Basse Atmosphère

Bases

Les gaz émis par les plantes

L'atmosphère ne contient pas que de l'air et des gaz à effet de serre, mais aussi plein d'autres composés chimiques. Les arbres, les plantes, le plancton des océans émettent des gaz,  et même en quantité supérieure à ce que les humains émettent!

Le carbone est un élément très important dans le monde du vivant. Les composés chimiques qui contiennent du carbone sont appelés composés organiques. Ils contiennent aussi de l'hydrogène, de l'oxygène souvent et parfois certains autres éléments comme de l'azote, du phosphore et du soufre. Les humains émettent beaucoup de ces composés organiques, à cause des solvants, des voitures, des industries chimiques, des rafinneries... La plupart d'entre nous habitons dans des villes et des villages et c'est difficile de croire que ce ne sont pas les humains qui en émettent le plus. Et pourtant, à l'échelle planétaire, il y a encore beaucoup de régions boisées peu habitées, et d'océans, où les émissions naturelles sont dominantes.

Qu'est-ce que les plantes émettent ?

Si vous vous baladez en forêt ou dans un pré, vous sentez des odeurs qui sont en fait de nombreux gaz organiques émis par les arbres, les fleurs, les herbes. A l'échelle du monde entier, 1000 millions de tonnes de ces gaz naturels sont émises par jour. Il y a principalement le gaz isoprène (environ 500 millions de tonnes par an) et les monoterpènes (130 millions de tonnes /an). En comparaison, on évalue à 200 millions de tonnes par an l'émission par les humains de composés organiques (sans compter le méthane).  
Mettez vos narines au dessus d'une aiguille de sapin, et des monoterpènes vont entrer dans votre nez. Les plantes fabriquent de tels composés durant leur vie, et en particulier durant les phases de stress (chaleur, sécheresse, blessures...), composés qu'elles émettent grâce à leurs feuilles ou leurs aiguilles.  

Quant au méthane (qui est un gaz à effet de serre), environ 200 millions de tonnes sont émises chaque année par des sources naturelles. Cela dit, l'homme en rajoute indirectement environ la même quantité car le bétail et les rizières émettent beaucoup de méthane.
N'oublions pas non plus que 71% de la surface terrestre est recouverte d'océans, dans lesquels vivent des multitudes d'organismes (par exemple les algues). Là aussi, des gaz sont fabriqués dans l'eau puis passent dans l'air, comme par exemple le Sulphure de Diméthyle (45 millions de tonnes par an émises). Ce composé organique qui contient du soufre permet, à la suite de processus naturels complexes, la formation de nuages au dessus de la mer.

Il est important d'observer les émissions dues aux humains pour comprendre notre climat et les processus de l'atmosphère qui y sont liés; mais il est aussi très important de comprendre comment les plantes y participent et comment leur implication risque d'évoluer à l'avenir. Voyons de près 3 exemples pour comprendre l'importance de ce que les plantes émettent.

2. Les arbres sont des sources de composés organiques (d'après N.C. Hewitt; image: Elmar Uherek)
L'iso prène (environ 500 Millions de tonnes/an dans le monde) et les monoterpènes (environ 130 t/year) sont d'importants composés organiques, émis en grandes quantités par les arbres et autres plantes. Mais les plantes fabriquent aussi plein d'autres composés chimiques.
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Les monoterpènes

Les monoterpènes sont des composés qu'on peut sentir dans la forêt, ou en reniflant certains fruits. C'est une famille de composés qui contiennent du carbone, de l'hydrogène, de l'oxygène et ont de jolis noms comme le limonène ou le pinène. Ils sont fabriqués par les arbres ou d'autres plantes, surtout aux premiers rayons du soleil des chaudes matinées. La plante peut les conserver ou les émettre directement dans l'atmosphère. Elles en produisent davantage lorsqu'elles sont stressées, à cause par exemple de la chaleur, du manque d'eau ou si elles sont blessées.  

4. A regarder uniquement par les plus calés en chimie: à gauche vous voyez la structure chimique d'un monoterpène nommé le beta-pinène, et à droite celle de l'isoprène. Ils ont tous deux une double liaison carbonée C=C , entourée en rouge. Les chimistes simplifient les écritures en ne dessinant pas les atomes de C et de H. On voit ici l'isoprène dessiné de deux façons, sans les atomes C et H en haut, et avec les atomes C et H en bas (mais c'est bien la même molécule).  

Que font ces gaz une fois dans l'atmosphère ?

Une fois que ces gaz sont dans l'atmosphère, ils réagissent avec d'autres gaz (comme l'ozone par exemple). Les produits de ces réactions sont de nouveaux composés. Ces derniers peuvent se déposer sur les plantes ou le sol, ou bien s'agglomérer avec des particules dans l'air et les faire ainsi grossir. Ces particules souvent invisibles qui flottent dans l'air s'appelllent des aérosols et sont nécessaires à la formation des nuages. Selon la nature chimique des particules, les nuages auront des caractéristiques différentes. C'est pourquoi les gaz émis par les plantes ou par les industries, qui donnent des particules chimiquement différentes, peuvent avoir une influence indirecte sur la formation des nuages. La formation des aérosols peut parfois être visible: on voit parfois une brume bleue au dessus des forêts (voir photo des Greta Smoky Mountains); on peut aussi la simuler avec des aiguilles de pin dans un laboratoire (voir photo ci-contre).  

Le protoxyde d'azote N₂O

L'azote aussi est un élément important dans le monde vivant. Des molécules biologiques comme les protéines, les acides aminés, l'ADN qui jouent des rôles essentiels pour tous les organismes vivants en sont constituées. Les plantes captent cet azote dans le sol, qui est sous la forme de nitrate ou d'ammoniac; certaines bactéries prennent l'azote de l'air pour le transformer en ammoniaque assimilable par les arbres. Mais les bactéries peuvent aussi décomposer le nitrate pour former du protoxyde d'azote, qui est un gaz et sera donc relâché dans l'air. Ce protoxyde d'azote est très stable et très "résistant", il n'est pas détruit dans la partie basse de l'atmosphère (la troposphère) et monte jusqu'à la stratosphère où se trouve la couche d'ozone. Cette fabrication par les bactéries est ainsi la première source de protoxyde d'azote de la stratosphère. Ce composé participe au trou de la couche d'ozone, et revient finalement au sol sous la forme d'acide nitrique. Les émissions de protoxyde d'azote ont augmenté à cause de l'utilisation grandissante d'engrais dans l'agriculture. Environ 15 millions de tonnes sont émises dans le monde chaque année.

Le sulfure de diméthyle

Des toutes petites particules invisibles d'acide sulfurique et d'eau permettent la formation des nuages au dessus des océans. Mais d'où vient donc cet acide sulfurique, qui contient du soufre ? Les composés soufrés sont très importants pour la vie dans les océans, car l'eau de mer contient du soufre (sous forme de sulfate). Les algues et le plancton végétal utilisent des composés soufrés pour réguler la pression de l'eau dans leurs cellules, et leur dégradation produit un composé organique soufré appelé sulfure de diméthyle. Ce gaz est émis dans l'eau et passe dans l'air, ou il réagit avec d'autres composés pour donner finalement de l'acide sulfurique, nécessaire à la formation des nuages.
La troisième partie des Bases dans la thématique Océans donne plus de détails sur le rôle du plancton végétal dans l'eau de mer.

A travers ces quelques exemples, on peut voir que ce que les organismes vivants émettent intervient dans le système climatique et que ces interactions peuvent être complexes.  

A lire aussi :

Sur le rôle des gaz soufrés fabriqués par le plancton (en anglais pour l'instant) :
Oceans - Basics - Unit 3 - Sulphur gases

A propos de cette page:

auteur: Dr. Elmar Uherek - MPI for chemistry, Mainz
relecteur scientifique: Prof. Jürgen Kesselmeier - MPI Mainz - 2003-07-15
relecteur pédagogique: Michael Seesing - Uni Duisburg - 2003-07-02
dernière version: 2004-03-31