« 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

Formaterre 2006 : Terre et énergie

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.

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.

La construction d’un modèle

Un fait d’actualité, le climat de la Terre changeInterface 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 CO2entre 2 et 17 microns

structure linéaireMesures 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

2- 2- Construction du modèle

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

3- 3- Modèle final

Peut-on estimer l’impact de la combustion des carburants fossiles sur la composition de l’atmosphère entre 1991 et 2001?

1- Feuille de calcul (correction)

au lieu de 842 Gt de C

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 .

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.

Deux hypothèses proposées

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 puitsModèle 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 AtmosphèreBiosphère?

Les banques de données internationales du réseau WDCGG

Fichier

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…

La biosphère a-t-elle pu séquestrer une

partie du carbone anthropique?

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-solsVoir le modèle à 3 compartiments : atmosphère-biosphère-sols

Existe-t-il des preuves de l’existence d’échanges AtmosphèreHydrosphère?

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 profondModèle 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 Modèle complet à 5 compartimentscompartiments

Bilan de la modélisationBilan 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 GIECModèle exploitant les prévisions du GIEC•Modèles Java Climat ModelModèles Java Climat Model

En ligneEn ligneEn localEn local

Les enjeux de la modélisation numérique du

point de vue des apprentissages.1. En construisant pas à pas son modèle, l’élève

– 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.

2. En jouant avec son modèle, l’élève est invité à :– Noter ses prédictions et ses interprétations, – Rechercher des mesures d’atténuation et à les tester : il prend ainsi conscience

de ses actions.

Discussion

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