Introduction

Les combustibles fossiles (pétrole, gaz naturel et charbon) représentent la source d’énergie la plus utilisée dans le monde, et les besoins mondiaux ne cessent d’augmenter depuis deux siècles.

Après avoir présenté les mécanismes impliqués dans la formation des combustibles fossiles, et notamment le rôle de l’énergie solaire, nous montrerons la perturbation anthropique récente du cycle du carbone, qui a conduit à l’accumulation de CO₂ dans l’atmosphère, malgré les mécanismes naturels qui l’en extraient en partie. Nous discuterons de la part de ce phénomène dans l’augmentation de la température moyenne atmosphérique actuelle, à l’origine du changement climatique mondial.

I. Piégeage de l’énergie solaire dans les gisements de combustibles fossiles

A. Photosynthèse et stockage du carbone dans la biomasse : l’exemple de la forêt carbonifère

Il y a 360 millions d’années débute le Carbonifère, période nommée d’après l’importance des gisements européens de charbon (riches en carbone) datés de cette époque. Il durera un peu plus de 60 millions d’années et sera marqué par le développement d’une importante forêt tropicale humide sur les actuels continents de l’hémisphère nord.

Durant cette période, le supercontinent de la Pangée se forme : deux masses continentales, une au nord et une au sud, entrent en collision et forment l’immense chaîne hercynienne, dont on retrouve la trace dans les massifs anciens en France.

La masse continentale de l’hémisphère nord est située dans les zones ­intertropicales, où les conditions d’ensoleillement, de chaleur et d’humidité favorisent le développement d’une forêt luxuriante, constituée de fougères arborescentes et autres arbres (premières gymno­spermes). Cette forêt se développe grâce à la photosynthèse, dont l’équation-bilan est :

Les premières molécules organiques sont formées par photosynthèse dans les feuilles, au sein des cellules, dans les chloroplastes, où l’énergie lumineuse est captée par les pigments chlorophylliens : l’énergie solaire est ainsi convertie en énergie chimique des molécules organiques synthétisées.

Ces premières molécules serviront à la synthèse de cellulose et de lignine, constituants majeurs du bois, ce qui conduit au stockage du carbone dans la biomasse végétale.

B. Des forêts du Carbonifère aux gisements de charbon

Lorsqu’un être vivant meurt, sa matière est décomposée en CO₂ et H₂O par la respiration des micro-organismes du sol, à condition que ces derniers disposent de dioxygène. En revanche, si la matière organique sédimente dans un milieu anaérobie (où le dioxygène est absent), elle est conservée.

Les mouvements tectoniques associés à la surrection de la chaîne hercynienne forment des bassins sédimentaires. Lorsque les bassins s’affaissent, l’eau et les sédiments issus de l’érosion de la chaîne s’y déposent, conduisant à la mort de l’écosystème forestier. On peut observer en France des affleurements carbonifères riches en arbres pétrifiés, et, au niveau des couches de grès, des stratifications traduisant les mouvements de l’eau qui circulait et apportait du sable et des argiles.

L’apport permanent de sédiments, couplé aux mouvements tectoniques, conduit à l’enfouissement des couches sédimentaires, dont celles contenant la biomasse morte. Les gisements sont d’ailleurs constitués d’une alternance de couches charbonneuses et de couches stériles (sédiments minéraux).

Le phénomène se répète pendant des millions d’années. La biomasse morte est rapidement enfouie, ce qui empêche le dioxygène de circuler dans ces strates. Seules les bactéries anaérobies s’y développent et transforment la matière organique. Dans un premier temps, cette matière organique devient de la tourbe, où l’on distingue encore des restes végétaux. Ensuite, lors de son enfouissement, elle subit des températures et pressions croissantes et devient du lignite et de la houille. La richesse en carbone croît (figure 1) lorsqu’on passe de la tourbe (60 %) à la houille, et plus encore à l’anthracite (95 %). Elle devient donc davantage combustible.

C. Les autres combustibles fossiles

Les autres gisements de combustibles fossiles (pétrole, gaz naturel) se sont formés suivant des mécanismes semblables :

en premier lieu, conversion de l’énergie solaire en énergie chimique par la photosynthèse d’organismes planctoniques en milieu aquatique ;

en second lieu, suite à leur enfouissement, transformation et stockage des matières organiques mortes en combustibles fossiles.

Ainsi, l’énergie solaire du passé s’est retrouvée convertie en énergie chimique dans les différents combustibles fossiles formés au cours de millions d’années d’enfouissement.

II. Consommation des combustibles fossiles et effet de serre

A. Modification anthropique du cycle du carbone préindustriel et augmentation de la concentration atmosphérique en CO₂

Les données sur la composition de l’atmosphère emprisonnée dans les glaces de l’Antarctique durant les 10 000 dernières années indiquent que la teneur en CO₂ est restée à peu près stable jusqu’à la révolution industrielle, il y a 150 ans environ. Elle était de 280 ppm. Actuellement, elle est de plus de 400 ppm, et augmente constamment.

La stabilité de la teneur en CO₂ de l’atmosphère avant l’ère industrielle était due à un équilibre entre les mécanismes naturels qui prélèvent du CO₂ de l’atmosphère et ceux qui l’y restituent (figure 2).

Depuis 150 ans, les émissions anthropiques de CO₂ dans l’atmosphère sont passées de 1 à 34 Gt·an^–1 (soit 34 fois plus), ce qui représente chaque année un ajout important au rejet naturel dû à la respiration et à la fermentation des êtres vivants, ainsi qu’à la diffusion du CO₂ des eaux océaniques vers l’atmosphère. Les mécanismes prélevant le CO₂ (photosynthèse des végétaux terrestres et océaniques, dissolution du CO₂ dans les eaux océaniques [flèches bleues descendantes sur la figure 2]) ne compensent que partiellement cet apport anthropique, d’où l’augmentation constante de la teneur en CO₂ de l’atmosphère.

L’homme, pour assurer ses divers besoins énergétiques, convertit l’énergie des combustibles fossiles par combustion. L’utilisation des combustibles fossiles libère massivement dans l’atmosphère le CO₂ qui avait mis des millions d’années à être prélevé. Équation-bilan de la combustion :

C + O₂ → CO₂ + énergie exploitable pour les activités humaines

B. Augmentation du CO₂ produit et réchauffement de l’atmosphère

Le CO₂ atmosphérique est un gaz à effet de serre qui absorbe une partie du rayonnement infrarouge émis par la Terre. Il émet lui-même un rayonnement infrarouge, dont une partie est absorbée par la Terre et contribue à sa température (en absence d’effet de serre, la température moyenne terrestre serait de –18 °C). L’amplification de l’effet de serre due au CO₂ d’origine anthropique engendre une augmentation de la température de la surface terrestre et une modification du climat.

De plus, il existe des mécanismes amplificateurs du réchauffement de l’atmo­sphère, consécutifs à l’amplification de l’effet de serre liée à l’utilisation des combustibles fossiles : la fonte de la banquise arctique et des glaces continentales (glaciers, calottes polaires) augmente. Le volume et la surface de ces derniers diminuent, ce qui affaiblit l’albédo, la part de l’énergie solaire renvoyée vers l’espace. En conséquence, les eaux polaires absorbent plus d’énergie solaire qu’avant l’ère préindustrielle, provoquant une augmentation de la température de l’atmosphère arctique supérieure à celle des autres latitudes.

Conclusion

Le réchauffement climatique actuel est dû à une augmentation de la teneur en CO₂ de l’atmosphère, en particulier depuis une cinquantaine d’années. Cela engendre une augmentation de l’effet de serre naturel et donc une hausse de la température moyenne de la surface terrestre.

L’accroissement de la teneur en CO₂ atmosphérique est provoqué par l’utilisation par l’homme des combustibles fossiles. Par leur combustion, l’homme convertit leur énergie chimique en énergie utilisable pour ses besoins, mais cela s’accompagne d’un fort rejet de CO₂ dans l’atmosphère.

L’origine de l’énergie des charbons et pétroles est à rechercher dans leur formation. Ils sont formés à partir des matières organiques fabriquées par photosynthèse par les organismes chlorophylliens du passé. Au cours de ce phénomène, l’énergie solaire est convertie en énergie chimique des matières organiques.

Pour devenir combustibles, les matières organiques doivent être soustraites à l’action des êtres vivants décomposeurs. Cela est réalisé par leur enfouissement dans des bassins sédimentaires, au cours duquel elles subissent des transformations qui les convertissent en combustibles fossiles.

Comme l’énergie des combustibles fossiles provient de l’énergie solaire du passé, piégée par la photosynthèse des végétaux, on peut conclure que l’augmentation de la teneur en CO₂ atmosphérique résulte de l’utilisation de l’énergie solaire d’un passé plus ou moins lointain, ou, en d’autres termes, que le réchauffement climatique actuel est en partie lié à l’utilisation de l’énergie solaire du passé.

Le réchauffement climatique entraîne une évaporation plus intense, ce qui modifie le cycle de l’eau et est à l’origine de changements climatiques dans l’ensemble des régions du monde (désertifications, augmentation des phénomènes climatiques extrêmes). À cela s’ajoute l’augmentation du niveau des océans par dilatation thermique et fonte des glaces continentales. Ces changements provoquent famines et migrations, et réduisent la biodiversité. Il est urgent de limiter notre consommation de combustibles fossiles.