« 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 change Interface d’interrogation des banques de données 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 CO 2 est responsable d’environ 65 % de l’effet de serre. Il existe une corrélation entre l’augmentation du CO 2 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…

Un calcul précède la construction du modèle 2- Construction du modèle Construction du modèleConstruction du modèle Moyenne annuelle du CO 2 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 : Modèle final Modèle finalModèle final Peut-on estimer l’impact de la combustion des carburants fossiles sur la composition de l’atmosphère entre 1991 et 2001? Feuille de calculcorrection Feuille de calculcorrection 1- Feuille de calcul (correction)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 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 CO 2 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

Existe-t-il des preuves de l’existence d’échanges Atmosphère  Biosphère? Les banques de données internationales du réseau WDCGGWDCGG 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…FLUXNETkmz 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-sols 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…Site de l’université de Colombia

L’hydrosphère a-t-elle joué le rôle d’un puits de carbone depuis 1780? Modèle à 3 compartiments : atmosphère-océan superficiel- océan profond Modèle à 3 compartiments : atmosphère-océan superficiel- océan profond

Le cycle du carbone complet et la résolution du problème posé… Où est passé le CO 2 d’origine anthropique? Quelle est la responsabilité de l’Homme dans le réchauffement climatique? Modèle complet à 5 compartiments Modèle complet à 5 compartiments Bilan de la modélisation 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 CO 2 d’origine anthropique est bien impliquée dans le réchauffement climatique actuel. Deux phénomènes sont venus atténuer ces effets anthropiques: – Du CO 2 a été séquestré dans la biosphère : effet de fertilisation carbonée. – Du CO 2 s’est dissous dans les océans froids. Pour le futur si les émissions de CO 2 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 GIECModèle exploitant les prévisions du GIECModèle exploitant les prévisions du GIEC Modèles Java Climat ModelModèles Java Climat Model En ligne En ligne En local En 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.

Compléments scientifiques… Évaluation des puits biosphérique et hydrosphérique prend en compte 2 paramètres : la baisse du dioxygène et l’augmentation du CO 2 … Découverte de l’impact de l’atmosphère sur la température globale de la planète : le bilan radiatif de la Terre…

Les mesures effectuées par Ralf Keeling depuis 1991 sur le Mauna Loa et ses enseignements Un double constat : La concentration en O 2 diminue La concentration en CO 2 augmente au cours du temps Il existe des variations saisonnières.

Traitement des informations… La combustion des carburants fossiles utilise 1.43 moles d ’O 2 par mole de CO 2 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 Modèle à 1 compartiment avec les puits

Les puits biosphérique et océanique ont bien atténué l’impact des émissions anthropiques de CO2 … Cette approche utilisant la modélisation conforte l’idée d’une circulation entre les compartiments atmosphérique, biosphérique et hydrosphérique. Cette circulation du carbone met en jeu : Des mécanismes biologiques (photosynthèse et respiration) soit 1,1Gt de C par an entre 1991 et 2001, Des mécanismes physico chimiques (dissolution) soit 1,9Gt de C par an entre 1991 et Pour le futur si les émissions de CO 2 se poursuivent, comment se comporteront la biosphère et l’hydrosphère ?

Compléments scientifiques… Évaluation des puits biosphérique et hydrosphérique prend en compte 2 paramètres : la baisse du dioxygène et l’augmentation du CO 2 … Découverte de l’impact de l’atmosphère sur la température globale de la planète : le bilan radiatif de la Terre…

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 (CO 2 ), la vapeur d'eau (H 2 O) et d'autres à l'état de traces comme le méthane (CH 4 ): 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

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