« Modélisation du cycle du carbone à long terme et impact climatique » J Barrère, MJ Broussaud, T Lhuillier Équipe de recherche INRP De l’académie d’Orléans-Tours ERTé ACCES

La place du thème dans l’enseignement des SVT Le thème « modélisation du cycle du carbone à long terme» trouve sa place dans l’enseignement des SVT: En seconde : Le cycle du CO2 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. Les variations du niveau de la mer Le cycle du carbone est inscrite dans les programmes. L’étude du climat (passé, présent et futur) est abordée en classe de seconde et aussi en classe de TS enseignement de spécialité. Une enquête réalisée auprès des enseignants de SVT par Eric Sanchez (INRP) a montré que les professeurs ne disposaient pas d’outils pour enseigner ces notions. L’INRP a demandé à notre équipe d’OT d’effectuer une recherche portant sur la modélisation du cycle du carbone et ses impacts climatiques. La recherche a débuté en septembre 2003. Nous avons exploré les outils de modélisation et de simulation (Stella, Vensim et Simile), Nous avons fait l’inventaire des modèles utilisés par les chercheurs (Modèle de Berner pour le cycle long, modèles du collège de Carlton et de l’université de l’Oklaoma pour le cycle court). Nous avons recensé les BDD dédiées au climat et nous construisons une interface d’interrogation des BDD climatiques. … Cette recherche met en évidence la nécessaire complémentarité entre la géologie et la biologie et des possibilités de partenariat avec d’autres disciplines (les mathématiques pour les modèles numériques, la physique chimie pour le devenir du carbone, la géographie et l’économie pour l’EEDD…

Du cycle court au cycle long Importance des différents réservoirs de carbone (masses en gigatonnes de carbone). 1 Gt =109 tonnes = 1012 kg Hydrosphère Atmosphère Biosphère Roches carbonatées Roches carbonées 38000 600  2200 30.106  10. 106 Les échanges entre réservoirs peuvent être représentés de façon simplifiés par sept flux résultant de sept phénomènes majeurs : Flux De Vers  Valeur actuelle en Gt/an photosynthèse Atmosphère biosphère 110 respiration  atmosphère dissolution hydrosphère 100 relâchement altération/sédimentation des carbonates lithosphère 0.1 volcanisme  activités humaines 7 Comparer la masse de carbone présente dans les différents réservoirs hydrosphère, atmosphère, biosphère et lithosphère (roches carbonatées et roches carbonées)  Représenter schématiquement ces réservoirs et ces flux sur une feuille de papier en diquant les valeurs correspondantes;   Comparer la valeur des flux entre ces différents réservoirs; Calculer le temps de résidence moyen, exprimé en années du carbone dans chaque réservoir (masse de carbone/somme des flux sortants);  Calculer pour chaque flux en combien d'années il peut vider/remplir les réservoirs concernés. correction

Du cycle court au cycle long … Système superficiel Les échanges de carbone entre l'océan, l'atmosphère, la biosphère sur le long terme, sont "à l'équilibre" ce qui permet de les regrouper dans un seul compartiment nommé "Système superficiel". Le cycle du carbone à court terme (quelques années à quelques dizaines de milliers d'années) s'intéresse aux flux entre réservoirs superficiels (atmosphère, hydrosphère, biosphère) et est peu influencé par les échanges avec la lithosphère. ( voir cycle à court terme) A long terme (plusieurs dizaines ou centaines de millions d'années) les échanges entre réservoirs superficiels sont en équilibre permanent (sauf exception : les émissions anthropiques perturbent le cyle actuellement), et les échanges avec la lithosphère ont une importance considérable, et jouent un rôle majeur dans l'histoire climatique de la Terre. Sur le long terme les échanges de carbone entre l'hydrosphère, l'atmosphère, la biosphère sont à l'échelle du million d'années, considérés "à l'équilibre" ce qui permet de les regrouper dans un seul compartiment nommé le "compartiment superficiel".  Le modèle court terme est ouvert : on distingue 2 flux: Un flux entrant : les apports volcaniques 0.1GT de C/an Un flux sortant : la sédimentation Complément : la sédimentation qui correspond au stockage du CO2 atmosphérique: sous forme de roches carbonatées. Un CO2 est prélevé à l’atmosphère par l’altération des silicates. Ce CO2 accompagné d’un ion calcium forme un CaCO3. C’est pour cela que l’équation qui régit la sédimentation intègre aussi l’altération des silicates… L’altération du CaCO3 est la dissolution des calcaires exposés à l’érosion. Un CO2 est alors restitué à l’atmosphère Sous forme de roches carbonées , « enfouissement » correspond au stockage dans les roches sédimentaires de matière organique à partir des végétaux continentaux (gisement de charbon carbonifère) par exemple ou encore du phytoplancton pour certains pétroles… L’altération des roches carbonées correspond à une oxydation des roches mises a nues à la faveur d’une orogenèse. La « géorespiration ». (Métamorphisme et) volcanisme sont les deux processus géologiques qui permettent un recyclage des carbonates océaniques. Dans les zones de subduction les carbonates enfouis sont métamorphiser selon la réaction CaCO3+SiO2 →CaSiO3(pyroxène) + CO2. Le CO2 ainsi libéré est évacué vers la surface par l’intermédiaire des magmas calco-alcalins du volcanisme subductif. Le métamorphisme des roches carbonées inclut la diagenèse, le métamorphisme d’enfouissement et orogénique.

L’impact du volcanisme dans le cycle du carbone Problématique : Le volcanisme est-il une source importante de CO2 ? Peut-on négliger l'apport de CO2 par les volcans dans le cycle du carbone à court terme et dans le cycle à long terme ? Pour résoudre ce problème, on propose de construire un modèle avec un seul réservoir regroupant l'atmosphère, l'hydrosphère et la biosphère et un flux, le volcanisme. Résultats En 100 ans l'apport de CO2 par les volcans est très faible et dans un cycle à court terme on peut le négliger. Par contre, en un million d'années l'apport de carbone dans le système superficiel est très important et son impact sur le climat n'est pas négligeable. Si le volcanisme est une source importante de CO2  quel puits et quel compartiment faut-il ajouter à cette modélisation pour équilibrer notre modèle ? La recherche des puits de carbone et du réservoir manquant pourra s'appuyer sur diverses activités (TD, TP paillasse) Modèle à 1 compartiment

Le volcanisme est une source importante de CO2 Problème : Quel(s) puits et quel(s) compartiment(s) faut-il ajouter à cette modélisation pour équilibrer le modèle ? Les informations acquises au laboratoire (expérimentation) permettront de résoudre le problème. Estimation de la masse de carbone dans une couche géologique Estimation de la masse de Carbone dans un échantillon de poudre de craie La recherche des puits de carbone et du réservoir manquant pourra s'appuyer sur diverses activités (TD, TP paillasse) Feuille de calcul (correction)

Le modèle du chercheur pour résoudre un problème Quel peut-être l’impact de l'expansion océanique sur le climat ? Le modèle peut alors être complété ou alors pour gagner du temps on utilise le modèle déjà construit pour 2 petites applications pédagogiques. Activité tectonique/altération/sédimentation Les géophysiciens ont démontrés que le taux d'expansion des océans a varié au cours du temps. Ces variations sont assez bien connues sur les cent derniers millions d'années grâce à des mesures paléomagnétiques et géochronologiques. Il était d'environ 1.8 fois supérieur à l'actuel On cherche à comprendre comment pourrait évoluer le système si le taux d'expansion océanique augmentait ou si il diminuait. Après avoir proposé (à titre d'hypothèse) quelle pourrait en être l'impact sur le système, on propose de réaliser un test d'hypothèses en utilisant le modèle. Dans le modèle, l'expansion océanique est égale à 1 (valeur d'aujourd'hui) Expansion = taux d'expansion océanique au temps t /taux d'expansion océanique actuel . Que se passe-t-il si on augmente l'activité tectonique de 1 à 2? Que se passe-t-il si elle diminue à 0.8 ? Les résultats donnés par le modèle sont-ils conformes aux hypothèses  Résultats : Quand l'expansion augmente, l'hydrothermalisme sous-marin augmente, le métamorphisme et le volcanisme augmente, le flux de CO2 libéré vers l'atmosphère augmente donc la température augmente . Le climat devient plus chaud et plus humide et l'altération des continents augmente. Dans ces conditions, les quantités d'ions Ca2+ et HCO3- libérés par l'altération et arrivant dans les océans augmentent et il y a alors prolifération des organismes dans l'océan et sédimentation de quantités croissantes de carbonates. Adaptation du modèle de Dave Bice Carleton College, Minnesota Modèle à 2 compartiments

Complexification du modèle: prise en compte du niveau marin Problème : Quelle est l'influence de la vitesse d'expansion océanique sur le niveau marin ? Interprétation : Le modèle montre que lorsque l'activité des dorsales augmente, le CO2 libéré dans l'atmosphère augmente, la température augmente également, d'où la fonte des calottes polaires et la dilatation thermique de l'eau. Et inversement… Les résultats du modèle sont conformes aux publications des chercheurs (voir les manuels). Le modèle ne permet pas de montrer les variations du niveau marin en fonction du volume des dorsales. Modèle à 2 compartiments avec niveau marin Fischer 1984

Un modèle adapté de GEOCARB II Le modèle est basé sur les séries GEOCARB II publiées par Berner en 1994 (Yale University, Connecticut)

Esprit du modèle Modèle conçu pour simuler les temps depuis 0 (début du cambrien) jusqu'à 600 Ma (présent). L'ambition du modèle n'est pas de "prédire" le CO2 au cours du passé géologique, mais d'examiner la sensibilité du modèle aux facteurs biologiques et géologiques John T Snow université d' Oklahoma

… Aller plus loin avec le modèle adapté de BERNER Réservoir superficiel 5 flux La construction d’un modèle simple ne permet pas de relater des phénomènes complexes qui régissent les flux de carbone. Le modèle est basé sur les séries GEOCARB publiées par Berner (Université de Yale) en 1991 et 1994. Il s'agit d'une modélisation du cycle du carbone à long terme (centaines de milliers à centaines de millions d'années, petits flux et gros réservoirs) par opposition au cycle à court terme (années à milliers d'années, gros flux et faibles temps de séjour).   Le modèle– tout comme les autres modèles du cycle à long terme sur lesquels nous avons travaillé - ne permet pas d'étudier des évènements dans lesquels un déséquilibre temporaire océan atmosphère jouerait un rôle (trapps du Dekkan par exemple). Les valeurs initiales sont correspondent aux valeurs actuelles, ce qui n'est pas rigoureusement correct mais n'influence pas beaucoup les simulations puisqu'un équilibre s'établit après quelques millions d'années. Explication rapide du modèle utilisé. Un modèle à 3 compartiments, et 5 flux. Les réservoirs superficiels étant de petites tailles par rapport aux réservoirs lithosphériques, ils sont regroupés en 1 seul. La plupart des flux sont connus excepté peut-être le métamorphisme et volcanisme et altération des carbonates qu’il conviendra de préciser. Une sortie du modèle est la température. Ce modèle fonctionne sur 600 Ma. Les flux sont coefficientés par des facteurs (f) multiplicateur qui viennent les moduler en fonction de données géologiques (par exemple fr varie sur la durée de fonctionnement du modèle car le relief a varié au cours des temps géologiques, il vient moduler l’altération). Chaque flux est modélisé par sa valeur "mesurée" actuelle multipliée par des facteurs f pour rendre compte des variations passées: fb est une "fonction feedback", qui régule le système: influence du CO2 sur l'altération des silicates, en absence puis en présence de plantes vasculaires fa représente les carbonates exposés au-dessus du niveau de la mer fe exprime l'influence de l'activité biologique des sols due aux plantes terrestres sur le taux d'altération fg est le taux de dégazage (en grande partie une fonction du mouvement tectonique des plaques c'est à dire du taux d'expansion des océans) fc exprime l'influence de la profondeur des carbonates sur le taux de dégazage (effet du plancton). Réservoirs lithosphériques Cycle long 600Ma

Le modèle de Berner … L'ambition du modèle n'est pas de "prédire" le CO2 au cours du passé géologique, mais d'examiner la sensibilité du modèle aux facteurs biologiques et géologiques Utilisation du modèle de référence pour comprendre certains évènements climatiques passés : L'évolution du climat du Silurien au Permo-Carbonifère L'émergence de la chaîne Himalayenne et le cycle du carbone. L’impact des végétaux vasculaires sur le cycle du carbone. L’enfouissement de la MO et son impact sur le climat.

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