Cycle court version longue

Formaterre 2006 : Terre et énergie
« Modélisation du cycle du carbone
et impact climatique »
Équipe de recherche INRP
De l’académie d’Orléans-Tours
ERTé ACCES
Jacques Barrère et Thierry Lhuillier
La place du thème
dans l’enseignement des SVT
• Le thème « modélisation du cycle du carbone » trouve
sa place dans l’enseignement des SVT:
– En classe de seconde : Cycle du dioxyde de carbone ...
Couplage lithosphère, hydrosphère, atmosphère et biosphère.
Influence de l’Homme. Action sur la température. Évolution
historique de la composition de l’atmosphère terrestre.
• Notions de respiration et de photosynthèse.
– En classe de TS enseignement de spécialité : Du passé
géologique à l’évolution future de la planète. Les climats
passés et les climats du futur.
La construction d’un modèle
Un problème d’actualité:
L’Homme est-il responsable de l’augmentation des GES
constatée actuellement?
Une démarche s’appuyant sur la modélisation:
Le modèle comme outil de
Simplification
Compréhension,
D’anticipation.
Un fait d’actualité, le climat de la Terre change
Interface d’interrogation des banques de données
•Le GIEC estime que la température moyenne globale de la Terre a augmenté de 0,3 à
0,6 °C au cours du dernier siècle.
•Le CO2 est responsable d’environ 65 % de l’effet de serre.
•Il existe une corrélation entre l’augmentation du CO2 et l’augmentation de la
température (Barrette, 2002).
La chronologie de cette augmentation pourrait être compatible
avec la chronologie de l’utilisation des combustibles fossiles…
Quelle est l’origine de l’effet de serre?
• La terre reçoit un rayonnement
émis par le soleil
• La Terre émet également un
rayonnement dont la radiation
principale se trouve dans l’infra
rouge.
• Certaines molécules absorbent
le rayonnement tellurique
essentiellement le dioxyde de
carbone (CO2), la vapeur d'eau
(H2O) et d'autres à l'état de
traces comme le méthane
(CH4): ce sont les gaz à effet de
serre.
• Cet effet de serre a un rôle
positif mais il est impliqué dans
un processus de réchauffement
global qui inquiète les
scientifiques.
Spectre d'absorption du CO2
entre 2 et 17 microns
structure linéaire
Mesures effectuées par Jacques GENTILI
Laboratoire de Sciences de la Matière, ENS Lyon
Voir un modèle du bilan radiatif
Un calcul précède la construction du modèle
Peut-on estimer l’impact de la combustion des carburants
fossiles sur la composition de l’atmosphère entre 1991 et 2001?
Moyenne annuelle du CO2 à Mauna-Loa
• En 1991 :
355,7 ppmv
• En 2001 :
370,9 ppmv
Quantité de Carbone dans l’atmosphère
• En 1991 : 778 Gt de C
•En 2001 : 811 au lieu de 842 Gt de C
1- Feuille de calcul (correction)2- Construction du modèle 3- Modèle final
Un modèle simple à un compartiment fermé
Peut-on estimer l’impact de la combustion des carburants
fossiles sur la composition de l’atmosphère depuis 1780?
Voir le modèle à un compartiment sur 220 ans
Deux conclusions s ’imposent :
L’apport de Carbone lié à la combustion des carburants fossiles
n’est pas négligeable
–64 Gt entre 1991 et 2001
–283 Gt de C depuis 1780 pour un réservoir de 600 Gt.
Du CO2 disparaît de l’atmosphère
–Sur les 64 Gt de C d’origine anthropique émis entre 1991 et 2001, il n’en
reste plus que 33Gt
–Il existe des phénomènes d ’atténuation dont il importe d ’évaluer
l ’importance .
Deux hypothèses proposées
La biosphère végétale avec la photosynthèse pourrait être
impliquée dans ce phénomène d’atténuation
Les océans pourraient aussi être impliqués dans la séquestration
du carbone.
Ralf Keeling exploite une nouvelle information :
la baisse du dioxygène…
Un premier constat :
•La concentration en CO2 augmente au cours du temps
•La concentration en O2 diminue
•Il existe des variations saisonnières.
Traitement des informations…
La combustion des carburants fossiles utilise
1.43 moles d ’O2 par mole de CO2 dégagé
Bilan du traitement des informations…
Soit 1,9 Gt de C/an vers l ’océan et 1,1 Gt de C/an vers les végétaux terrestres
Un modèle à un compartiment et deux puits: le
puits océanique et le puits biosphérique
Ce modèle permet d’estimer l’impact du puits océanique et du
puits biosphérique dans l’atténuation des GES?
Modèle à 1 compartiment avec les puits
Notion de cycle du carbone …
Cette étude montre que le carbone circule entre les
différents compartiments mettant en jeu :
• des mécanismes biologiques (photosynthèse et
respiration),
• des mécanismes physico chimiques (dissolution).
Il convient maintenant de préciser les
caractéristiques de ce cycle du carbone et de
préciser l’impact de ce cycle sur le climat.
Existe-t-il des preuves de l’existence d’échanges
AtmosphèreBiosphère?
Les banques de données internationales du
réseau WDCGG
Fichier
La biosphère a-t-elle pu séquestrer une
partie du carbone anthropique?
Les informations acquises au laboratoire
(expérimentation) ainsi que celles fournies par les
banques de données (FLUXNET ou kmz) sont
utilisées lors de la construction du modèle…
Le modèle à 2 compartiments
La biosphère a-t-elle joué le rôle d’un puits
de carbone depuis 1780?
Voir le modèle à 3 compartiments : atmosphère-biosphère-sols
Existe-t-il des preuves de l’existence
d’échanges AtmosphèreHydrosphère?
Les informations acquises au
laboratoire (expérimentation) ainsi
que celles fournies par les banques
de données (Site de l’université de
Colombia) sont utilisées lors de la
construction du modèle…
L’hydrosphère a-t-elle joué le rôle d’un puits
de carbone depuis 1780?
Modèle à 3 compartiments : atmosphère-océan superficiel- océan profond
Le cycle du carbone complet et la résolution
du problème posé…
Où est passé le CO2 d’origine anthropique? Quelle est la responsabilité de
l’Homme dans le réchauffement climatique?
Modèle complet à 5 compartiments
Bilan de la modélisation
Pour conclure
•L’apport de Carbone lié à la combustion des carburants fossiles
n’est pas négligeable 283 Gt de C depuis 1780 pour un réservoir de
600 Gt. L’élévation de la teneur en CO2 d’origine anthropique est
bien impliquée dans le réchauffement climatique actuel.
•Deux phénomènes sont venus atténuer ces effets anthropiques:
– Du CO2 a été séquestré dans la biosphère : effet de fertilisation carbonée.
– Du CO2 s’est dissous dans les océans froids.
•Pour le futur si les émissions de CO2 se poursuivent, comment se
comporteront la biosphère et l’hydrosphère ?
- Cycle du carbone et climats du futur
•Modèle exploitant les prévisions du GIEC
•Modèles Java Climat Model
En ligne
En local
Les enjeux de la modélisation numérique du
point de vue des apprentissages.
En construisant pas à pas son modèle, l’élève
1.
–
Fait des observations,
–
Consulte les données des chercheurs (BDD),
–
Fait des mesures (EXAO)
A chaque étape:
–
Il formule des hypothèses qu’il teste,
–
Il valide son modèle en comparant les valeurs modélisées aux valeurs
mesurées.
En modélisant, l’élève
–
Simplifie le réel grâce à la visualisation des entités, de leurs propriétés et de
leurs relations.
–
Conforte son raisonnement : la modélisation favorise la transition du
raisonnement sur les objets au raisonnement sur les concepts abstraits.
En jouant avec son modèle, l’élève est invité à :
2.
–
–
Noter ses prédictions et ses interprétations,
Rechercher des mesures d’atténuation et à les tester : il prend ainsi
conscience de ses actions.
Discussion
Consulter le dossier sur le site ACCES