« Modélisation du cycle du carbone et impact climatique » Équipe de recherche INRP d’Orléans-Tours ERTé ACCES Jacques Barrère, Marie-José Broussaud, Frédéric David, Jean-Marie Greffion, Thierry Lhuillier et Jean-Marc Vallée Depuis 2002, le programme de recherche de l’INRP est organisé autour d’une ERTé (équipe de recherche technologique appliquée à l’éducation). Cette ERTé participe à actualisation continue des connaissances des enseignants en sciences ACCES. L’ERTé comprend plusieurs équipes (Paris, Lyon, Marseille, OT et Nantes). Chaque équipe a une missions spécifique : Paris et génétique, Lyon et Géologie, Marseille et les neurosciences, OT et « modélisation du cycle du carbone et impacts climatiques » et Nantes « changements climatiques et impacts sur les Biomes ». L’équipe d’OT a été mise en place en 2002 autour d’un programme de recherche d’une durée de 4 années: En 2002, on a demandé à notre équipe un travail prospectif : on nous a demandé d’explorer les banques de données et des outils de traitement en ligne en relation avec la génétique, la climatologie et la géologie. Cette première année a permis de montrer que les outils et les données utilisées par les chercheurs sont transférables dans nos classes. En 2003, le projet de notre recherche a été précisé autour de « la modélisation du cycle du carbone et ses impacts climatiques à court, moyen et long terme ». Nous n’avons pas abandonné pour autant les pistes de travail découvertes en 2002 : Nous participons à la construction de la librairie coopérative de modèles moléculaires (cette librairie a reçu le soutien de la SDTICE et de notre recteur …). Cette librairie de dimension nationale (9 académies collaborent) sera implantée sur le site académique d’OT. Ayant découvert l’existence des nouveaux outils de traitement des données géoréférencées, les SIG, nous avons construit une dossier SIGLAB sur le site d’OT et nous participons avec le BRGM à la construction d’un site pédagogique dédié à l’utilisation des données géologiques et environnementales dans le cadre de l’EEDD. Réunion Nationale des IANTES en SVT – Reims 7 et 8 décembre 2005

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. Notion de respiration, de fermentation 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. 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 Carlston 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…

Le cadre de cette recherche… Modélisation du cycle du carbone Le cycle du carbone implique des transferts entre les réservoirs géologiques et biologiques mettant en jeu des concepts géologiques (érosion, sédimentation, magmatisme, …) des concepts biologiques (respiration, fermentation et photosynthèse). Changements climatiques L’étude du cycle du carbone est utilisée pour comprendre l’évolution du climat de la planète à court terme, ainsi que son implication dans les changements climatiques à long terme, notamment durant les 550 millions d’années du Phanérozoïque. La modélisation en SVT : La géologie comme la biologie sont confrontés à des modélisations de systèmes complexes de matière et d’énergie. Nous pensons que cette convergence peut-être utilisée pour faciliter la maîtrise par les élèves de modèles, notamment les modèles climatiques. La modélisation du CC est utilisée pour comprendre les changements climatiques. … Nous devons dissocier 2 types de modèles : le modèle du cycle court du modèle du cycle long (voir la diapo suivante)

Du cycle court au cycle long… Modèle à court terme de 1780 à l'actuel (et XXIième siècle) Modèle à long terme 600Ma

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) Fichier xls

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

… Aller plus loin avec le modèle adapté de BERNER Réservoirs lithosphériques 6 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 6 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). Réservoir superficiel 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'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.

Modélisation et activité de l’élève En construisant pas à pas son modèle, l’élève faits 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. La visualisation est cruciale pour les élèves : elle favorise la transition du raisonnement sur les objets au raisonnement sur les concepts abstraits. En mode simulation, 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. Autres idées en vrac … Faciliter l’expression en termes d’objets concrets et la soutenir par la visualisation des entités, de leurs propriétés et de leurs relations. La visualisation est cruciale pour les élèves et favorise la transition du raisonnement sur les objets au raisonnement sur les concepts abstraits. Combiner des outils de modélisation avec des simulations du monde réel. Les simulations (nécessaire pour valider un modèle) qui se produisent par la plupart des systèmes existants sont très abstraites. Il est pourtant important d’avoir la possibilité de valider le modèle par des simulations qui représentent le phénomène d’une façon évidente. Incorporer des formes multiples et alternatives de représentation (graphes, diagrammes, tables etc.). La capacité des élèves à produire et à utiliser des modèles dépend des outils de représentation qu’ils disposent. Offrir un support au développement de la « conscience meta conceptuelle » invitant les élèves à noter leurs prédictions et leurs interprétations dans un dossier. Afin de les amener à prendre conscience de leurs actions. Supporter la distinction des différentes actions et fonctionnalités pendant le processus de modélisation par une distinction appropriée des espaces de travail, des types de modèles, etc. Processus de conception de système : Lors de la construction d’un modèle, on va émettre des hypothèses et complexifier pas à pas le modèle. Par exemple, au départ, on choisit de travailler sur un modèle à un seul compartiment fermé, l’atmosphère… on construit le modèle, il n’est pas conforme au réel. L’hypothèse n’est pas validée. On admet que l’atmosphère n’est pas un compartiment fermé, il y a deux puits, le puits biosphérique et le puits océanique. On complexifie le modèle. Processus décisionnels : La situation actuelle telle qu’elle est explorée avec le modèle montre que le cycle est déséquilibré. Le modèle va servir à tester des mesures d’atténuation et éventuellement d’en évaluer le coût.

Annexe 1 Vensim, un logiciel de modélisation Un outil de modélisation puissant qui offre la possibilité : De construire des modèles numériques pas à pas et d’effectuer des simulations pas à pas, D’afficher des valeurs mesurées issues des banques de données et de les comparer aux valeurs calculées par le modèle. Construction d’un modèle Un visualiseur performant est proposé gratuitement : Il permet de lancer des simulations sans modifier les modèles. Une démarche est en cours pour la francisation du logiciel : Vensim en version de base et en anglais est actuellement disponible et téléchargeable sur le site internet (Téléchargement). Insister sur la richesse des démarches s’appuyant sur la modélisation : Pour l’EEDD : c’est essentiel… comprendre l’avenir en utilisant des modèles… Pour la physiologie : la glycémie … Pour la gestion de l’eau : le cycle de l’eau, Pour le bilan radiatif de l’énergie solaire … Pour la gestion d’un écosystème : l’écosystème marin (chaînes alimentaires proies prédateurs…)

Annexe 2 Les modèles utilisés sont ceux du chercheur Tous les modèles que nous exploitons, sont proposés par les chercheurs de l’université de Carleton : Des modèles à court terme utilisant les enveloppes atmosphère, biosphère, océan et sols. Des modèles à long terme utilisant en plus la géosphère. Nous explorons de nouveaux modèles proposés par les chercheurs de l’université de l’Oklaoma. Les données sont recueillies auprès des BDD internationales (interface d’interrogation des BDD en climatologie), Les scénarios sont ceux qui sont proposés par les experts du climat (GIEC). Définitions : Le GIEC en français : Groupe Interministériel des Experts du Climat (plusieurs centaines de scientifiques participent à ce projet). L’IPCC en anglais : Interministeriel Panel Climate Change. Les modèles du chercheur sont souvent horriblement compliqués: Les modèles à long terme sont plus difficiles à construire. Les modèles du chercheur sont horriblement compliqués. La plupart des modèles élaborés se rattachent aux travaux de Berner (modèle BLAG, puis GEOCARB, GEOCARB II et GEOCARB III). Des modèles existent mais ils sont considérablement plus simples et même typiquement simplistes Les modèles utilisés dans notre recherche sont des modèles proposés par les chercheurs de l’Université de Carleton. Nous avons cherché des modèles auprès d’autres laboratoires. Tous les autre modèles étaient extrêmement complexes (modèles proposés par l’Ifremer, par l’INRA, par l’université Catholique de Louvain… ) écrits en fortran, en visual basic, … ils nécessitent des centaines de ligne de code. Les calculs sont longs et nécessitent des batteries d’ordinateurs. Les modèles proposés par l’université de Carleton sont écrits pour le logiciel Stella. Nous avons dû les adapter pour qu’ils fonctionnent sous vensim (et sous simile). Les modèles de Carleton sont « simples » et les équations numériques sont accessibles à l’analyse. Les modèles tournent en utilisant les données des BDD. Les scénarios explorés sont ceux qui sont présentés dans le rapport du GIEC : les mêmes que ceux de JCM et Magicc et Scengen.

Annexe 3 Actualisation Continue des Enseignants en Sciences ACCES Un dossier en préparation : En local Une publication dans les dossiers de l’ingénierie éducative de novembre 2005 sur les enjeux environnementaux.