Dioxyde de carbone

Ledioxyde de carbone, aussi appelégaz carboniqueouanhydride carbonique, est uncomposé inorganiquedont laformule chimiqueest CO2, lamoléculeayant une structure linéaire de la formeO=C=O. Il se présente, sous lesconditions normales de température et de pression, comme ungazincolore, inodore, à la saveur piquante.
Le CO2est utilisé par l'anabolismedesvégétauxpour produire de labiomasseà travers laphotosynthèse, processus qui consiste àréduirele dioxyde de carbone par l'eau, grâce à l'énergie lumineuse reçue duSoleilet captée par lachlorophylle, en libérant de l'oxygènepour produire desoses, et en premier lieu duglucosepar lecycle de Calvin. Le CO2est libéré, à travers lecycle de Krebs, par lecatabolismedesplantes, desanimaux, desfungi(mycètes, ouchampignons) et desmicro-organismes. Ce catabolisme consiste notamment àoxyderleslipideset lesglucidesen eau et en dioxyde de carbone grâce à l'oxygènede l'airpour produire de l'énergie et du pouvoir réducteur, sous forme respectivement d'ATPet deNADH + H. Le CO2est par conséquent un élément fondamental ducycle du carbonesur notre planète. Il est également produit par lacombustiondesénergies fossilestelles que lecharbon, legaz naturelet lepétrole, ainsi que par celle de toutes les matières organiques en général. C'est unsous-produitindésirable dans les processus industriels à grande échelle.
Des quantités significatives de CO2sont par ailleurs rejetées par lesvolcanset autres phénomènesgéothermiquestels que lesgeysers.
En décembre 2023, l'atmosphère terrestrecomportait 421ppmv(parties par million en volume) de CO2, soit 0,0421 %. Cette teneur était de 283ppmven 1839 d'après descarottes de glaceprélevées dans l'Antarctique, soit une augmentation globale d'environ 49 % en 184 ans.
Le CO2est ungaz à effet de serremajeur, transparent enlumière visiblemais absorbant dans le domaineinfrarouge, de sorte qu'il tend à bloquer la réémission vers l'espace de l'énergie thermiquereçue au sol sous l'effet durayonnement solaire. Il est responsable d'environ 26 % de l'effet de serreà l'œuvre dans l'atmosphère terrestre (lavapeur d'eauen assurant 60 %) ; l'augmentation de sa concentration est responsable de l'essentiel duchangement climatiqueconstaté à l'échelle de notre planète depuis les dernièresdécenniesduXXsiècle. Par ailleurs, l'acidification des océansrésultant de la dissolution du dioxyde de carbone atmosphérique pourrait compromettre la survie de nombreux organismes marins avant la fin duXXIsiècle.
À lapression atmosphérique, il sesublimeà−78,5°C(passage de l'état solide à l'état gazeux), mais ne fond pas (passage de l'état solide à l'état liquide).
La phase liquide ne peut exister qu'à une pression minimale de519kPa(soit5,12atm), et dans un intervalle de température allant de−56,6°C(point triple) à31,1°Cau maximum à7,38MPa(soit72,8atm) (point critique).
Il existeraitau moinscinq phases solides moléculaires (existant à « basse » pression, moins de 30 à 60 GPa) et trois phases solides polymériques (aux pressions plus élevées) du CO2:
Le CO2se dissout dans l’eau et y forme de l’acide carboniqueH2CO3:CO2 (aq)+H2O(l)⇌{\displaystyle \rightleftharpoons }H2CO3 (aq), avecKh= [H2CO3] / [CO2] ≈ 1,70 × 10à25°C.
Il est égalementliposoluble(soluble dans les corps gras).
L’acide carbonique n’est que modérément stable et il se décompose facilement en H2Oet 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 ionhydrogénocarbonateHCO3, aussi appelé ionbicarbonate, puis un ioncarbonateCO3. De cette façon, la solubilité du CO2est considérablement augmentée. Lecarbonate de potassiumK2CO3a par exemple unesolubilitéde1,12kg/ld'eau à20°C.
C'est ainsi que lecalcairese dissout dans l'eau, dans la plage depHdans 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 CO2dissous est dégazé, comme dans la formation desstalagmiteset 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 CO2peut être piégé dans des cages d'eau ditesclathrates. C'est un des moyens possibles de séparation industrielle du CO2contenu dans un gazen pré- oupostcombustion. C'est aussi un des moyens envisagés de séquestration industrielle de CO2ou de stockage géologique étudié, éventuellement corrélativement à ladésalinisation d'eau de mer(il peut théoriquement même être substitué à l'hydrate de méthane).
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. AuXVIIsiècle, le chimiste et médecinflamandJean-Baptiste Van Helmontobserva qu'en brûlant ducharbon de boisen vase clos, la masse des cendres résultantes est inférieure à celle du charbon. Son interprétation était que la masse manquante s'étaittransmutéeen une substance invisible qu'il nomme «gas» ouspiritus sylvestre(« esprit sauvage »).
Les propriétés du dioxyde de carbone furent étudiées plus en détail dans lesannées 1750par 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 duphlogistonencore 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 unprécipitéde 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.
En 1772, le chimisteanglaisJoseph Priestleypublia un ouvrage intituléImpregnating Water with Fixed Airdans 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. Le procédé est ensuite repris parJohann Jacob Schweppequi fonda, en1790, àLondresune usine de production desodaconnue sous le nom deSchweppes.
En 1781, le chimiste françaisAntoine Lavoisiermit en évidence le fait que ce gaz est le produit de lacombustion du carboneavec ledioxygène.
Le dioxyde de carbone fut liquéfié pour la première fois en1823parHumphry DavyetMichael Faraday. La première description du dioxyde de carbone en phase solide fut écrite parAdrien Thilorier, qui en1834ouvrit 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.
Le dioxyde de carbone est commercialisé sous différentes formes pour des usages variés, dans un marché dominé par des grandes entreprises commeMesser,Air liquideetAir Products. 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). En France, elle représente 70 % de la consommation.
L'Agence internationale de l'énergiea publié en septembre 2019 un rapport sur les utilisations du CO2, qu'il évalue à 230Mt/an, dont 130Mt/anpour la fabrication d'engrais et 80Mt/anpour la récupération assistée de pétrole et de gaz naturel. L'objectif de ce rapport est d'évaluer leur potentiel de contribution à la compensation des émissions de CO2. Il conclut que ce potentiel est faible à court terme, et restera à long terme très inférieur à celui de lacapture et séquestration du dioxyde de carbone; les pistes les plus prometteuses sont les utilisations dans les matériaux de construction, dans la fabrication de polymères et dans les serres.
Le CO2a de nombreuses utilisations, dont :
Sous forme liquide, il est utilisé comme :
Quand il est utilisé commefluide frigorigène, le CO2porte 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 globalest 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).
Le dioxyde de carbone sous forme solide a de nombreuses appellations : « glace carbonique », « neige carbonique », « Carboglace », « glace sèche ». Il est issu de lasolidificationdu CO2liquide. On obtient de la neige carbonique qui est ensuite comprimée pour obtenir de la glace carbonique.
Dans sa phase solide, cette glace carbonique sesublimeen ne laissant aucun résidu, avec uneenthalpie de sublimationde 573kJ kg(soit25,2kJ mol), à−78,5°Cet à1atm. On lui a donc rapidement trouvé de multiples utilisations en tant que réfrigérant.
Il est commercialisé sous différentes présentations selon son usage :
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.
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.
Sous cette forme, il sert comme :
C'est unsous-produitde processus industriels à grande échelle. Un exemple est la production d'acide acryliquequi 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.
Le dioxyde de carbone est une molécule très stable, avec uneenthalpie standard de formationde−393,52kJ mol. Le carbone présente une charge partielle positive, ce qui rend la molécule faiblementélectrophile. Par exemple, uncarbanionpeut réaliser uneaddition nucléophilesur le CO2et former unacide carboxyliqueaprès hydrolyse. Par ailleurs, le CO2peut être utilisé pour former descarbonates organiques, par addition sur desépoxydes.
Enfin, le CO2peut être réduit, par exemple enmonoxyde de carbone,acide formique,formaldéhyde,méthanoloumethane. La réaction implique un réducteur -dihydrogène, électrons ouhydrures- et le plus souvent uncatalyseurmétallique. Idéalement, ces catalyseurs doivent être sélectifs pour la réduction du CO2en un produit unique. Le cuivre et le platine sont descatalyseurs hétérogènesefficaces pour l’hydrogénationdu CO2en méthanol. Quand les électrons sont apportés à un catalyseur moléculaire par une électrode, on cherche à identifier des catalyseurs qui minimisent lasurtensionnécessaire à la réaction, et à éviter la production compétitive d'hydrogène. Desporphyrinesde fer peuvent être utilisée pour réduire le CO2en CO. Des systèmes moléculaires artificiels permettent demimer la photosynthèseen couplant l'absorption de lumière à un transfert d'électrons vers un catalyseur de réduction du CO2. 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.
L'air extérieur contient, en 2019, environ 0,04 % de CO2(412 ppm en janvier 2019).
À partir d'une certaine concentration dans l'air, ce gaz s'avère dangereux voire mortel à cause du risque d'asphyxieou d'acidose, bien que le CO2ne soit pas chimiquement toxique. La valeur limite d'exposition est de 3 % sur une durée de quinze minutes. Cette valeur ne doit jamais être dépassée. Au-delà, les effets sur la santé sont d'autant plus graves que la teneur en CO2augmente. Ainsi, à 2 % de CO2dans 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.
Des études signalent selon l'ANSES« des concentrations associées à des effets sanitaires intrinsèques du CO2(seuil à environ 10 000ppmcorrespondant à l'apparition d'uneacidose respiratoire(baisse du pH sanguin), premier effet critique du CO2) ». Une acidose respiratoire peut survenir dès 1 % (10 000ppm) de CO2dans l'air, s'il est respiré durant trente minutes ou plus par un adulte en bonne santé avec une charge physique modérée, et probablement plus tôt chez des individus vulnérables ou sensibles. Ces taux « sont supérieurs aux valeurs limites réglementaire et/ou normative de qualité du renouvellement d'air en France et au niveau international, qui varient usuellement entre 1 000 et 1 500ppmde CO2». Une petite étude expérimentale (ayant concerné 22 adultes) a conclu à un effet du CO2sur lapsychomotricitéet la fonction intellectuelle (prise de décision, résolution de problèmes) dès de 1 000ppm(étude de Satishet al., 2012), mais cette étude doit être confirmée par des travaux ayant une puissance statistique plus élevée. L'ANSES note qu'il y a finalement peu d'études épidémiologiques sur ce gaz commun, dont sur d'éventuels effets CMR (cancérigènes, mutagènes et reprotoxiques).
Le dioxyde de carbone étant un gaz incolore et lourd s'accumulant en nappes, il est difficilement détectable par une personne non expérimentée.
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'ANSESet divers acteursen France, le taux de CO2dans 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 500ppmenviron ».
Dans les logements, les écoles, les crèches et les bureaux, il n'y a pas de relations systématiques entre les taux de CO2et d'autres polluants, et le CO2intérieur n'est statistiquement pas un bon prédicteur de polluants liés au trafic routier (ou aérien...) extérieur. Le CO2est 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. Dans les pays pauvres de nombreux foyers ouverts sont sources de CO2et de CO émis directement dans le lieu de vie.
Séjourner toute la journée dans un air dont le taux de CO2atteint ou dépasse 600ppmdégrade nos capacités cognitives (penser, raisonner, se souvenir, décider). Selon une étude publiée dansEnvironmental Health Perspectives, de faibles variations du taux de CO2dans l'air affectent fortement nos capacités de pensée complexe et de prise de décision. Ce taux de 600ppmest souvent atteint dans l'air intérieur où il dépasse souvent 1 000ppm, plusieurs fois par jour avec par exemple une teneur moyenne de 3 110mg/mde CO2dans les salles de classe étudiées ; au détriment des capacités d'apprentissage des enfants.
Une étude menée dans 150 salles de classe pendant lapandémie de Covid-19a montré que la qualité de l'air y était insuffisante. Dans 60 % des salles de classe, la teneur en CO2est supérieure à 2 000ppm, des concentrations qui nuisent aux performances cognitives et donc à la capacité d'apprentissage. Dans les écoles à haut risque, le taux de CO2moyen dépasse souvent 3 000ppm, alors que les recommandations officielles françaises préconisent d'évacuer les locaux accueillant du public au-delà de 1 000ppm.
Un cas particulier est celui dessalles de sportoù l'effort physique implique un besoin supplémentaire en oxygène et une augmentation du CO2expiré par les joueurs (et les spectateurs). Par exemple, lors des matchs dehockey sur glace, le CO2augmente de 92 à 262ppmlors d'un match (surtout joué par des hommes adultes). Au centre de la patinoire, le taux de CO2dépasse les 1000 ppm à chaque match (seuil max. recommandé par l'Institut norvégien de la santé publique). Les mesures in situ montrent qu'un joueur respire un air plus enrichi en CO2que les spectateurs, et que le taux de CO2descend durant les temps de repos et remonte durant le temps joué. Lanuitaprès un match, dans une salle de hockey fermée, il faut près d'une dizaine d'heures pour retrouver un taux de CO2bas (600 à 700ppm), qui est encore au-dessus de la normale. 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 CO2que les hommes, mais dans une même salle, le degré d'augmentation du taux de CO2dans 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 CO2assez pour que le taux au début de la deuxième période soit aussi faible qu'au début de la première. Quand le nombre de spectateurs augmente, le taux de CO2dans la salle augmente plus encore. Le nombre d'ouvertures/fermetures de portes donnant sur l'extérieur influe aussi sur le renouvellement d'air et donc le taux de CO2dans la salle de sport. Des études ont montré une diminution des performances cognitives et de décision ou d'apprentissage quand le CO2augmente. Peu d'études ont porté sur l'effet de ce même CO2sur les performances sportives d'un individu ou de son équipe.
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.
En France, le règlement sanitaire départemental (RSD) recommande de ne pas passer le seuil de 1 000ppm(partie par million) « dans des conditions normales d'occupation », avec une tolérance à 1 300ppmdans les lieux où il est interdit de fumer (« sans fondement sanitaire explicite de ces deux valeurs »selon l'Anses.
Un décret du5 janvier 2012impose 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 CO2par rapport à deux seuils de 1 000 et 1 700ppmdans lessalles de classe.
En milieu professionnel, la question de lasécurité et de la prévention liée aux risques d'intoxicationau dioxyde de carbone est une préoccupation majeure pour limiter les risques d'accident du travail. Faute de données épidémiologiques, il n'a cependant pas été considéré comme pertinent en France comme indicateur de laqualité sanitaire de l'air intérieurpar l'Anses qui ne prévoit pas devaleur guide de qualité d'air intérieur(VGAI) pour ce polluant.
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 nerveuseet uneperte de conscienceimmédiate, 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.
Le dioxyde de carbone n'est normalement présent dans l'atmosphère terrestrequ'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.
Depuis larévolution industrielle, en raison de la combustion constante de très grandes quantités decarbone fossile, alors que larégression desincendies, desforêtset des superficies végétalisées se poursuit, le taux de CO2dans l'air augmente régulièrement. Endécembre 2023, il atteint 421ppmen volume, corrigé des variations saisonnières. Cette teneur était de 283,4ppmven 1839 d'après lescarottes de glaceprélevées dans la région ducap Poinsettdans l'Antarctique, soit une augmentation globale d'environ 42 % en177 ans. Le taux de CO2atmosphérique attendu à la fin duXXIsiècle est estimé entre 540 et970ppmvselon les simulations (modèle ISAM et modèle Bern-CC). L'année 1990 (qui correspond à un surplus d'environ 2,1W/mpar rapport à 1980) est l'année de référence retenue pour leprotocole de Kyoto(elle a donc un « indice AGGI » de 1). Un groupe de recherche spécifique sur lecycle du carboneet les gaz à effet de serre a été mis en place.
La teneur en CO2diffère 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 CO2ensaisondevégétationet 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 CO2sont 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 CO2était environ 100 000 fois plus élevée qu'aujourd’hui (30 à 60atmosphèresde CO2(soit3 000 000à6 000 000pascals), soit 100 000 fois la quantité actuelle de CO2il y a environ 4,5 milliards d'années).
Puis lavieet laphotosynthèsesont apparues, prélevant le CO2de l'atmosphèreet de l'eaupour le transformer en rochescarbonatéeset en charbon, pétrole et gaz naturel, en grande partie enfouis dans les profondeurs de la Terre. Le taux de CO2a 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 solairecroît avec le temps ; il a augmenté d'environ 40 % dans les quatre derniers milliards d'années). Le taux de CO2a 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 millionsd'années).
Le volcanisme émet aussi du CO2, qui représente jusqu'à 40 % des gaz émis par certainsvolcanslors des éruptions subaériennes, 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 100mde diamètre, par nuit calme, le taux de CO2peut grimper de 75 % en quelques heures, assez pour tuer lesinsecteset 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). Localement, des concentrations élevées de CO2, produites par la perturbation de l'eau d'un lac profond saturé en CO2peuvent aussi tuer (exemple :37 mortslors d'une éruption de CO2à partir dulac MonounauCamerounen 1984 et 1 700 victimes autour dulac Nyos, au Cameroun également, en 1986.
Les émissions de CO2par les activités humaines sont actuellement plus de130 foissupérieures à la quantité émise par les volcans, atteignant près de27 milliardsde tonnes par an en 2007. En 2016, l’agence météorologique de l’ONU indique que la concentration de dioxyde de carbone a atteint un nouveau record historique, soit403,3ppm, et un record de température a été battu pour l'El Niñode 2017 selon l'OMMalors qu'à 405ppm, le taux de CO2de l'air n'a jamais été aussi élevé depuis environ 800 000 ans.
Les émissions mondiales de CO2augmentent de 2,7 % en 2018, ce qui constitue la plus forte hausse en sept ans. Selon un rapport de 2019, les concentrations en CO2ont atteint 407,8ppmen 2018, un constat corrélé également à l'augmentation des concentrations deméthane(CH4) et deprotoxyde d'azote(N2O).
Des thèses climatosceptiques réapparaissent sur les réseaux sociaux en 2023, s'appuyant sur le fait avéré que la teneur en CO2de 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.
Un taux plus élevé de CO2stimule la photosynthèse et la croissance des plantes, avec des avantages potentiels pour la productivité des cultures céréalières, première source alimentaire dans le mondepour les humains et les animaux d'élevage. Le carbone, tiré du dioxyde de carbone de l'air par les plantesautotrophesgrâce 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 CO2doublés.
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'anthèsede 49 % ». 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.
Cependant, si l'élévation du taux de CO2atmosphérique dope effectivement la croissance (descéréalespar exemple), pour des raisons encore mal comprises, elle diminue alors la valeur nutritionnelle des principales cultures de base (riz,bléetpomme-de-terrenotamment), en diminuant leur taux deprotéines, d'oligo-élémentset devitamines du groupe B. En conditions expérimentales, le taux de CO2augmenté (même non-combiné à une température augmentée) se traduit par un taux desucresplus élevé dans les végétaux cultivés (source d'alcoolsde plus en plus forts pour le raisin), mais aussi par des carences en protéines et en minéraux. Le riz présente en outre souvent des concentrations élevées d'arsenic, que l'acidification des milieux peut aggraver. Enfin, des concentrations plus élevées de CO2exacerbent l'acidification des eaux douceset 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 CO2de 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. Dans une étude publiée dans un numéro spécial dePLOS Medicinesur le changement climatique et la santé, Christopher Weyant et ses collègues de l'université Stanfordse sont concentrés sur deuxmicronutrimentsessentiels, lezincet le fer. En tenant compte du dérèglement climatique et des habitudes alimentaires, ils montrent que le risque de maladie évoluera dans les 137 pays. Si rien n'est fait, l'augmentation du taux de CO2diminuera 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, desdiarrhéeset des cas d'anémie, tout particulièrement enAsie du Sud-EstetAfriqueoù la population est déjà très affectée par des carences en zinc et fer. 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.
L'étude de Weyant indiquerait aussi que l'inégalité nutritionnelle pourrait augmenter, et montrerait que les réponses traditionnelles desanté publique(dont lasupplémentationen 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.
Bien que le CO2nourrisse 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. Les auteurs incitent à mieux étudier les effets de l'augmentation du CO2atmosphérique sur d'autres composés d'origine végétale ayant des implications pour la santé humaine (ex : acides gras, vitamines, composés pharmacologiques, 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).
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. 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 CO2pourrait aussi réduire la qualité nutritionnelle, des céréales notamment, importantes pour la santé humaine et, potentiellement, pour celle des animaux (également sources delaitet deviande(et donc de protéines), pendant qu'en mer labiomasseen poisson diminue aussi.
En complément des mesures d'adaptation au Changement climatique, les mesures de réduction des émissions de CO2et piégeage biologique du CO2restent urgemment nécessaires. Descultivarsmoins sensibles aux déficits nutritionnels dans un climat qui se réchauffe sont à rechercher concluent les travaux de Weyant et ses collègues.
Les effets de l'augmentation du CO2sur les plantes se montrent plus préoccupants que ce qui était prédit par les premiers modèles des années 1990 et du début des années 2000. 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 espèceset en réduisant ladigestibilitédesgraminéescourtes par exemple dans la végétationsteppique).
Le CO2est le deuxièmegaz à effet de serrele plus important dans l'atmosphère après lavapeur d'eau, contribuant respectivement à hauteur de 26 % et 60 % à ce phénomène. La réalité duchangement climatiqueobservé à l'échelle planétaire depuis le siècle dernier n'est aujourd'hui plus guère contestée d'un point de vue scientifique, mais la part exacte de responsabilité du dioxyde de carbone dans ce processus (par rapport auméthanenotamment) doit encore être précisée, grâce aux enregistrements fossiles des paléoclimats notamment.
Par ailleurs, l'acidification des océansrésultant de la dissolution du dioxyde de carbone atmosphérique pourrait compromettre la survie de nombreux organismes marinsavant la fin duXXIsiècle, notamment tous ceux àexosquelettecalcifié tels que lescorauxet lescoquillages, mais aussi de certains poissons.
Une réduction desémissions anthropiquesest visée par leprotocole de Kyōtoainsi que par ladirective 2003/87/CE; saséquestration géologiqueà long terme fait l'objet de recherches mais est une solution controversée quand il s'agit simplement d'injecter du CO2dans les couches géologiques.
Le CO2a un certain effeteutrophisant(c'est unnutrimentde base, essentiel pour les plantes), mais il est aussi un facteur d'acidification des océanset de certaines masses d'eau douce, qui peut négativement interférer avec de nombreuses espèces (dont certainesmicroalgueset autresmicroorganismesaquatiques 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,métalloïdesouradionucléides(naturellement présent dans les sédiments ou d'origine anthropique depuis la révolution industrielle surtout).
L'augmentation de la teneur de l'atmosphère en CO2peut aussi avoir des effets différenciés voire antagonistes selon son taux, le contexte environnemental etbiogéographiqueet selon des données plus récentes selon lasaisonet les variations saisonnières de lapluviométrie(au-dessus des forêts notamment) ;
Il existe chez lesécologuesassociés à l'étude des effets du changement climatique un consensus sur le fait qu'au-delà d'une augmentation de2°Cen un siècle, les écosystèmes terrestres et marins seront sérieusement négativement affectés.
En 2013, la réponse réelle des écosystèmes au CO2et ses modulations biogéographiques sont encore considérées comme complexes et à mieux comprendre, en raison de nombreux« feedbacksbiogéochimiques». Elle doit être néanmoins élucidée si l'on veut correctement évaluer voireprédireles capacités planétaires ou locales des écosystèmes en termes destockage naturel du carboneet d'amortissement des effets duchangement climatiqued'origine anthropique.
Lesrétroactionsmédiées par lecycle hydrologiquesont particulièrement importanteset la pluviométrie y joue un rôle majeur. Laphysiologie des plantesa au moins un rôle bien connu ; jusqu'à un certain stade (au-delà duquel la plante dépérit), l'augmentation du taux de CO2de l'air réduit la conductance stomatique et augmente l'efficacité d'utilisation de l'eau par les plantes(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. Il a été estimé, en 2008, que les effets de l'augmentation du CO2dans l'air sur l'écosystème devraient être exacerbés quand l'eau est un facteur limitant(mais les apports d'azote sont aussi à prendre en compte) ; ceci a été démontré par quelques expériences, mais est un facteur qui a été « oublié » par de nombreuses études.
Cette relation semble si forte qu'elle permet — enzone tempérée— de prédire avec précision les variations annuelles de la stimulation de labiomasseaérienne à la suite de l'élévation du taux de CO2dans uneprairiemixte contenant des végétaux detype C3etC4, sur la base du total desprécipitationssaisonnières ; lespluiesd'été ayant un effet positif, alors que celles d'automne et du printemps ont des effets négatifs sur la réponse au CO2. L'effet du taux croissant de CO2dépendra donc principalement des nouveaux équilibres ou déséquilibres qui s'établiront entre les précipitations estivales et d'automne / printemps.
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 CO2élevé. Cette prédiction valait aussi pour des parcelles « réchauffées » de2°Cou non-réchauffées, et était similaire pour lesplantes en C3et de la biomasse totale, ce qui semble permettre aux prospectivistes de faire des prévisionsrobustessur les réponses aux concentrations élevées de CO2de l'écosystème. 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. 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 CO2et améliorer l'efficacité prospective des modèles qui ne tenaient pas assez compte des effets saisonniers des précipitations sur les réponses de labiodiversitéau CO214, notamment en milieux forestiers.
Plusieurs voies sont explorées ou mises en œuvre pour limiter l'accumulation du CO2dans l'atmosphère. Elles peuvent faire appel à des processus naturels comme laphotosynthèseou à des procédés industriels. Il faut également distinguer la capture à la source de la capture dans l'atmosphère.
LastartupindienneCarbon 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 charbonen Inde, àChennai(Madras) ; ce CO2est 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 CO2vendu 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.Veoliaa signé avec CCSL un contrat pour commercialiser ce procédé à l'international. En parallèle, l'entrepriseClimeworkscherche à capturer le CO2en filtrant l’air ambiant.
La société canadienne Carbon Engineering, fondée par l'ingénieurDavid Keithet financée par Bill Gates et plusieurs entreprises pétrolières et minières, a développé un réacteur qui extrait le CO2de 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 àHoustonen partenariat avecOccidental Petroleum. Cependant, les réacteurs capteurs de CO2sont 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 CO2dans l’air n’empêchera pas le changement climatique et n’est, à ce jour, pas à la hauteur des recommandations du GIEC.
Vers une production de « méthane solaire » à partir de CO2?.
En théorie, transformer du CO2en carburant ou en matières premières chimiques permettrait de diminuer l'utilisation de combustibles fossiles et de réduire les émissions de CO2.
La conversionélectrochimiqueà partir de sources d'électricité renouvelable est une piste qui fait l'objet de nombreux travaux de recherche depuis les années 2010.
Un espoir, reposant sur laphotochimie, est de pouvoir n'utiliser que lalumière du Soleilet des catalyseurs non polluants, peu coûteux et abondants sur Terre. Parmi les photocatalyseurs et lesélectrocatalyseursmoléculaires 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.
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 CO2en COcar pouvant catalyser la réduction de huit électrons du CO2en méthane sous simple lumière, à température et pression ambiantes. Le catalyseur doit cependant être utilisé dans une solution d’acétonitrilecontenant un photosensibilisateur et un donneur d’électrons sacrificiel, il fonctionne alors de manière stable durant quelques jours. Le CO2est d’abord principalement transformé en CO parphotoréductionet 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.
Des systèmes de « co-catalyse » sont aussi envisagés, de catalyseurs moléculaires, ainsi que des systèmes à base depérovskite, ou de complexes demétaux de transition.