Photosynthesis is a process used mainly by plants to convert sunlight, water, and carbon dioxide, or CO2, into oxygen and energy. Through photosynthesis across millions of years, carbon from the atmosphere has been contained in plants and rocks. In the past few decades, humans have been pulling that carbon out of plants and back into the atmosphere in the form of carbon dioxide, mainly through the burning of fossil fuels like coal and oil. CO2 is the most prevalent greenhouse gas in the atmosphere that is emitted by humans. Greenhouse gases absorb energy as heat and reflect some of it back to Earth’s surface, leading to the overall warming of the Earth in the past few decades. Humans have been putting more CO2 into the atmosphere than natural processes, like photosynthesis, can remove.
Carbon Transformers: Turning CO2 into Rock!
Carbon mineralization is the process of taking CO2 from the atmosphere and putting it into solid rocks. Once mineralized, it cannot escape back into the atmosphere. While this process occurs naturally and slowly, it can be sped up artificially. To do this, a very specific environment is needed. This environment should contain ultramafic rocks, which are a type of igneous rock (rocks formed by volcanic magma and lava) that are largely made up of magnesium. When these rocks are brought up to the surface from underground and exposed to the atmosphere, they can release their magnesium. Magnesium, carbon (from the atmosphere), and water then react together to create a solid carbonate mineral. This process is important because carbon as a solid means less carbon dioxide in the atmosphere warming the Earth.
So, how much carbon is actually leaving the atmosphere and going into rocks? Anne-Martine “Marti” Doucet and her team set out to investigate methods that can count, or quantify, how much CO2 is going into rocks to create more solid rocks, and as a result, how much carbon is being removed from the atmosphere. Until recently, there have been few ways to measure this uptake, or absorption, of CO2 into rocks; it is labor intensive and takes a lot of time. The methods in this study will allow this process to be quantified continuously and quickly. Their study focuses on two methods that measure CO2 changes, or flux.
The first method is using soil flux chambers, which are half-domes that are automated to open and close. Once closed, they create a sealed environment overtop soil. In the sealed environment, air circulates to a sensor that measures CO2 concentrations. This is a relatively simple technique used to measure CO2 fluxes changing in a field environment. The main downside of this method is that it can only measure a small amount of the atmosphere and rock at a time.
The second method is eddy covariance, which is a common method in atmospheric science to measure the exchanges of gases between ecosystems and the atmosphere. Unlike the first method, this works for a very large control volume of the atmosphere and uses the gas sensor to measure a much larger area between the atmosphere and rocks all at once. Using complex math, the amount of CO2 moving in and out of this large volume and into the soil can be calculated.
The goal of this study was to compare the results of the two methods in the same field location in northwest British Columbia. While the hope is that they record the same values, it is not a guarantee. As they are measuring two different systems, it is possible that the eddy covariance method picks up fluxes from nearby systems, such as a forest, that the closed flux chamber cannot pickup.
Doucet, Anne-Martine. Frances Jones (in purple) with a soil flux chamber in the foreground and Marti (in black) with the eddy covariance technique in the background at a field site in Atlin, British Columbia. October 2, 2022.
Both methods have their strengths and weaknesses. While the first method is quite reliable because it does not depend on wind and is spatially limited because it can only measure a small area. Meanwhile, the second method can measure a large space all at once, but may pick up nearby systems depending on the wind. The goal of both methods is to quantify carbon mineralization, specifically how much atmospheric CO2 is going into the minerals. Marti and her team are still analyzing the results from this study, but they hope that the results between the two methods are similar so either method can be used independently in the future!
Try This at Home: Mineralize Your Own Carbon!
Did you know that you can mimic the trapping of CO2 by tracing the water cycle? Place a small bowl inside a larger bowl, making sure both bowls can withstand hot water. Safely add boiling water to the larger bowl and create a tight seal with plastic wrap. Add a marble to the center of the wrap and observe water vapor cooling and forming water droplets on the wrap. The water will accumulate on the wrap and roll towards the marble, falling into the smaller bowl. You are watching a gas turn into liquid! Next, freeze the bowl and observe that liquid turn into a solid. Instead of water, Marti and her teams' study investigates a process that takes CO2 (a gas) and turns it into rock (a solid) in a similar way.
For a more advanced experiment in a school laboratory, try creating precipitate nesquehonite (a goopy magnesium carbonate mineral). In a beaker, create a two mols solution of magnesium chloride (equivalent to 73 grams in 200 millilitres of water). Then, in a separate beaker, create a two mols solution of potassium carbonate (equivalent to 50 grams in 200 millilitres of water). Mix the two solutions together in a 500 millilitre beaker. Observe the texture and color changes. Now, imagine the magnesium chloride is an ultramafic rock and the potassium chloride is atmospheric carbon dioxide. Mix them together in water and watch the CO2 and Mg combine and form a mineral!
Climate Action: Investigate Atmospheric CO2 Concentrations
CO2 has been measured at an observatory in Hawaii (Mauna Loa) since 1958. Using this website (Scripps CO2 Program, Mauna Loa Observatory, Hawaii, in-situ CO2 data with monthly frequency), write down the CO2 concentration in the atmosphere from months when five of your family members, such as your parents, aunts and uncles, siblings, and grandparents were born (if born after 1958). Try to get a large spread in years of data collected! Make a simple graph with time on the x-axis and CO2 concentration on the y-axis. Combine this with data from your classmates for a more complete graph. Look for trends across seasons (for example, does CO2 increase or decrease in the summer?) and compare CO2 concentrations from different generations of your family.
Take this a step further and think about ways you can take up or stop the release of CO2 into the atmosphere to help the planet! For this study, it is growing carbon minerals that capture CO2 inside rocks. For you, this might be growing your own vegetables or donating your old toys or clothes. Research more ways to help reduce your carbon footprint!
Meet Our Local Science Hero: Marti Doucet
Marti Doucet finished her graduate studies in 2022 and is now a research technician at the University of British Columbia studying Geological and Earth Sciences. She researches technology that measures CO2 moving in and out of the atmosphere, or CO2 flux, and how much of that CO2 becomes mineral form.
From a young age, Marti has enjoyed the outdoors and knew she wanted to study environmental sciences. "Once I went to university, I realized that I really liked the topic of environmental contamination and pollutions caused by human activity," she explains. Specifically, she became interested in the largest form of pollution caused by humans: the release of enormous amounts of CO2 into the atmosphere. Since then, she has known that she wanted to be a part of a small solution to such a big problem.
Credit
This Science Spotlight was written based on Doucet, A. M., Jones, F. A., Dipple, G. M., & Mayer, K. U. (2021) Pilot Study Comparing Eddy Covariance and Dynamic Closed-Chamber Methods for Measuring CO2 Fluxes above the Hydromagnesite-Magnesite Playas near Atlin, Northwestern British Columbia (NTS 105N/12). Geoscience BC Summary of Activities 2020: Minerals and Mining, Geoscience BC, 2021(01), 121-128.
Histoire de la genèse : Les nombreux chemins empruntés par le dioxyde de carbone
La photosynthèse est un processus principalement utilisé par les plantes pour convertir la lumière du soleil, l’eau et le dioxyde de carbone, à savoir le CO2, en oxygène et en énergie. Grâce à la photosynthèse qui s’est produite sur des millions d’années, le carbone de l’atmosphère a été retenu dans les plantes et les roches. Au cours des dernières décennies, les êtres humains ont retiré le carbone des plantes, et l’ont relâché dans l’atmosphère sous la forme de dioxyde de carbone, principalement en brûlant des combustibles fossiles comme le charbon et le pétrole. Le CO2 est le gaz à effet de serre émis par les êtres humains le plus répandu dans l’atmosphère. Les gaz à effet de serre absorbent de l’énergie, comme la chaleur, et ils en renvoient une partie à la surface de la Terre, entraînant le réchauffement global de la Terre que l’on connaît depuis les dernières décennies. Les êtres humains ont libéré dans l’atmosphère plus de CO2 que les mécanismes naturels, comme la photosynthèse, ne peuvent en retirer.
Les transformateurs de carbone : Transformer le CO2 en roche !
La minéralisation du carbone est le processus qui consiste à prendre le CO2 de l’atmosphère et à le mettre dans des roches solides. Une fois minéralisé, il ne peut plus s’échapper pour regagner l’atmosphère. S’il est vrai que ce processus se produit de manière naturelle et lente, il peut être accéléré de manière artificielle. Pour faire ça, on a besoin d’un environnement très spécifique. Cet environnement devrait contenir des roches ultrabasiques. Il s’agit d’un type de roches magmatiques (des roches formées par le magma et la lave volcaniques) qui sont largement composées de magnésium. Quand ces roches sont amenées à la surface (en provenance du sous-sol), et exposées à l’atmosphère, elles peuvent libérer leur magnésium. Le magnésium, le carbone (de l’atmosphère), et l’eau réagissent alors, ensemble, pour créer un minéral carbonaté solide. Ce processus est important car le carbone, sous sa forme solide, signifie moins de dioxyde de carbone dans l’atmosphère pour réchauffer la Terre.
Donc, quelle quantité de carbone est réellement en train de quitter l’atmosphère pour retourner dans les roches ? Anne-Martine (Marti) Doucet et son équipe ont entrepris d’étudier les méthodes permettant de quantifier le CO2 allant dans les roches (d’en déterminer la quantité) pour créer des roches plus solides, et, par conséquent, de quantifier le carbone retiré de l’atmosphère. Jusqu’à récemment, il existait peu de manières de mesurer ce piégeage, ou absorption, du CO2 dans les roches. Cela nécessite un travail intensif, et beaucoup de temps. Les méthodes utilisées dans le cadre de cette étude permettront de quantifier ce processus sur une base continue, et rapidement. L’étude se concentre sur deux méthodes permettant de mesurer les changements relatifs au CO2, à savoir les flux.
La première méthode consiste à utiliser des chambres de flux de sol, qui sont des demi-dômes pouvant s’ouvrir et se fermer de manière automatisée. Une fois fermées, ces chambres créent un environnement scellé au-dessus du sol. Dans cet environnement scellé, l’air circule vers un capteur qui mesure les concentrations de CO2. Il s’agit d’une technique relativement simple qui est utilisée pour mesurer les changements de flux de CO2 dans un environnement de terrain. Le principal inconvénient de cette méthode, c’est qu’elle ne permet de mesurer qu’une petite quantité d’atmosphère et de roche à la fois.
La seconde méthode est la covariance des turbulences. C’est une méthode courante dans le domaine de la science de l’atmosphère pour mesurer les échanges de gaz entre des écosystèmes et l’atmosphère. Contrairement à la première méthode, celle-ci fonctionne pour un très grand volume de contrôle de l’atmosphère, et elle utilise le capteur de gaz pour mesurer une zone beaucoup plus grande entre l’atmosphère et les roches à la fois. Avec des calculs mathématiques complexes, il est possible de déterminer la quantité de CO2 entrant et sortant de ce grand volume et allant dans le sol.
L'objectif de cette étude était de comparer les résultats des deux méthodes appliquées sur le même lieu au Nord-Ouest de la Colombie-Britannique. Si l’on espère qu’elles enregistrent les mêmes valeurs, pour autant, ce n’est pas garanti. Dans la mesure où ces méthodes mesurent deux systèmes différents, il est possible que la méthode de covariance des turbulences capte des flux de systèmes se trouvant à proximité, comme une forêt, qu’une chambre de flux fermée ne pourra pas capter.
Doucet, Anne-Martine. Frances Jones (en chandail violet) avec une chambre de flux de sol au premier plan, et, Marti (en chandail noir) avec la technique de la covariance des turbulences à l’arrière-plan, sur un site à Atlin, en Colombie-Britannique. Le 2 octobre 2022.
Les deux méthodes ont leurs forces et leurs faiblesses. La première méthode est assez fiable parce qu’elle ne dépend pas du vent et qu’elle est limitée dans l’espace parce qu’elle ne peut mesurer qu’une petite zone. La seconde méthode peut mesurer un grand espace à la fois, mais il se peut qu’elle capte des systèmes se trouvant à proximité, dépendamment du vent. L’objectif des deux méthodes est de quantifier la minéralisation du carbone, et en particulier de déterminer la quantité de CO2 atmosphérique pénétrant dans les minéraux. Marti et son équipe sont encore en train d’analyser les résultats de cette étude, mais elles espèrent que les résultats des deux méthodes seront similaires afin de pouvoir utiliser l’une ou l’autre de manière indépendante à l’avenir !
Essayez ça chez vous : Minéralisez votre propre carbone !
Saviez-vous que vous pouvez imiter le piégeage du CO2 en suivant le cycle de l’eau ? Placez un petit bol dans un bol plus grand, en vous assurant que les deux bols puissent résister à de l’eau chaude. De manière sécuritaire, versez de l’eau bouillante dans le plus grand bol, et scellez-le bien avec une pellicule plastique. Ajoutez une bille au centre de la pellicule plastique, et observez la vapeur d’eau se refroidir et former des gouttelettes d’eau sur la pellicule. L’eau va s’accumuler dessus et rouler vers la bille, puis tomber dans le bol plus petit. Vous êtes en train de voir un gaz se transformer en liquide ! Ensuite, congelez le bol, et observez le liquide passer à la forme solide. Au lieu de l’eau, l’étude de Marti et de son équipe examine un processus qui prend du CO2 (un gaz), et le transforme en roche (un solide) d’une manière similaire.
Pour une expérience plus avancée, dans un laboratoire scolaire, essayez de créer une précipitation de nesquehonite (un carbonate de magnésium gluant). Dans un bécher, créez une solution de deux moles de chlorure de magnésium (l’équivalent de 73 grammes dans 200 millilitres d’eau). Ensuite, dans un autre bécher, créez une solution de deux moles de carbonate de potassium (l’équivalent de 50 grammes dans 200 millilitres d’eau). Mélangez ensemble les deux solutions dans un bécher de 500 millilitres. Observez les changements de texture et de couleur. Maintenant, imaginez que le chlorure de magnésium est une roche ultrabasique, et que le chlorure de potassium est du dioxyde de carbone atmosphérique. Mélangez-les ensemble dans l’eau, et regardez le CO2 et le Mg se combiner et former un minéral !
Action pour le climat : Étudiez les concentrations de CO2 atmosphérique
Le CO2 est mesuré à un observatoire d’Hawaii (Mauna Loa) depuis 1958. En utilisant ce site Web (Programme Scripps CO2, Observatoire Mauna Loa, Hawaii, données in-situ sur le CO2 avec fréquence mensuelle), écrivez la concentration de CO2 dans l’atmosphère des mois au cours desquels cinq membres de votre famille, comme vos parents, vos tantes et vos oncles, vos frères et sœurs et vos grands-parents sont né.e.s (s’ils/elles sont né.e.s après 1958). Essayez d’obtenir une grande amplitude dans les années de données collectées ! Faites un graphique simple avec le temps sur l’axe des abscisses et la concentration de CO2 sur l’axe des ordonnées. Combinez cela avec les données de vos camarades de classe pour un graphique plus complet. Regardez les tendances sur les différentes saisons (par exemple, est-ce que le CO2 augmente ou diminue durant l’été ?), et comparez les concentrations de CO2 pour les différentes générations de votre famille.
Allez plus loin encore, et pensez aux façons dont vous pouvez arrêter l’émission de CO2 dans l’atmosphère pour aider la planète ! Pour cette étude, ce sont les minéraux de carbone se développant qui capturent le CO2 à l’intérieur des roches. Pour vous, cela pourrait consister à cultiver vos propres légumes ou à donner vos vieux jouets ou vos vieux vêtements. Recherchez davantage de manières d’aider à réduire votre empreinte carbone !
Marti Doucet a terminé ses études de deuxième cycle en 2022, et elle est maintenant technicienne en recherche à l’Université de la Colombie-Britannique, où elle étudie en sciences géologiques et en sciences de la Terre. Ses recherches portent sur la technologie permettant de mesurer le CO2 qui entre dans l’atmosphère et qui en sort, à savoir le flux de CO2, ainsi que la quantité de ce CO2 qui passe sous une forme minérale.
Très jeune, Marti aimait déjà le plein air, et elle a su très vite qu’elle voulait étudier les sciences de l’environnement. « Une fois à l’université, j’ai réalisé que j’aimais vraiment le sujet de la contamination et de la pollution de l’environnement causées par l’activité humaine, » explique-t-elle. Plus particulièrement, son intérêt s’est porté sur la plus grande forme de pollution causée par les êtres humains : l’émission d’énormes quantités de CO2 dans l’atmosphère. Depuis lors, elle savait qu’elle voulait faire partie de la solution pour ce si grand problème, même modestement.
Contribution
Ce guide « Pleins feux sur la science » a été écrit sur la base de l’article Doucet, A. M., Jones, F. A., Dipple, G. M., et Mayer, K. U. (2021) « Pilot Study Comparing Eddy Covariance and Dynamic Closed-Chamber Methods for Measuring CO2 Fluxes above the Hydromagnesite-Magnesite Playas near Atlin, Northwestern British Columbia » (Traduction libre : « Étude pilote comparant les méthodes de covariance des turbulences et de chambre fermée dynamique utilisées pour mesurer les flux de CO2 au-dessus des playas d’hydromagnésite-magnésite près d’Atlin, au Nord-Ouest de la Colombie-Britannique) (NTS 105N/12). Geoscience BC Summary of Activities 2020: Minerals and Mining, Geoscience BC, 2021(01), 121-128.
