1/6 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, ቀଵో 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 éೌ 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. 2/6 ଵ଼ d) Le rapport isotopique ቀଵో 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 ? 3/6 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 ቀଵో 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. 4/6 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 5/6 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. 6/6 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.