corrige - Meck

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Thème : L’eau
CHAP 01-ACT PB/DOC-Les archives du climat
Mots clés :
Traceurs chimiques ; Climat ;
Domaine : Eau et environnement
Erosion ; Dissolution ;
CORRIGE
Objectifs :
 Résolution d’un problème scientifique
 Analyse et synthèse de documents scientifiques
Les traceurs chimiques dans le suivi du climat Bordas p20
La paléoclimatologie est la science qui étudie les climats du passé afin de prendre les éventuelles variations
climatiques actuelles.
Situation problème
Le relevé systématique des conditions météorologiques est relativement récent (seconde moitié du XIXe siècle).
Pour connaître les climats du passé, on doit donc aller chercher des traceurs, témoins des climats anciens. Les
paléoclimatologues prélèvent des carottes dans la glace ou les sédiments. Leur analyse chimique permet de
connaître l'évolution du volume de glace sur Terre ou celle de la température de l'air, par exemple.
Analyse du problème
Il existe trois isotopes naturels stables de l'oxygène : 16O (99,76 %), 17O (0,04 %) et 18O (0,20 %).
Les paléoclimatologues parviennent à reconstituer l'évolution des températures en étudiant la composition
ଵ଼
isotopique de l'oxygène des glaces. Ils mesurent le rapport isotopique, ቀଵ଺ో ቁde l'échantillon, et calculent sa
ో
variation relative δ18O par rapport à une valeur standard notée SMOW (Standard Mean Océan Water), égale à
2,0.10-3 :
18
భఴ
൬ ೀ൰
δ O=൭
భఴ
ି ൬ ೀ൰
భలೀ
భలೀ
é೎೓ೌ೙೟೔೗೗೚೙
ೞ೘ ೚ೢ
భఴೀ
൬ ൰
భలೀ
ೞ೘ ೚ೢ
൱.10000
La valeur de cette variation relative permet de déterminer la température de l'air à l'époque de la formation de
la glace.
Vocabulaire :
Traceur : élément ou composé chimique dont la concentration est mesurable et qui permet
de suivre un déplacement de matière, notamment dans l'environnement.
Carotte : échantillon cylindrique de glace ou de sédiment prélevé verticalement par forage.
1.1. Questions
a) Qu'appelle-t-on isotopes ?
Des noyaux isotopes sont deux noyaux de même numéro atomique Z mais de nombre de nucléons A
différent.
b) Que peut-on dire de leurs propriétés chimiques ?
Leurs propriétés chimiques sont identiques.
c) Dans la glace, à quelle molécule appartiennent les atomes d'oxygène ?
Dans la glace, les atomes d’oxygène appartiennent à la molécule d’eau.
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d) Le rapport isotopique ቀଵ଺ో ቁ, mesuré a-t-il la même valeur que lorsque la glace s'est solidifiée ? Pourquoi ?
ో
Le rapport isotopique O/ O mesuré a la même valeur que lorsque la glace s’est solidifiée car ces deux
isotopes sont stables et ne réagissent pas avec d’autres espèces chimiques.
18
16
e) À quelle grandeur semble reliée la température de l'air à l'époque de la formation de la glace ?
La température de l’air semble reliée à la variation relative de 18 O.
1.2. Question scientifique à résoudre
Peut-on préciser la relation de la question e) et lui donner une explication scientifique ?
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Construction des étapes de la résolution
Les changements d'état, vaporisation ou condensation, peuvent enrichir
ou appauvrir l'eau en ses isotopes lourds et conduire à un fractionnement
mesurable : la phase la plus dense est enrichie en l'isotope le plus lourd,
au détriment de la phase légère.
Partiellement dépouillée en isotopes lourds lors de sa vaporisation dans
les régions tropicales, l'eau des nuages poursuit son appauvrissement
tout au long de son trajet vers les pôles, du fait des condensations
successives partielles qu'elle va subir par suite de la baisse progressive de
sa température.
Plus la température du lieu des précipitations est faible, plus la masse
d'air a subi depuis sa formation un processus poussé d'appauvrissement
en isotopes lourds (semblable à une de distillation fractionnée) et plus la
teneur en isotope lourd de la neige sera faible.
ଵ଼
a) Dans la glace des calottes polaires, le rapport isotopique ቀଵ଺ో ቁ, est légèrement plus faible que dans l'eau de
ో
mer, ce qui prouve un fractionnement isotopique lors du cycle de l'eau. Expliquer.
Lors du trajet de l’eau vers les pôles, la vapeur d’eau est appauvrie en 18O.
Le rapport 18O/16O dans les précipitations formées à partir de cette vapeur diminue donc quand on se
rapproche des pôles, d’où le terme de fractionnement isotopique.
b) Comment évolue la variation δ18O dans la glace polaire fraîchement gelée :
- Lorsque la température locale diminue ?
Lorsque la température locale diminue, les précipitations à une latitude donnée sont appauvrie en 18O. La
neige est appauvrie en 18O, le rapport 18O/16O diminue, donc la variation 18 O dans la glace polaire diminue.
- Lorsqu'elle augmente ?
Lorsque la température locale augmente, la neige est moins appauvrie en 18O, le rapport 18O/16O augmente,
donc la variation 18 O dans la glace polaire augmente.
c) Comment peut-on montrer que la valeur de δ18O est liée à la valeur de la température en un lieu donné ?
Pour montrer que la valeur de 18 O est liée à la valeur de la température en un lieu donné, on mesure le 18 O
dans les précipitations en un lieu donné en fonction de la température.
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Mise en œuvre des étapes de la résolution
d) Représenter graphiquement l'évolution de la valeur δ18O relevée à Halley Bay en fonction de la moyenne
annuelle de la température (Fig. 3).
Montrer le résultat au prof pour vérification
18O (10-3)
T (°C)
e) Quel est le type de courbe obtenue ? Déterminer son équation.
La courbe obtenue est une droite d’équation δ18O = 0,438  T - 13,831.
f) En déduire l'effet sur la température d'une augmentation de δ18O de 1,0.10-3.
Une augmentation de δ18O de 1,0  10-3 correspond à une élévation de la température de1/0,438 =2,3 °C.
Regard critique sur la résolution
g) Pourquoi l'équation obtenue précédemment est-elle spécifique à Halley Bay ?
L’équation obtenue précédemment est spécifique à Halley car δ18Odépend aussi de la latitude.
Pour conclure
h) Pourquoi les glaces constituent-elles des archives du climat ?
Les glaces et sédiments constituent des archives du climat car ils contiennent des traceurs témoins du climat à
l’époque de leur formation.
g) On qualifie parfois les glaces de « thermomètre isotopique ». Expliquer cette expression
La composition isotopique en oxygène des glaces et sédiments est directement reliée à la température locale
au moment de leur formation. Mesurer le rapport isotopique 18O/16O permet de déterminer les températures
du passé.
2. Rôle de l’altération des roches dans l’évolution du climat
Le climat a fortement évolué depuis la formation de la Terre.
Comment l'altération des roches par l'eau peut-elle modifier le climat à l'échelle des temps géologiques
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Certaines formations géologiques sont dues à l'altération des roches (érosion).
C'est par exemple le cas des karsts, structures géologiques formées par dissolution des roches calcaires au
contact d'eau riche en dioxyde de carbone :
→
(1) CaCO3(s) + CO2(g) + H2O(1) ← Ca2+(aq) + 2HCO3-(aq)
L'érosion d'un basalte conduit à l'altération de l'anorthite (minéral silicaté) en kaolinite. Cette érosion consomme
elle aussi du dioxyde de carbone :
→
(2) CaAl2Si2O8(s) + 2CO2(g) + 3H2O(l) ← Al2Si2O5(OH)4(s) + Ca2+(aq) + 2HCO3-(aq)
Les ions et minéraux produits sont conduits, grâce aux rivières, dans l'océan.
Les ions Ca2+(aq) et HCO3-(aq)s'accumulent dans l'eau de mer et précipitent dès que la limite de solubilité du
carbonate de calcium est atteinte.
Cette précipitation s'accompagne d'une
libération de dioxyde de carbone [doc.6],
L'érosion des roches sur les continents et la
précipitation des ions carbonate dans l'océan
s'opposent donc en termes de bilan d'espèces
chimiques produites et consommées [doc. 6],
(3)
S’informer :
- Le calcaire est une roche sédimentaire constituée d'au moins 50 % de calcite,
minéral dont la formule chimique est CaCO3.
- Le basalte est une roche magmatique volcanique, formée par refroidissement
rapide de magma et constituée de minéraux silicatés.
- La limite de solubilité d'une espèce est la concentration : à partir de laquelle
cette espèce ne se dissout plus dans l'eau. Cette limite dépend de la température.
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2.1. Questions
a) Faire un tableau d’avancement des équation (1), (2) et (3)
équation de la réaction
CaCO3(s) +
CO2(g)
+
état du
avancement
n(CaCO3)
n(CO2)
système
état initial
0
n°(CaCO3)
n°(CO2)
état
x
n°(CaCO3)  x
n°(CO2)  x
intermédiaire
équation de la réaction
état du
avancement
système
état initial
0
état
x
intermédiaire
équation de la réaction
état du système avancement
état initial
0
état
x
intermédiaire
Ca2+(aq)
+
Ca2+(aq)

H2O(l)
2 HCO3–(aq)
+
n(H2O)
n(Ca2+)
n(HCO3–)
excès


excès 
x
x
2 HCO3–(aq)  CaCO3(s)
+
CO2(g)
+
H2O(l)
n(Ca2+)
n(HCO3–)
n(CaCO3)
n(CO2)
n(H2O)
n°(Ca2+)
n°(HCO3–)


excès
n°(Ca2+)  x
n°(HCO3–)   x
x
x
excès
CaAl2SiO8(s)
+
2 CO2(g)
+
3 H2O(l)

Al2Si2O5(OH)4(s)
+
Ca2+(aq)
2+
+
2 HCO3–(aq)
–
n(CaAl2SiO8)
n°(CaAl2SiO8)
n(CO2)
n°(CO2)
n(H2O)
excès
n(Al2Si2O5(OH)4)

n(Ca )

n(HCO3 )

n°(CaAl2SiO8)  x
n°(CO2)   x
excès
x
x
x
b) En raisonnant sur les équations de réactions, faire le bilan de la quantité de dioxyde de carbone consommée
ou produite dans le cas de l’érosion continentale de calcaire suivie de la précipitation dans l'océan des ions
carbonate.
Bilan du carbone dans le cas de l’érosion continentale du calcaire suivie de la précipitation
dans l’océan.
Dissolution du calcaire :
CaCO3 (s) + CO2 (g) + H2O(l)  Ca2+(aq) + 2HCO3−(aq)
Précipitation des carbonates :
Ca2+(aq) + 2HCO3−(aq)  CaCO3 (s) + H2O(l) + CO2 (g)
La dissolution consomme 1 mole de CO2, la précipitation en produit 1 mole. Le bilan est donc nul.
c) Réaliser de même le bilan de la quantité de dioxyde de carbone consommée ou produite dans le cas de
l’érosion continentale de basalte, riche en anorthite, suivie de la précipitation dans l'océan des ions carbonate.
Bilan du carbone dans le cas de l’érosion continentale du basalte suivie de la précipitationdans l’océan.
Altération des silicates :
CaAl2 Si2 O8(s) + 2CO2 (g) + 3H2O(l)  Al2Si2O5(OH)4(s) + Ca+(aq) + 2HCO3−(aq)
Précipitation des carbonates :
Ca2+(aq) +2HCO3−(aq)  CaCO3(s) + H2O(l) + CO2(g)
L’altération consomme 2 moles de CO2, la précipitation en produit 1 mole, le bilan est donc négatif :
l’altération chimique des silicates consomme deux fois plus de dioxyde de carbone de l’atmosphère que la
précipitation du calcaire n’en libère dans l’océan.
d) Laquelle de ces deux érosions influe le plus sur la teneur en dioxyde de carbone dans l'atmosphère ?
L’altération des silicates influence directement les variations de la teneur en dioxyde de carbone
atmosphérique. Sur l’échelle des temps géologiques, il faut donc considérer ce phénomène comme essentiel
pour expliquer la diminution de la teneur en dioxyde de carbone atmosphérique.
Le dioxyde de carbone atmosphérique se retrouve aujourd’hui « séquestré » dans le carbone lithosphérique
(calcaire).
e) Rédiger une synthèse
Expliquer comment l'érosion d'un relief constitué de basalte riche en anorthite contribue à refroidir durablement
le climat de la Terre.
Chaîne de montagnes ї ĠƌŽƐŝŽŶї ĂůƚĠƌĂƟŽŶĚĞƐƐŝůŝĐĂƚĞƐсpompage de CO2 →baisse du
CO2 atmosphérique ї ĚŝŵŝŶƵƟŽŶĚĞů͛Ğī ĞƚĚĞƐĞƌƌĞї ƌĞĨƌŽŝĚŝƐƐement de la température moyenne de la
surface terrestre.