé. Une autre voie consiste à utiliser le CO₂ capturé comme ressource, par exemple comme matière première pour certains carburants, matériaux ou produits chimiques. Cette approche ouvre de nouvelles possibilités pour intégrer le carbone capturé dans des chaînes de valeur plutôt que de le considérer uniquement comme un rejet à gérer.
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Points clés
Le cycle du carbone répartit le carbone entre plusieurs grands réservoirs, notamment l’atmosphère, les océans, les sols, la biosphère et les roches. Les océans contiennent à eux seuls environ 38 000 milliards de tonnes de carbone. [2]
En 2019, les émissions mondiales de CO₂ d’origine humaine étaient projetées à 43,1 milliards de tonnes, illustrant l’ampleur du flux de carbone ajouté chaque année par les activités humaines. [5]
L’acidification des océans progresse à un rythme de 0,017 à 0,027 unité de pH par décennie depuis la fin des années 1980. [3]
Les tourbières nordiques couvrent environ 2 % de la surface terrestre et stockent quelque 415 ± 150 milliards de tonnes de carbone, une estimation centrale supérieure à celle associée aux forêts boréales. [4]
Le CCUS est le seul groupe de technologies identifié par l’IEA comme contribuant à la fois à réduire directement les émissions dans certains secteurs et à retirer du CO₂ de l’atmosphère pour compenser des émissions difficiles à éviter. [12]
Références
[2] Intergovernmental Panel on Climate Change. "Chapter 6: Carbon and Other Biogeochemical Cycles." Climate Change 2013: The Physical Science Basis, Cambridge University Press for the IPCC, 2013, https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/02/WG1AR5_Chapter06_FINAL.pdf
[3] Intergovernmental Panel on Climate Change. "Chapter 5: Global Carbon and Other Biogeochemical Cycles and Feedbacks." Climate Change 2021: The Physical Science Basis, IPCC, 2021, https://www.ipcc.ch/report/ar6/wg1/chapter/chapter-5/.
[4] Beaulne, J., et al. "Peat deposits store more carbon than trees in forested peatlands of the boreal biome." Scientific Reports, vol. 11, article 2657, 2021., Nature, https://www.nature.com/articles/s41598-021-82004-x.
[5] Global Carbon Project. "Global Carbon Emissions Increase but Rate Has Slowed." Global Carbon Budget 2019, Global Carbon Project, 2019, https://www.globalcarbonproject.org/carbonbudget/archive/2019/UK_UEA_GCB2019.pdf.
[6] Georgiou, K., et al. "Global Stocks and Capacity of Mineral-Associated Soil Organic Carbon." Nature Communications, vol. 13, 2022, https://www.nature.com/articles/s41467-022-31540-9.
[7] Kelly, K. J., Larkin, A. A., Munro, D., et al. NOAA Oceanic and Atmospheric Research Ocean Carbon Observing Science Plan FY25 to FY35. NOAA, 2025., https://globalocean.noaa.gov/wp-content/uploads/2025/05/NOAA-OAR-Ocean-Carbon-Observing-Science-Plan-FY25-FY35_final.pdf.
[8] Environment and Climate Change Canada. "Greenhouse Gas Emissions." Canadian Environmental Sustainability Indicators, Government of Canada, 2026, https://www.canada.ca/en/environment-climate-change/services/environmental-indicators/greenhouse-gas-emissions.html.
[9] Intergovernmental Panel on Climate Change. "Chapter 5: Global Carbon and Other Biogeochemical Cycles and Feedbacks." Climate Change 2021: The Physical Science Basis, IPCC, 2021, https://www.ipcc.ch/report/ar6/wg1/downloads/report/IPCC_AR6_WGI_Chapter05.pdf.
[10] Goldstein, A., et al. "Protecting Irrecoverable Carbon in Earth's Ecosystems." Nature Climate Change, vol. 10, 2020, pp. 287–295, https://www.nature.com/articles/s41558-020-0738-8.
[12] International Energy Agency. CCUS in Clean Energy Transitions, IEA, 2020, https://www.iea.org/reports/ccus-in-clean-energy-transitions.
