Exercices et corrigés

Etude de Chimie

Cycle du Carbone et Effet de Serre

Cycle du Carbone et Effet de Serre

Cycle du Carbone et Effet de Serre

Comprendre le Cycle du Carbone et l'Effet de Serre

Le cycle du carbone est le processus biogéochimique par lequel le carbone est échangé entre les différents réservoirs de la Terre : l'atmosphère, les océans, la biosphère terrestre (plantes, animaux, sols) et la lithosphère (roches, combustibles fossiles). Les activités humaines, notamment la combustion de combustibles fossiles, perturbent massivement ce cycle en libérant de grandes quantités de dioxyde de carbone (\(\text{CO}_2\)) dans l'atmosphère. Le \(\text{CO}_2\) est un gaz à effet de serre (GES) majeur. L'effet de serre est un phénomène naturel où certains gaz de l'atmosphère piègent une partie du rayonnement infrarouge émis par la surface terrestre, réchauffant ainsi la planète et la rendant habitable. Cependant, l'augmentation des concentrations de GES due aux activités humaines intensifie cet effet, conduisant à un réchauffement climatique global.

Données de l'étude

On s'intéresse aux émissions annuelles de \(\text{CO}_2\) d'une région industrialisée dues à la combustion de charbon et de produits pétroliers.

Données de consommation et caractéristiques :

  • Charbon consommé annuellement : \(1,0 \text{ Gt (Gigatonne)} = 1,0 \times 10^9 \text{ tonnes}\)
  • Teneur moyenne en carbone (C) du charbon : \(75\%\) en masse
  • Produits pétroliers consommés annuellement : \(0,5 \text{ Gt}\)
  • Teneur moyenne en carbone (C) des produits pétroliers : \(85\%\) en masse
  • Masses molaires atomiques : Carbone (C) \(\approx 12 \text{ g/mol}\) ; Oxygène (O) \(\approx 16 \text{ g/mol}\)
  • On suppose que la combustion du carbone est complète et produit uniquement du \(\text{CO}_2\).
  • Facteur de rétention atmosphérique : Environ \(50\%\) du \(\text{CO}_2\) émis par les activités humaines s'accumule dans l'atmosphère, le reste étant absorbé par les océans et la biosphère terrestre.
  • Conversion pour la concentration atmosphérique : L'ajout de \(7,81 \text{ Gt de CO}_2\) à l'atmosphère augmente la concentration de \(\text{CO}_2\) d'environ \(1 \text{ ppm}\) (partie par million en volume).
  • Concentration initiale de \(\text{CO}_2\) atmosphérique (avant ces émissions annuelles) : \(400 \text{ ppm}\).
Schéma Amélioré du Cycle du Carbone
Cycle du Carbone Global Atmosphère (CO₂) Océans Océans Profonds Biosphère Terrestre & Sols Combustibles Fossiles (Charbon, Pétrole, Gaz) Photosynthèse Respiration & Décomposition Absorption Océanique Dégazage Océanique Combustion Énergies Fossiles Déforestation Sédimentation (lent) Volcanisme
Schéma Simplifié de l'Effet de Serre
Effet de Serre Simplifié Soleil Rayonnement Solaire Entrant Réfléchi Terre Atmosphère avec GES Rayonnement IR émis par la Terre Partie s'échappe Partie piégée et ré-émise vers Terre

Questions à traiter

  1. Calculer la masse de carbone (en \(\text{Gt}\)) émise annuellement par la combustion du charbon.
  2. Calculer la masse de \(\text{CO}_2\) (en \(\text{Gt}\)) correspondante émise annuellement par la combustion du charbon. (Masse molaire \(\text{CO}_2 \approx 44 \text{ g/mol}\))
  3. Calculer la masse de carbone (en \(\text{Gt}\)) émise annuellement par la combustion des produits pétroliers.
  4. Calculer la masse de \(\text{CO}_2\) (en \(\text{Gt}\)) correspondante émise annuellement par la combustion des produits pétroliers.
  5. Calculer la masse totale de \(\text{CO}_2\) anthropique (en \(\text{Gt}\)) émise annuellement par ces deux sources.
  6. Estimer la masse de \(\text{CO}_2\) (en \(\text{Gt}\)) qui s'accumule effectivement dans l'atmosphère chaque année à partir de ces émissions.
  7. Calculer l'augmentation de la concentration de \(\text{CO}_2\) atmosphérique (en \(\text{ppm}\)) due à cette accumulation annuelle.
  8. Quelle serait alors la nouvelle concentration de \(\text{CO}_2\) atmosphérique ? Discuter brièvement de l'impact potentiel de cette augmentation.

Correction : Cycle du Carbone et Effet de Serre

Question 1 : Masse de carbone émise par le charbon

Principe :

La masse de carbone émise est la masse de charbon consommée multipliée par sa teneur en carbone.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ \text{Masse de C (charbon)} = \text{Masse de charbon} \times \text{Teneur en C du charbon} \]
Données spécifiques :
  • Masse de charbon consommé : \(1,0 \text{ Gt}\)
  • Teneur en C du charbon : \(75\% = 0,75\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} \text{Masse de C (charbon)} &= 1,0 \, \text{Gt} \times 0,75 \\ &= 0,75 \, \text{Gt} \end{aligned} \]
Résultat Question 1 : La masse de carbone émise par la combustion du charbon est de \(0,75 \text{ Gt}\).

Quiz Intermédiaire 1 : Si la teneur en carbone du charbon était de 60%, la masse de carbone émise serait :

Question 2 : Masse de \(\text{CO}_2\) émise par le charbon

Principe :

Chaque atome de carbone (C) brûlé forme une molécule de dioxyde de carbone (\(\text{CO}_2\)). Le rapport des masses molaires (\(M_{\text{CO}_2} / M_{\text{C}}\)) permet de convertir la masse de carbone en masse de \(\text{CO}_2\).

Formule(s) utilisée(s) :
\[ \text{Masse de CO}_2 = \text{Masse de C} \times \frac{M_{\text{CO}_2}}{M_{\text{C}}} \]
Données spécifiques :
  • Masse de C (charbon) : \(0,75 \text{ Gt}\) (de Q1)
  • \(M_{\text{C}} \approx 12 \text{ g/mol}\)
  • \(M_{\text{CO}_2} = M_{\text{C}} + 2 \times M_{\text{O}} \approx 12 + 2 \times 16 = 44 \text{ g/mol}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} \text{Masse de CO}_2 \text{ (charbon)} &= 0,75 \, \text{Gt} \times \frac{44 \, \text{g/mol}}{12 \, \text{g/mol}} \\ &= 0,75 \, \text{Gt} \times \frac{44}{12} \\ &= 0,75 \, \text{Gt} \times 3,666... \\ &\approx 2,75 \, \text{Gt} \end{aligned} \]
Résultat Question 2 : La masse de \(\text{CO}_2\) émise par la combustion du charbon est d'environ \(2,75 \text{ Gt}\).

Quiz Intermédiaire 2 : Le rapport \(M_{\text{CO}_2}/M_{\text{C}}\) est approximativement :

Question 3 : Masse de carbone émise par les produits pétroliers

Principe :

Similaire à la question 1, pour les produits pétroliers.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ \text{Masse de C (pétrole)} = \text{Masse de pétrole} \times \text{Teneur en C du pétrole} \]
Données spécifiques :
  • Masse de produits pétroliers consommés : \(0,5 \text{ Gt}\)
  • Teneur en C des produits pétroliers : \(85\% = 0,85\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} \text{Masse de C (pétrole)} &= 0,5 \, \text{Gt} \times 0,85 \\ &= 0,425 \, \text{Gt} \end{aligned} \]
Résultat Question 3 : La masse de carbone émise par la combustion des produits pétroliers est de \(0,425 \text{ Gt}\).

Quiz Intermédiaire 3 : Les produits pétroliers ont généralement une teneur en carbone :

Question 4 : Masse de \(\text{CO}_2\) émise par les produits pétroliers

Principe :

Similaire à la question 2, pour les produits pétroliers.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ \text{Masse de CO}_2 = \text{Masse de C} \times \frac{M_{\text{CO}_2}}{M_{\text{C}}} \]
Données spécifiques :
  • Masse de C (pétrole) : \(0,425 \text{ Gt}\) (de Q3)
  • Rapport \(M_{\text{CO}_2}/M_{\text{C}} = 44/12\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} \text{Masse de CO}_2 \text{ (pétrole)} &= 0,425 \, \text{Gt} \times \frac{44}{12} \\ &\approx 0,425 \, \text{Gt} \times 3,666... \\ &\approx 1,558 \, \text{Gt} \end{aligned} \]
Résultat Question 4 : La masse de \(\text{CO}_2\) émise par la combustion des produits pétroliers est d'environ \(1,558 \text{ Gt}\).

Quiz Intermédiaire 4 : La combustion complète d'un hydrocarbure produit :

Question 5 : Masse totale de \(\text{CO}_2\) anthropique émise

Principe :

Somme des émissions de \(\text{CO}_2\) du charbon et des produits pétroliers.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ \text{Masse totale de CO}_2 = \text{Masse CO}_2 \text{ (charbon)} + \text{Masse CO}_2 \text{ (pétrole)} \]
Données spécifiques :
  • Masse \(\text{CO}_2\) (charbon) \(\approx 2,75 \text{ Gt}\) (de Q2)
  • Masse \(\text{CO}_2\) (pétrole) \(\approx 1,558 \text{ Gt}\) (de Q4)
Calcul :
\[ \begin{aligned} \text{Masse totale de CO}_2 &= 2,75 \, \text{Gt} + 1,558 \, \text{Gt} \\ &= 4,308 \, \text{Gt} \end{aligned} \]
Résultat Question 5 : La masse totale de \(\text{CO}_2\) anthropique émise annuellement par ces deux sources est d'environ \(4,308 \text{ Gt}\).

Quiz Intermédiaire 5 : "Anthropique" signifie :

Question 6 : Masse de \(\text{CO}_2\) accumulée dans l'atmosphère

Principe :

Seule une fraction du \(\text{CO}_2\) émis reste dans l'atmosphère à long terme.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ \text{Masse CO}_2 \text{ accumulée} = \text{Masse totale de CO}_2 \text{ émise} \times \text{Facteur de rétention atmosphérique} \]
Données spécifiques :
  • Masse totale de \(\text{CO}_2\) émise \(\approx 4,308 \text{ Gt}\) (de Q5)
  • Facteur de rétention atmosphérique : \(50\% = 0,50\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} \text{Masse CO}_2 \text{ accumulée} &= 4,308 \, \text{Gt} \times 0,50 \\ &= 2,154 \, \text{Gt} \end{aligned} \]
Résultat Question 6 : La masse de \(\text{CO}_2\) qui s'accumule effectivement dans l'atmosphère est d'environ \(2,154 \text{ Gt}\).

Quiz Intermédiaire 6 : Les principaux puits de carbone naturels qui absorbent le \(\text{CO}_2\) atmosphérique sont :

Question 7 : Augmentation de la concentration de \(\text{CO}_2\) atmosphérique (en ppm)

Principe :

On utilise le facteur de conversion donné pour relier la masse de \(\text{CO}_2\) accumulée à l'augmentation de concentration en ppm.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ \Delta C_{\text{CO}_2 \text{ (ppm)}} = \frac{\text{Masse CO}_2 \text{ accumulée (Gt)}}{\text{Masse CO}_2 \text{ par ppm (Gt/ppm)}} \]
Données spécifiques :
  • Masse \(\text{CO}_2\) accumulée \(\approx 2,154 \text{ Gt}\) (de Q6)
  • Masse \(\text{CO}_2\) par ppm : \(7,81 \text{ Gt/ppm}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} \Delta C_{\text{CO}_2 \text{ (ppm)}} &= \frac{2,154 \, \text{Gt}}{7,81 \, \text{Gt/ppm}} \\ &\approx 0,2758 \, \text{ppm} \end{aligned} \]
Résultat Question 7 : L'augmentation de la concentration de \(\text{CO}_2\) atmosphérique due à cette accumulation annuelle est d'environ \(0,276 \text{ ppm}\).

Quiz Intermédiaire 7 : "ppm" signifie :

Question 8 : Nouvelle concentration de \(\text{CO}_2\) et impact

Principe :

La nouvelle concentration est la concentration initiale plus l'augmentation calculée.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ C_{\text{final}} = C_{\text{initial}} + \Delta C_{\text{CO}_2 \text{ (ppm)}} \]
Données spécifiques :
  • Concentration initiale de \(\text{CO}_2\) : \(400 \text{ ppm}\)
  • \(\Delta C_{\text{CO}_2 \text{ (ppm)}} \approx 0,276 \text{ ppm}\) (de Q7)
Calcul :
\[ \begin{aligned} C_{\text{final}} &= 400 \, \text{ppm} + 0,276 \, \text{ppm} \\ &= 400,276 \, \text{ppm} \end{aligned} \]
Discussion de l'impact :

Une augmentation, même de \(0,276 \text{ ppm}\) en une seule année pour une région (si extrapolée globalement et répétée), contribue à l'augmentation continue de la concentration globale de \(\text{CO}_2\) atmosphérique. Cette augmentation renforce l'effet de serre, car le \(\text{CO}_2\) absorbe le rayonnement infrarouge émis par la Terre, piégeant davantage de chaleur dans l'atmosphère. Cela conduit à une élévation des températures moyennes mondiales, à des modifications des régimes climatiques (précipitations, événements extrêmes), à l'acidification des océans, et à d'autres impacts environnementaux et socio-économiques significatifs. Chaque augmentation, même minime en apparence sur une courte période, s'ajoute à un problème cumulatif.

Résultat Question 8 : La nouvelle concentration de \(\text{CO}_2\) atmosphérique serait d'environ \(400,276 \text{ ppm}\). Cette augmentation contribue au réchauffement climatique.

Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)

1. Quel est le principal gaz à effet de serre anthropique contribuant au réchauffement climatique ?

2. Lequel des processus suivants retire du \(\text{CO}_2\) de l'atmosphère ?

3. L'effet de serre est un phénomène :

4. Une Gigatonne (Gt) équivaut à :

Glossaire

Cycle du Carbone
Ensemble des processus biogéochimiques par lesquels le carbone est échangé entre l'atmosphère, les océans, la biosphère et la lithosphère de la Terre.
Effet de Serre
Phénomène naturel où certains gaz de l'atmosphère (gaz à effet de serre) retiennent une partie de la chaleur émise par la surface terrestre, maintenant ainsi une température propice à la vie. Son intensification par les activités humaines est la cause principale du réchauffement climatique.
Gaz à Effet de Serre (GES)
Gaz présent dans l'atmosphère qui absorbe et émet du rayonnement infrarouge. Les principaux GES sont la vapeur d'eau (\(\text{H}_2\text{O}\)), le dioxyde de carbone (\(\text{CO}_2\)), le méthane (\(\text{CH}_4\)), l'oxyde nitreux (\(\text{N}_2\text{O}\)) et l'ozone (\(\text{O}_3\)).
\(\text{CO}_2\) atmosphérique
Dioxyde de carbone présent dans l'atmosphère terrestre. Sa concentration est un indicateur clé du changement climatique.
Combustion
Processus chimique d'oxydation rapide d'un combustible, libérant de la chaleur et de la lumière. La combustion de matières carbonées (bois, combustibles fossiles) produit du \(\text{CO}_2\).
Photosynthèse
Processus utilisé par les plantes, les algues et certaines bactéries pour convertir l'énergie lumineuse en énergie chimique, en absorbant le \(\text{CO}_2\) atmosphérique et en libérant de l'oxygène.
Respiration
Processus métabolique chez les organismes vivants qui convertit l'énergie biochimique des nutriments en adénosine triphosphate (ATP), et libère des déchets, dont le \(\text{CO}_2\).
PPM (Partie Par Million)
Unité de mesure de concentration, indiquant une partie d'une substance par million de parties du mélange total (par volume pour les gaz atmosphériques, ppmv).
Gigatonne (Gt)
Unité de masse équivalant à un milliard (\(10^9\)) de tonnes, ou \(10^{12}\) kilogrammes.
Forçage Radiatif
Mesure de l'influence qu'un facteur (comme l'augmentation des GES) a sur l'équilibre énergétique de la Terre ; un forçage positif tend à réchauffer le système.
Combustibles Fossiles
Combustibles formés à partir de restes organiques d'organismes morts il y a des millions d'années (charbon, pétrole, gaz naturel). Leur combustion est une source majeure de \(\text{CO}_2\) anthropique.
Potentiel de Réchauffement Global (PRG)
Mesure de la contribution relative d'un gaz à effet de serre au réchauffement climatique par rapport au dioxyde de carbone, sur une période donnée (généralement 100 ans).
Cycle du Carbone et Effet de Serre

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