H280 : Contient un gaz sous pression ; peut exploser sous l'effet de la chaleur P403 : Stocker dans un endroit bien ventilé. P410 : Protéger du rayonnement solaire.
Code Kemler : 20 : gaz asphyxiant ou qui ne présente pas de risque subsidiaire Numéro ONU : 1013 : DIOXYDE DE CARBONE Classe : 2.2 Code de classification : 2A : Gaz liquéfié, asphyxiant ; Étiquettes : 2.2 : Gaz ininflammables, non toxiques (correspond aux groupes désignés par un A ou un O majuscule); 9.1
Code Kemler : 22 : gaz liquéfié réfrigéré, asphyxiant Numéro ONU : 2187 : DIOXYDE DE CARBONE LIQUIDE RÉFRIGÉRÉ Classe : 2.2 Code de classification : 3A : Gaz liquéfié réfrigéré, asphyxiant ; Étiquettes : 2.2 : Gaz ininflammables, non toxiques (correspond aux groupes désignés par un A ou un O majuscule); 9.1
Code Kemler : - Numéro ONU : 1845 : DIOXYDE DE CARBONE SOLIDE ; ou NEIGE CARBONIQUE Classe : 9 Code de classification : M11 : Autres matières qui présentent un risque pendant le transport mais qui ne correspondent à la définition d'aucune autre classe. Étiquettes : 9 : Matières et objets dangereux divers 9.1
À lapression atmosphérique, il sesublime à−78,5 °C[11] (passage de l'état solide à l'état gazeux), mais ne fond pas (passage de l'état solide à l'état liquide).
Il existeraitau moins cinq phases solides moléculaires (existant à « basse » pression, moins de 30 à 60 GPa) et trois phases solides polymériques (aux pressions plus élevées) du CO2[16] :
phases moléculaires :
I : la « glace sèche », jusqu'à 800 K et 11-12 GPa
II : entre 400 et 5-600 K et une pression de 12 à environ 50 GPa
Il est égalementliposoluble (soluble dans les corps gras).
L’acide carbonique n’est que modérément stable et il se décompose facilement en H2O et CO2. En revanche, lorsque le dioxyde de carbone se dissout dans une solution aqueuse basique (soude, potasse…), la base déprotone l’acide carbonique pour former un ionhydrogénocarbonate HCO– 3, aussi appelé ionbicarbonate, puis un ioncarbonate CO2– 3. De cette façon, la solubilité du CO2 est considérablement augmentée. Lecarbonate de potassium K2CO3 a par exemple unesolubilité de1,12kg/l d'eau à20 °C.
C'est ainsi que lecalcaire se dissout dans l'eau, dans la plage depH dans laquelle l'hydrogénocarbonate acide est stable, en produisant une solution d'hydrogénocarbonate(s) (de calcium et de magnésium…). Il est donc susceptible de précipiter lorsque le CO2 dissous est dégazé, comme dans la formation desstalagmites et desstalactites. Le calcaire a ainsi, en présence de CO2, une solubilité qui diminue quand la température augmente, à l'instar des gaz et au contraire de la plupart des solides (dont la solubilité augmente généralement avec la température).
Dans certaines conditions (haute pression + basse température) le CO2 peut être piégé dans des cages d'eau ditesclathrates[17],[18],[19]. C'est un des moyens possibles de séparation industrielle du CO2 contenu dans un gaz[20] en pré- oupostcombustion[21]. C'est aussi un des moyens envisagés de séquestration industrielle de CO2[22],[23] ou de stockage géologique étudié, éventuellement corrélativement à ladésalinisation d'eau de mer[24],[25] (il peut théoriquement même être substitué à l'hydrate de méthane)[26].
Le dioxyde de carbone est l'un des premiers gaz (avec lavapeur d'eau) à avoir été décrit comme étant une substance distincte de l'air. AuXVIIe siècle, le chimiste et médecinflamandJean-Baptiste Van Helmont observa qu'en brûlant ducharbon de bois en vase clos, la masse des cendres résultantes est inférieure à celle du charbon. Son interprétation était que la masse manquante s'étaittransmutée en une substance invisible qu'il nomme « gas » ouspiritus sylvestre (« esprit sauvage »)[27].
Les propriétés du dioxyde de carbone furent étudiées plus en détail dans lesannées 1750 par le chimiste et physicienécossaisJoseph Black. Il découvrit qu'en chauffant ou en versant un acide sur ducalcaire (roche composée decarbonate de calcium), il en résultait l'émission d'un gaz, qu'il nomma « air fixe », mettant à mal la théorie duphlogiston encore enseignée à cette époque. Il observa que celui-ci est plus dense que l'air et qu'il ne peut ni entretenir une flamme, ni la vie d'un animal. Black découvrit également que lorsque le dioxyde de carbone est introduit dans une solution calcaire (hydroxyde de calcium), il en résulte unprécipité de carbonate de calcium. Il utilisa ce phénomène pour illustrer le fait que le dioxyde de carbone est produit par la respiration animale et la fermentation microbienne[28].
En 1772, le chimisteanglaisJoseph Priestley publia un ouvrage intituléImpregnating Water with Fixed Air dans lequel il décrivit un processus consistant à verser de l'acide sulfurique (ou « huile de vitriol » comme on la nommait à cette époque) sur de la craie afin de produire du dioxyde de carbone, puis forçant le gaz à se dissoudre dans un bol d'eau. Il venait d'« inventer » l'eau gazeuse[29]. Le procédé est ensuite repris parJohann Jacob Schweppe qui fonda, en1790, àLondres une usine de production desoda connue sous le nom deSchweppes.
Le dioxyde de carbone fut liquéfié pour la première fois en1823 parHumphry Davy etMichael Faraday[30]. La première description du dioxyde de carbone en phase solide fut écrite parAdrien Thilorier, qui en1834 ouvrit un container pressurisé de gaz carbonique liquéfié et découvrit que le refroidissement produit par la rapide évaporation du liquide générait de la « neige » de CO2[31],[32].
Le dioxyde de carbone est commercialisé sous différentes formes pour des usages variés, dans un marché dominé par des grandes entreprises commeMesser,Air liquide etAir Products[33]. Pour l'industrie agro-alimentaire, la norme de référence en Europe est éditée par l'European Industrial Gases Association(de) (association européenne des gaz industriels)[34]. En France, elle représente 70 % de la consommation[33].
l’extinction desfeux : beaucoup decentres de données (salles de serveurs d’ordinateurs) ou de salles d'archives sont équipés d’un système qui, en cas d’incendie, remplit la salle de CO2 ce qui a pour effet d’éteindre le feu ;
enaquariophilie et culture sous serre pour une meilleure croissance des plantes ;
en emballages à atmosphère contrôlée comme élément neutralisant ;
en distribution d’eau potable, associé au carbonate, pour relever ladureté de l'eau (TH) des eaux trop agressives ;
solubilisation ducalcaire dans les eaux dures (TH supérieur à25°F) ;
les pompes à bière : en étant en contact avec la surface de la bière, il évite sonoxydation et prolonge sa conservation, contrairement à un compresseur utilisant de l'air (ambiant) ;
on se sert aussi parfois du CO2 dans les grands abattoirs de porcs afin de les insensibiliser avant de les saigner ; il a été utilisé pour laconservation de la viande ;
composant nécessaire au phénomène de photosynthèse qui permet aux végétaux de croître en transformant les matières inorganiques en matières organiques constituant ainsi leur bois[36] ;
fluide caloporteur dans certains types de réacteurs nucléaires tels que ceux de la filièreUNGG en France ;
il est utilisé de par sa diffusibilité (aptitude à se diffuser) pour la création dupneumopéritoine lors descœlioscopies.
agent d’extinction dans lesextincteurs dits « au dioxyde de carbone », on parle parfois de neige carbonique parce qu'une partie du CO2 liquide se solidifie immédiatement à la sortie de l’extincteur en produisant une poudre blanche en mélange avec du dioxyde de carbone gazeux ;
agent propulseur (et parfois également carbonatant) pour les boissons servies à la pression.
Quand il est utilisé commefluide frigorigène, le CO2 porte la dénomination de nomenclature industrielle « R744 ». Son utilisation comme fluide frigorigène tend à se démocratiser ces dernières années : il est considéré comme « frigorigène naturel », et sonpotentiel de réchauffement global est très faible comparé aux fluides frigorigènes « traditionnels ».
À pression atmosphérique, le dioxyde de carbone n’est jamais sous forme liquide. Il passe directement de la forme solide à la forme gazeuse (sublimation).
Bâtonnets de glace carbonique se sublimant à l'air.
Le dioxyde de carbone sous forme solide a de nombreuses appellations : « glace carbonique », « neige carbonique », « Carboglace »[37], « glace sèche ». Il est issu de lasolidification du CO2 liquide. On obtient de la neige carbonique qui est ensuite comprimée pour obtenir de la glace carbonique.
pour laconservation, le transport des produits sous température dirigée (produits pharmaceutiques, transport de surgelés, transport d'échantillons, etc.),
dans l'évènementiel : la glace carbonique dans l'eau forme un brouillard très dense qui glisse le long des parois du contenant ;
pour la recherche fondamentale ou appliquée, par exemple :
en chimie, commeréfrigérant en mélange avec un solvant organique (le plus souvent l'acétone) afin de mieux conduire la chaleur, plus rarement comme réactif. Dans ce domaine, on utilise le terme de « Carboglace » en France, ou juste « carbo » dans le langage parlé, et jamais le terme « glace sèche » qui est par contre privilégié au Québec ;
pour le ravitaillement aérien (catering), les traiteurs, les pompes funèbres, etc. ;
en pains :
pour faire du brouillard épais (effets spéciaux, cinéma, vidéo).
Le dioxyde de carbone solide est également présent sous forme de neige carbonique aux pôles de la planèteMars, où il couvre pendant l'hiver local lescalottes glaciaires (composées d'eau très majoritairement) et leurs périphéries, ainsi que sous forme de givre carbonique à plus basse latitude, en fin de nuit au début des printemps locaux (photographies prises par les atterrisseursViking, le roverSojourner, l’atterrisseurPhoenix, et de nombreuses imagesHRSC). Des dépôts importants en sont géologiquement séquestrés au pôle sud[39].
Au-delà de son point critique, le dioxyde de carbone entre dans une phase appeléesupercritique. La courbe d'équilibre liquide-gaz est interrompue au niveau du point critique, assurant à la phase supercritique un continuum des propriétés physico-chimiques sans changement de phase. C'est une phase aussi dense qu'un liquide mais assurant des propriétés de transport (viscosité, diffusion) proches de celles d'un gaz. Le dioxyde de carbone supercritique est utilisé comme solvant vert, les extraits étant exempts de trace de solvant.
élimination de la2,4,6-trichloroanisole (TCA) des bouchons de liège traités au chlore (ou à l'hypochlorite) pour éviter de donner un goût bouchonné au vin après sa mise en bouteille,
extraction de composés chimiques ou biologiques,
purification de composés chimiques (phase mobile enchromatographie, notamment enSFC) ;
C'est unsous-produit de processus industriels à grande échelle. Un exemple est la production d'acide acrylique qui est produit dans une quantité de plus de cinq millions de tonnes par an. Le défi dans le développement de ces procédés est de trouver un catalyseur et des conditions de procédé appropriés qui maximisent la formation du produit et minimisent la production de CO2[40],[41],[42],[43].
Enfin, le CO2 peut être réduit, par exemple enmonoxyde de carbone,acide formique,formaldéhyde,méthanol oumethane[44]. La réaction implique un réducteur –dihydrogène, électrons ouhydrures – et le plus souvent uncatalyseur métallique[44],[45]. Idéalement, ces catalyseurs doivent être sélectifs pour la réduction du CO2 en un produit unique. Le cuivre et le platine sont descatalyseurs hétérogènes efficaces pour l’hydrogénation du CO2 en méthanol. Quand les électrons sont apportés à un catalyseur moléculaire par une électrode, on cherche à identifier des catalyseurs qui minimisent lasurtension nécessaire à la réaction, et à éviter la production compétitive d'hydrogène. Desporphyrines de fer peuvent être utilisée pour réduire le CO2 en CO[46]. Des systèmes moléculaires artificiels permettent demimer la photosynthèse en couplant l'absorption de lumière à un transfert d'électrons vers un catalyseur de réduction du CO2[47],[48]. Certainesmétalloenzymes (CO-déshydrogenase,formate déshydrogénase) utilisent des cofacteurs à base de nickel, fer ou molybdène pour catalyser sélectivement, rapidement et presque sans surtension la réduction du CO2[49].
L'air extérieur contient, en 2019, environ 0,04 % de CO2 (412 ppm en janvier 2019)[50].
À partir d'une certaine concentration dans l'air, ce gaz s'avère dangereux voire mortel à cause du risque d'asphyxie ou d'acidose, bien que le CO2 ne soit pas chimiquement toxique. La valeur limite d'exposition est de 3 % sur une durée de quinze minutes[51]. Cette valeur ne doit jamais être dépassée. Au-delà, les effets sur la santé sont d'autant plus graves que la teneur en CO2 augmente. Ainsi, à 2 % de CO2 dans l'air, l'amplitude respiratoire augmente. À 4 % (soit 100 fois la concentration actuelle dans l’atmosphère), la fréquence respiratoire s'accélère. À 10 %, peuvent apparaître des troubles visuels, des tremblements et des sueurs. À 15 %, c'est laperte de connaissance brutale. À 25 %, un arrêt respiratoire entraîne la mort.
L'inhalation de dioxyde de carbone concentré entraîne un blocage de la ventilation, parfois décrit comme une violente sensation d'étranglement, un souffle coupé, une détresse respiratoire ou encore uneoppression thoracique, pouvant rapidement mener à la mort si l'exposition est prolongée.
Les humains passent de plus en plus de temps en atmosphère confinée (environ 80-90 % du temps dans un bâtiment ou un véhicule). Selon l'ANSES et divers acteurs[53] en France, le taux de CO2 dans l'air intérieur des bâtiments (lié à l'occupation humaine ou animale et à la présence d'installations decombustion), pondéré par le renouvellement de l'air, est« habituellement compris entre 350 et 2 500 ppm environ »[52].
Dans les logements, les écoles, les crèches et les bureaux, il n'y a pas de relations systématiques entre les taux de CO2 et d'autres polluants, et le CO2 intérieur n'est statistiquement pas un bon prédicteur de polluants liés au trafic routier (ou aérien...) extérieur[54]. Le CO2 est le paramètre qui change le plus vite (avec l'hygrométrie et le taux d'oxygène quand des humains ou des animaux sont rassemblés dans une pièce fermée ou mal aérée[55]. Dans les pays pauvres de nombreux foyers ouverts sont sources de CO2 et de CO émis directement dans le lieu de vie.
Un cas particulier est celui dessalles de sport où l'effort physique implique un besoin supplémentaire en oxygène et une augmentation du CO2 expiré par les joueurs (et les spectateurs). Par exemple, lors des matchs dehockey sur glace, le CO2 augmente de 92 à 262 ppm lors d'un match (surtout joué par des hommes adultes). Au centre de la patinoire, le taux de CO2 dépasse les 1000 ppm à chaque match (seuil max. recommandé par l'Institut norvégien de la santé publique)[59]. Les mesures in situ montrent qu'un joueur respire un air plus enrichi en CO2 que les spectateurs, et que le taux de CO2 descend durant les temps de repos et remonte durant le temps joué. Lanuit après un match, dans une salle de hockey fermée, il faut près d'une dizaine d'heures pour retrouver un taux de CO2 bas (600 à 700 ppm), qui est encore au-dessus de la normale[59]. En outre dans les pays froids, tempérés ou chauds, de nombreuses salles de sport sont climatisées ; pour des raisons d'économie d'énergie elles n'ont pas un renouvellement d'air extérieur constant ou suffisant. Durant un match de hockey sur glace, les femmes et les enfants émettent moins de CO2 que les hommes, mais dans une même salle, le degré d'augmentation du taux de CO2 dans l'air de la salle de sport est comparable, et dans tous les cas étudiés la pause entre deux matchs ne réduit pas la concentration en CO2 assez pour que le taux au début de la deuxième période soit aussi faible qu'au début de la première[60]. Quand le nombre de spectateurs augmente, le taux de CO2 dans la salle augmente plus encore[59]. Le nombre d'ouvertures/fermetures de portes donnant sur l'extérieur influe aussi sur le renouvellement d'air et donc le taux de CO2 dans la salle de sport. Des études ont montré une diminution des performances cognitives et de décision ou d'apprentissage quand le CO2 augmente. Peu d'études ont porté sur l'effet de ce même CO2 sur les performances sportives d'un individu ou de son équipe[61].
Il n'est pas réglementé dans l'air du domicile ; mais il doit être mesuré en tant qu'« indicateur de confinement et de la qualité du renouvellement de l'air » dans certains lieux confinés, sur la base de normes dont l'ANSES estime qu'elles n'ont pas de bases sanitaires[52].
Un décret du impose une surveillance de la qualité de l'air intérieur à certains établissements recevant du public sensible tel que les enfants ; il propose le calcul d'un « indice de confinement » dit « indice Icone » (proposé par leCentre scientifique et technique du bâtiment (CSTB) sur la base de la fréquence de dépassement des niveaux de CO2 par rapport à deux seuils de 1 000 et 1 700 ppm dans lessalles de classe[52].
Dans de fortes concentrations approchant les 50 à 100 %, telles que celles retrouvées dans les nappes de dioxyde de carbone d'origine artificielle en milieu professionnel, il peut se produire un effet desidération nerveuse et uneperte de conscience immédiate, suivie d'une mort rapide en l'absence d'aide extérieure. Ces accidents présentent un risque élevé desuraccident, des témoins pouvant se précipiter au secours de la victime sans penser à leur propre sécurité et devenir eux aussi victimes de l'intoxication.
Augmentation annuelle de CO2. En quarante ans, de 1960 à l'an 2000 (un peu plus d'une génération humaine), le taux moyen annuel de CO2 a augmenté de 37 % (NOAA)[63].Évolution depuis 1958 du taux de CO2 mesuré dans l'air à l'observatoire deMauna Loa, ditecourbe de Keeling. La figure en encart détaille la chute saisonnière du CO2 durant la saison de végétation (d'avril à octobre) et son élévation en automne/hiver de l'hémisphère nord (la végétation terrestre est plus importante dans l'hémisphère nord).Comparaison des courbes de température, de concentration en CO2 et d'activité solaire. La part anthropique du réchauffement semble augmenter depuis la révolution industrielle. Légende et sources : *bleu clair : CO2 d'après les carottes de glace polaire, NOAA/ Law Dome[64] ; *bleu : CO2 à Mauna Loa, NOAA/Mauna Loa[65] ; *rouge : température (°C), Unité de recherche climatique (Univ. East Anglia)[66] ; *orange : taches solaires, Solar Influences Data Analysis Center (SIDC)[67].Première courbe de reconstitution sur mille ans des températures passées à partir descarottes de glace polaires. Cette courbe, reprise par leGIEC, a étécontestée par lesclimato-sceptiques jugeant qu'elle sous-estimait les taux de CO2 des années 1920 ou antérieures, ou que les bulles piégées dans la glace ne sont pas assez représentatives des teneurs passées de l'air. Des travaux plus récents ont confirmé un profil de ce type[68]. La rapidité d'augmentation du taux de CO2 depuis larévolution industrielle n'est pas contestée, et semble sans commune mesure avec ce qui est rétrospectivement observé pour les derniers millénaires (depuis la fin de ladernière glaciation).
Le dioxyde de carbone n'est normalement présent dans l'atmosphère terrestre qu'à l'état de traces. Il est mesuré par unindice, nommé « Annual Greenhouse Gas Index » (AGGI) depuis 1979 par un réseau d'une centaine de stations sur terre et en mer, disposées de l'Arctique au pôle Sud.
La teneur en CO2 diffère entre les hémisphères, chacun connaissant des variations saisonnière régulières (voir le motif « en dents de scie » sur le graphique de droite, montrant une baisse de CO2 ensaison devégétation et une augmentation en hiver). Apparaissent aussi des variations régionales, en particulier au niveau de lacouche limite atmosphérique, c'est-à-dire dans les couches proches du sol.
Les taux de CO2 sont généralement plus élevés dans les zones urbaines et dans les habitations (jusqu'à dix fois le niveau de fond).
Peu après laformation de la Terre (bien avant l'apparition de la vie), alors que le Soleil était presque deux fois moins « chaud », la pression initiale de CO2 était environ 100 000 fois plus élevée qu'aujourd’hui (30 à 60 atmosphères de CO2 (soit3 000 000 à6 000 000 pascals), soit 100 000 fois la quantité actuelle de CO2 il y a environ 4,5 milliards d'années)[74].
Puis lavie et laphotosynthèse sont apparues, prélevant le CO2 de l'atmosphère et de l'eau pour le transformer en rochescarbonatées et en charbon, pétrole et gaz naturel, en grande partie enfouis dans les profondeurs de la Terre[74]. Le taux de CO2 a néanmoins encore connu quelques pics de bien moindre importance (vingt fois plus élevée qu'aujourd'hui il y a environ un demi milliard d'années, mais le Soleil était alors moins chaud qu'aujourd'hui (lerayonnement solaire croît avec le temps ; il a augmenté d'environ 40 % dans les quatre derniers milliards d'années)[74]. Le taux de CO2 a encore chuté de quatre à cinq fois durant leJurassique, puis a diminué lentement, sauf, de manière accélérée durant un épisode géologiquement bref, dit « évènement Azolla » (il y a environ49 millions d'années)[75],[76].
Le volcanisme émet aussi du CO2, qui représente jusqu'à 40 % des gaz émis par certainsvolcans lors des éruptions subaériennes[77], de même que certainessources chaudes (par exemple sur le site italien de Bossoleto, près deRapolano Terme, où dans une dépression en forme de cuvette d'environ 100 m de diamètre, par nuit calme, le taux de CO2 peut grimper de 75 % en quelques heures, assez pour tuer lesinsectes et petits animaux ; mais la masse de gaz se réchauffe rapidement quand le site est ensoleillé et est alors dispersée par les courants de convection de l'air durant la journée[78]). Localement, des concentrations élevées de CO2, produites par la perturbation de l'eau d'un lac profond saturé en CO2 peuvent aussi tuer (exemple :37 morts lors d'une éruption de CO2 à partir dulac Monoun auCameroun en 1984 et 1 700 victimes autour dulac Nyos, au Cameroun également, en 1986[79].
Les émissions de CO2 par les activités humaines sont actuellement plus de130 fois supérieures à la quantité émise par les volcans, atteignant près de27 milliards de tonnes par an en 2007[80]. En 2016, l’agence météorologique de l’ONU indique que la concentration de dioxyde de carbone a atteint un nouveau record historique, soit403,3ppm[81], et un record de température a été battu pour l'El Niño de 2017 selon l'OMM[82] alors qu'à 405 ppm, le taux de CO2 de l'air n'a jamais été aussi élevé depuis environ 800 000 ans[82].
Des thèses climatosceptiques réapparaissent sur les réseaux sociaux en 2023, s'appuyant sur le fait avéré que la teneur en CO2 de l'atmosphère est seulement de 0,04 % et sur l'affirmation erronée selon laquelle« l'activité humaine n'y contribue que pour 5 % » pour nier sa responsabilité dans l'effet de serre, contrairement au consensus scientifique[85].
Son contenu est peut-être sujet à caution etdoit absolument être sourcé. Si vous connaissez le sujet traité ici, vous pouvez la retravailler à partir de sources pertinentes en utilisant notamment lesnotes de bas de page.(Marqué depuis janvier 2020)
Un taux plus élevé de CO2 stimule la photosynthèse et la croissance des plantes, avec des avantages potentiels pour la productivité des cultures céréalières, première source alimentaire dans le monde[86] pour les humains et les animaux d'élevage. Le carbone, tiré du dioxyde de carbone de l'air par les plantesautotrophes grâce au processus de la photosynthèse, ou tiré du carbone du sol, est effectivement l'un des principaux nutriments duréseau trophique. L'augmentation de la biomasse est l'un des effets des simulations d'expériences prédisant une augmentation de 5 à 20 % du rendement des cultures à 550 ppm de CO2. Il a été démontré que les taux de photosynthèse foliaire augmentent de 30 à 50 % dans les plantes C3 et de 10 à 25 % dans le C4 sous des niveaux de CO2 doublés[87].
À partir de 2010, un tableau plus complet se dessine, avec une différence significative des réponses observées pour différentes espèces végétales, les disponibilités en eau et la concentration d'ozone. Par exemple, le projet HorshamFree-air concentration enrichment (FACE) 2007-2010 (utilisant des cultures de blé) à Victoria, en Australie, a constaté que « l'effet du CO2 était d'augmenter la biomasse des cultures à maturité de 20 % et la biomasse des racines de l'anthèse de 49 % »[88]. Il a été constaté qu'une augmentation du dioxyde de carbone atmosphérique réduisait la consommation d'eau des plantes et, par conséquent, l'absorption d'azote, ce qui bénéficiait particulièrement aux rendements des cultures dans les régions arides[89].
Effets envisagés sur la valeur alimentaire des plantes
Cependant, si l'élévation du taux de CO2 atmosphérique dope effectivement la croissance (descéréales par exemple), pour des raisons encore mal comprises, elle diminue alors la valeur nutritionnelle des principales cultures de base (riz,blé etpomme-de-terre notamment), en diminuant leur taux deprotéines[90], d'oligo-éléments et devitamines du groupe B[91],[92]. En conditions expérimentales, le taux de CO2 augmenté (même non-combiné à une température augmentée) se traduit par un taux desucres plus élevé dans les végétaux cultivés (source d'alcools de plus en plus forts pour le raisin), mais aussi par des carences en protéines et en minéraux[93]. Le riz présente en outre souvent des concentrations élevées d'arsenic[94], que l'acidification des milieux peut aggraver. Enfin, des concentrations plus élevées de CO2 exacerbent l'acidification des eaux douces et l'acidification des océans, ce qui pourrait affecter la productivité des algues (et donc l'algoculture).
Pour cette raison, selon une étude récente (2018), dès 2015-2050, le taux anormalement élevé de CO2 de notre atmosphère pourrait dans le monde entraîner avant 2050 des maladies induites chez l'homme et certains animaux d'élevage (porcs, vaches, volailles) par des carences alimentaires[95]. Dans une étude publiée dans un numéro spécial dePLOS Medicine sur le changement climatique et la santé, Christopher Weyant et ses collègues de l'université Stanford se sont concentrés sur deuxmicronutriments essentiels, lezinc et le fer[95],[96]. En tenant compte du dérèglement climatique et des habitudes alimentaires, ils montrent que le risque de maladie évoluera dans les 137 pays[97]. Si rien n'est fait, l'augmentation du taux de CO2 diminuera le taux de zinc et de fer des aliments, coûtant environ 125,8 millions d'années de vie corrigées de l'incapacité (intervalle de confiance de 95 % [CrI] 113,6–138,9) dans le monde pour la période 2015–2050, en raison d'une augmentation desmaladies infectieuses, desdiarrhées et des cas d'anémie, tout particulièrement enAsie du Sud-Est etAfrique où la population est déjà très affectée par des carences en zinc et fer[95]. Les enfants seraient particulièrement affectés, avec des risques de troubles irréversibles du développement liés à ces carences, transmissible sur plusieurs générations au moins pour des raisonsépigénétiques[98].
L'étude de Weyant indiquerait aussi que l'inégalité nutritionnelle pourrait augmenter, et montrerait que les réponses traditionnelles desanté publique (dont lasupplémentation en minéraux et vitamines, et le contrôle renforcé des maladies humaines et animales) pourraient ne pas suffire à endiguer le phénomène. En effet, de telles réponses ne permettraient de réduire que 26,6 % (95 % des IC 23,8–29,6) de ce fardeau sanitaire, humain et économique, tandis qu'une stratégie efficace de réduction des émissions de gaz à effet de serre, telle que proposée par l'Accord de Paris sur le climat, permettrait d'éviter jusqu'à 48,2 % (95% de l'indice CIF 47,8–48,5) de cette charge[95].
Bien que le CO2 nourrisse la croissance des plantes, son excès induit une dégradation de leur valeur alimentaire qui aura des conséquences globales pour toutes les créatures vivantes qui consomment des plantes, y compris l'homme[95]. Les auteurs incitent à mieux étudier les effets de l'augmentation du CO2 atmosphérique sur d'autres composés d'origine végétale ayant des implications pour la santé humaine (ex : acides gras, vitamines, composés pharmacologiques[99],[92], d'autant que cette étude n'a pas tenu compte d'autres conséquences de l'augmentation du CO2, sur les aléas météorologique et biologiques (déprédation accrue...) sur la sécurité alimentaire, l'accès aux aliments, leur usage et la stabilité des prix, ni les chaines de conséquences différées dans l'espace et le temps (effets à long terme de la dénutrition notamment)[100].
Les rendements agricoles stagnent ou se dégradent dans une partie du monde, en raison notamment du réchauffement (vagues de chaleur...) et de régimes de précipitations modifiés. Les cultures vitales (blé et riz notamment) sont déjà affectées en zone tropicale et tempérée et des études prospectives laissent penser que les cultures de riz et de maïs pourrait décliner de 20 à 40 % rien qu'à cause des hausses de température prévues en zone tropicale et subtropicale d'ici à 2100, dans même prendre en compte les effets des évènements climatiques extrêmes[101]. Ce contexte pourrait causer des hausses des prix des aliments, les rendant inabordable pour les plus pauvres, alors que la hausse des teneurs de l'air en CO2 pourrait aussi réduire la qualité nutritionnelle, des céréales notamment, importantes pour la santé humaine et, potentiellement, pour celle des animaux (également sources delait et deviande (et donc de protéines)[95], pendant qu'en mer labiomasse en poisson diminue aussi.
« On ignore encore si le déclin de la valeur nutritive des cultures vivrières induit par le CO2 est linéaire et si la qualité nutritionnelle a déjà baissé en raison de l'augmentation du CO2 depuis le début de la révolution industrielle. »
En complément des mesures d'adaptation au Changement climatique, les mesures de réduction des émissions de CO2 et piégeage biologique du CO2 restent urgemment nécessaires. Descultivars moins sensibles aux déficits nutritionnels dans un climat qui se réchauffe sont à rechercher concluent les travaux de Weyant et ses collègues[95].
Les effets de l'augmentation du CO2 sur les plantes se montrent plus préoccupants que ce qui était prédit par les premiers modèles des années 1990 et du début des années 2000[102]. Morganet al., sur la base d'expériences de laboratoire etin situ, ont confirmé dès 2004 que dans les écosystèmes émergés, le CO2, même quand il améliore la productivité en termes de biomasse, peut néanmoins avoir des effets négatifs en modifiant lacomposition des espèces et en réduisant ladigestibilité desgraminées courtes par exemple dans la végétationsteppique)[103].
Évolution sur un an (de septembre 2014 à août 2015) de la teneur en CO2 de lacolonne atmosphérique, mesurée par le satelliteOCO-2.Simulation numérique de la teneur future de l'atmosphère en CO2 si la terre et les océans ne peuvent plus absorber près de la moitié des émissions de CO2 à l'origine duchangement climatique.
Le CO2 est le deuxièmegaz à effet de serre le plus important dans l'atmosphère après lavapeur d'eau, contribuant respectivement à hauteur de 26 % et 60 % à ce phénomène[104]. La réalité duchangement climatique observé à l'échelle planétaire depuis le siècle dernier n'est aujourd'hui plus guère contestée d'un point de vue scientifique[105], mais la part exacte de responsabilité du dioxyde de carbone dans ce processus (par rapport auméthane notamment) doit encore être précisée, grâce aux enregistrements fossiles des paléoclimats notamment[106].
Le CO2 a un certain effeteutrophisant (c'est unnutriment de base, essentiel pour les plantes), mais il est aussi un facteur d'acidification des océans et de certaines masses d'eau douce, qui peut négativement interférer avec de nombreuses espèces (dont certainesmicroalgues et autresmicroorganismes aquatiques protégées par des structures calcaires que l'acide carbonique peut dissoudre). L'acidification favorise aussi la libération et la circulation et donc la biodisponibiltié de la plupart desmétaux lourds,métalloïdes ouradionucléides (naturellement présent dans les sédiments ou d'origine anthropique depuis la révolution industrielle surtout).
L'augmentation de la teneur de l'atmosphère en CO2 peut aussi avoir des effets différenciés voire antagonistes selon son taux, le contexte environnemental etbiogéographique et selon des données plus récentes selon lasaison et les variations saisonnières de lapluviométrie (au-dessus des forêts notamment[113]) ;
En 2013, la réponse réelle des écosystèmes au CO2 et ses modulations biogéographiques sont encore considérées comme complexes et à mieux comprendre, en raison de nombreux« feedbacksbiogéochimiques »[115],[116]. Elle doit être néanmoins élucidée si l'on veut correctement évaluer voireprédire les capacités planétaires ou locales des écosystèmes en termes destockage naturel du carbone et d'amortissement des effets duchangement climatique d'origine anthropique[117].
Lesrétroactions médiées par lecycle hydrologique sont particulièrement importantes[118] et la pluviométrie y joue un rôle majeur. Laphysiologie des plantes a au moins un rôle bien connu ; jusqu'à un certain stade (au-delà duquel la plante dépérit), l'augmentation du taux de CO2 de l'air réduit la conductance stomatique et augmente l'efficacité d'utilisation de l'eau par les plantes[116] (la quantité d'eau nécessaire pour produire une unité dematière sèche), la diminution de l'utilisation de l'eau se traduisant par une plus grande disponibilité de l'humidité du sol[119]. Il a été estimé, en 2008, que les effets de l'augmentation du CO2 dans l'air sur l'écosystème devraient être exacerbés quand l'eau est un facteur limitant[120] (mais les apports d'azote sont aussi à prendre en compte[120],[121],[122]) ; ceci a été démontré par quelques expériences[123], mais est un facteur qui a été « oublié » par de nombreuses études[124],[125],[126],[127].
Cette relation semble si forte qu'elle permet — enzone tempérée — de prédire avec précision les variations annuelles de la stimulation de labiomasse aérienne à la suite de l'élévation du taux de CO2 dans uneprairie mixte contenant des végétaux detype C3 etC4, sur la base du total desprécipitations saisonnières ; lespluies d'été ayant un effet positif, alors que celles d'automne et du printemps ont des effets négatifs sur la réponse au CO2[116]. L'effet du taux croissant de CO2 dépendra donc principalement des nouveaux équilibres ou déséquilibres qui s'établiront entre les précipitations estivales et d'automne / printemps[116].
Le lien à l'azote (autre élément perturbé par les activités humaines dont l'agriculture industrielle, l'industrie et lesémissions de la circulation automobile) est ici retrouvé : de fortes précipitations en saisons froides et humides conduisent à limiter l'accès des plantes terrestres à l'azote et, de ce fait, réduisent ou interdisent la stimulation de la biomasse par un taux de CO2 élevé[116]. Cette prédiction valait aussi pour des parcelles « réchauffées » de2 °C ou non-réchauffées, et était similaire pour lesplantes en C3 et de la biomasse totale, ce qui semble permettre aux prospectivistes de faire des prévisionsrobustes sur les réponses aux concentrations élevées de CO2 de l'écosystème[116]. Ceci est un atout précieux car les projections climatiques des modèles à haute résolution confirment la très forte probabilité de changements importants dans la répartition annuelle des pluies, même là où la quantité annuelle totale de pluie tombée au sol ne changera pas[128]. Ces données, scientifiquement confirmées en 2013, devraient aider à expliquer certaines différences apparues dans les résultats des expériences sur l'exposition de plantes à un taux accru de CO2 et améliorer l'efficacité prospective des modèles qui ne tenaient pas assez compte des effets saisonniers des précipitations sur les réponses de labiodiversité au CO2[123],[129] 14, notamment en milieux forestiers[130].
Plusieurs voies sont explorées ou mises en œuvre pour limiter l'accumulation du CO2 dans l'atmosphère. Elles peuvent faire appel à des processus naturels comme laphotosynthèse ou à des procédés industriels. Il faut également distinguer la capture à la source de la capture dans l'atmosphère.
Lastartup indienneCarbon Clean Solutions (CCSL) a lancé sa première installation, qui capte et réutilise à 100 % les émissions de CO2 (60 000 tonnes par an) d'une petitecentrale au charbon en Inde, àChennai (Madras) ; ce CO2 est purifié, puis revendu à un industriel local, qui l'utilise pour fabriquer de la soude. La technologie de CCSL ramène le coût de revient du CO2 vendu à 30 dollars la tonne en Inde et à 40 dollars en Europe ou aux États-Unis, très en dessous du prix du marché : 70 à 150 dollars la tonne.Veolia a signé avec CCSL un contrat pour commercialiser ce procédé à l'international[131]. En parallèle, l'entrepriseClimeworks cherche à capturer le CO2 en filtrant l’air ambiant.
La société canadienne Carbon Engineering, fondée par l'ingénieurDavid Keith et financée par Bill Gates et plusieurs entreprises pétrolières et minières, a développé un réacteur qui extrait le CO2 de l'atmosphère à un coût inférieur à celui des technologies de capture existantes. Les fonds apportés par les investisseurs seront employés à combiner ce procédé de capture directe avec un procédé « Air to fuels » permettant de transformer le carbone récupéré dans l’atmosphère en un carburant similaire à l'essence. Elle envisage la construction d'une importante usine àHouston en partenariat avecOccidental Petroleum. Cependant, les réacteurs capteurs de CO2 sont très énergivores et doivent donc être alimentés par des sources d’énergie renouvelable ; le Conseil scientifique des Académies des sciences européennes (EASAC) émet des réserves : selon lui, l’élimination du CO2 dans l’air n’empêchera pas le changement climatique et n’est, à ce jour, pas à la hauteur des recommandations du GIEC[132],[133].
Vers une production de « méthane solaire » à partir de CO2 ?[134].
En théorie, transformer du CO2 en carburant ou en matières premières chimiques permettrait de diminuer l'utilisation de combustibles fossiles et de réduire les émissions de CO2[135],[136].
La conversionélectrochimique à partir de sources d'électricité renouvelable est une piste qui fait l'objet de nombreux travaux de recherche depuis les années 2010[137],[138],[139].
Un espoir, reposant sur laphotochimie, est de pouvoir n'utiliser que lalumière du Soleil[140] et des catalyseurs non polluants, peu coûteux et abondants sur Terre[141]. Parmi les photocatalyseurs et lesélectrocatalyseurs moléculaires évoqués par la littérature scientifique des années 2010, seuls quelques-uns sont stables et sélectifs pour la réduction du CO2 ; de plus ils produisent principalement du CO ou du HCOO, et les catalyseurs capables de générer des rendements même faibles à modérés en hydrocarbures fortement réduits restent rares[142],[143],[144],[145],[146],[147],[148],[149],[150],[151].
Quatre chercheurs, dont deux français (Julien Bonin & Marc Robert) ont produit un catalyseur qui est un complexe de tétraphénylporphyrine de fer fonctionnalisée avec des groupestriméthylammonium, qu'ils présentent comme étant (au moment de la publication) l'électrocatalyseur moléculaire le plus efficace et le plus sélectif pour convertir le CO2 en CO[152],[134],[153] car pouvant catalyser la réduction de huit électrons du CO2 en méthane sous simple lumière, à température et pression ambiantes. Le catalyseur doit cependant être utilisé dans une solution d’acétonitrile contenant un photosensibilisateur et un donneur d’électrons sacrificiel, il fonctionne alors de manière stable durant quelques jours. Le CO2 est d’abord principalement transformé en CO parphotoréduction et s’il y a deux réacteurs CO génère ensuite du méthane avec une sélectivité atteignant 82 % et avec unrendement quantique, c'est-à-dire une efficacité de la lumière, de 0,18 %). Les auteurs estiment que d'autres catalyseurs moléculaires pourraient s’en inspirer[154].
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