« Modélisation du cycle du carbone et impact climatique » Équipe de recherche INRP De lacadémie dOrléans-Tours ERTé ACCES Jacques Barrère et Thierry Lhuillier Formaterre 2006 : Terre et énergie

La place du thème dans lenseignement des SVT Le thème « modélisation du cycle du carbone » trouve sa place dans lenseignement des SVT: –En classe de seconde : Cycle du dioxyde de carbone... Couplage lithosphère, hydrosphère, atmosphère et biosphère. Influence de lHomme. Action sur la température. Évolution historique de la composition de latmosphère terrestre. Notions de respiration et de photosynthèse. –En classe de TS enseignement de spécialité : Du passé géologique à lévolution future de la planète. Les climats passés et les climats du futur.

Un problème dactualité: LHomme est-il responsable de laugmentation des GES constatée actuellement? Une démarche sappuyant sur la modélisation: Le modèle comme outil de Simplification Compréhension, Danticipation. La construction dun modèle

Un fait dactualité, le climat de la Terre change Interface dinterrogation des banques de données Interface dinterrogation 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 denviron 65 % de leffet de serre. Il existe une corrélation entre laugmentation du CO 2 et laugmentation de la température (Barrette, 2002). La chronologie de cette augmentation pourrait être compatible avec la chronologie de lutilisation des combustibles fossiles…

Quelle est lorigine de leffet de serre? La terre reçoit un rayonnement émis par le soleil La Terre émet également un rayonnement dont la radiation principale se trouve dans linfra 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

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 latmosphère En 1991 : 778 Gt de C En 2001 : Modèle final Modèle finalModèle final Peut-on estimer limpact de la combustion des carburants fossiles sur la composition de latmosphère 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 limpact de la combustion des carburants fossiles sur la composition de latmosphère depuis 1780? Voir le modèle à un compartiment sur 220 ans Voir le modèle à un compartiment sur 220 ans

Deux conclusions s imposent : Lapport de Carbone lié à la combustion des carburants fossiles nest 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 latmosphère –Sur les 64 Gt de C dorigine anthropique émis entre 1991 et 2001, il nen 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 datténuation 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 CO 2 augmente au cours du temps La concentration en O 2 diminue 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 destimer limpact du puits océanique et du puits biosphérique dans latténuation des GES? Modèle à 1 compartiment avec les puits 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 limpact de ce cycle sur le climat.

Existe-t-il des preuves de lexistence déchanges 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 dun 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 lexistence déchanges Atmosphère Hydrosphère? Les informations acquises au laboratoire (expérimentation) ainsi que celles fournies par les banques de données (Site de luniversité de Colombia) sont utilisées lors de la construction du modèle…Site de luniversité de Colombia

Lhydrosphère a-t-elle joué le rôle dun 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 dorigine anthropique? Quelle est la responsabilité de lHomme dans le réchauffement climatique? Modèle complet à 5 compartiments Modèle complet à 5 compartiments Bilan de la modélisation Bilan de la modélisation

Pour conclure Lapport de Carbone lié à la combustion des carburants fossiles nest pas négligeable 283 Gt de C depuis 1780 pour un réservoir de 600 Gt. Lélévation de la teneur en CO 2 dorigine 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 sest dissous dans les océans froids. Pour le futur si les émissions de CO 2 se poursuivent, comment se comporteront la biosphère et lhydrosphère ? - 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, lélève –Fait des observations, –Consulte les données des chercheurs (BDD), –Fait des mesures (EXAO) A chaque étape: –Il formule des hypothèses quil teste, –Il valide son modèle en comparant les valeurs modélisées aux valeurs mesurées. En modélisant, lélève –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, lélève est invité à : –Noter ses prédictions et ses interprétations, –Rechercher des mesures datténuation et à les tester : il prend ainsi conscience de ses actions.

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