« Modélisation du cycle du carbone et impact climatique »

Présentation au sujet: "« Modélisation du cycle du carbone et impact climatique »"— Transcription de la présentation:

1 « 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

2 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…

3 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)

4 La construction d’un modèle
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. Il est hors de question ici de développer l’ensemble des notions qui sont liées à la modélisation, nous nous attacherons simplement à montrer comment on peut, avec des élèves, construire un modèle du cycle du carbone et comment il est possible d’utiliser le modèle à des fins de prédiction dans le cadre du climat. Le point de départ de notre étude vise à résoudre un problème d’actualité « l’Homme est-il responsable du réchauffement climatique actuel». La résolution de ce problème passe par la modélisation. L’enseignant va utiliser le modèle comme un outil : Un outil pour comprendre l’impact du carbone sur le climat (le modèle simplifie le réel et fournit à l’élève des images « un cycle » facile à mémoriser, facile à manipuler (simulation) et support du raisonnement) Un outil pour expliquer les changements constatés (passé récent ou passé ancien), Un outil pour prédire les changements du futur (on exploite les scénarii du GIEC).

5 Un fait d’actualité, le climat de la Terre change
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. Le forçage radiatif du CO2 est évalué à 1,4W/m2. Il existe une corrélation entre l’augmentation du CO2 et l’augmentation de la température (Barrette, 2002). La mise en œuvre dans la classe de SVT : Concernant les changements climatiques et le réchauffement de la planète, les questions ne manquent pas. La Terre se réchauffe-t-elle? Avons nous des preuves de l’existence d’un changement climatique à l’échelle humaine? Existe-t-il une relation entre la teneur en CO2 atmosphérique et le climat? Si changement il y a alors l’Homme est-il responsable des changements constatés? Les experts du climat (GIEC) estiment que la température moyenne globale de la Terre a augmenté de 0,3 à 0,6 °C au cours du siècle dernier (c’est une augmentation en moyenne car on note des disparités géographiques importantes, les zones situées aux hautes latitudes se réchauffent plus vite… la zone Arctique notamment). La première cause de cette modification de la température de la planète est l’augmentation des concentrations de GES dans l’atmosphère, principalement du CO2, du méthane (CH4) et de l’oxyde nitreux (N2O). Depuis 1850, on note une augmentation importante de la concentration du CO2 dans l’atmosphère et une accélération de cette augmentation. Les mesures de la concentration atmosphérique en CO2 sont effectuées précisément grâce aux bulles d'air piégées dans les glaces du forage de Vostok depuis ans. Elles montrent que cette concentration a varié entre 180 et 300 ppmv. Les analyses des glaces pour les périodes plus récentes (Taylordome et Lawdome) montrent que depuis 2000 ans , la concentration en CO2 variait peu autour de 280 ppmv. Depuis les années 1800, on observe une augmentation exponentielle et on atteint en août 2003 les valeurs de 375 ppmv. Chaque année, il y a plus de 3,3 Gt de plus de CO2 dans l’atmosphère, ce qui représente un niveau de concentration jamais atteint depuis ans. Hypothèses : La chronologie de cette augmentation pourrait être compatible avec la chronologie de l'utilisation des combustibles fossiles? Dans le même temps, la température globale de la Terre a augmenté : l’élévation du CO2 atmosphérique pourrait être due à un phénomène naturel, le dégazage océanique. Autrement dit, il est judicieux de se poser la question de savoir si l'augmentation récente du CO2 a une origine anthropique ou s'il s'agit au contraire d'un phénomène naturel lié à l ’augmentation de T°. La chronologie de cette augmentation pourrait être compatible avec la chronologie de l’utilisation des combustibles fossiles…

6 Un calcul précède la construction du modèle
Peut-on estimer l’impact de la combustion des carburants fossiles sur la composition de l’atmosphère entre 1991 et 2001? Moyenne annuelle du CO2 à Mauna-Loa En 1991 : 355,7ppmv En 2001 : ,9ppmv Quantité de Carbone dans l’atmosphère En 1991 : 754 Gt de C En 2001 : 787 On propose d’aborder le sujet par un problème concret : Sachant que l'Homme brûle des carburants fossiles (pétrole, charbon etc.) « peut-on estimer l'impact de cette combustion sur la composition de l'atmosphère et donc sur la température globale de la planète? » On peut résoudre le problème posé en effectuant un calcul simple  (il nous semble essentiel de débuter la modélisation par un calcul, l’élève découvre ainsi que le problème posé peut être résolu par des calculs par trop compliqués ce qui est un très bon point de départ pour introduire la modélisation numérique) Étude préliminaire porte sur la période récente période au cours de laquelle nous avons beaucoup de données. Calcul du volume considéré comme constant de la Troposphère : 4/3p(R3-r3) = 40, Km3 Connaissant la valeur de la Concentration atmosphérique de CO2 mesurée à Mauna-Loa de 355,7ppmv, on peut alors calculer la quantité de Carbone présente dans l ’atmosphère en 1991 : 754 Gt de C Reste à connaître les quantités apportées par l ’homme. Ce sont des « estimations » mais des estimations fiables, disent les spécialistes de l ’IPCC (GIEC en français : Groupe Interministériel des Experts du Climat) 64 Gt de C en 10 ans (en moyenne durant cette période l’Homme a produit 6,4GT de C/an). Une telle approche permet de montrer que le devenir du carbone sur la planète peut-être résolu mathématiquement. Toutefois, ce type de calcul "manuel" peut être long et fastidieux ce qui limite la recherche à des cas simples. On indique alors aux élèves l’existence d’outils mathématiques adaptés à la résolution de ce type de problème, ce sont des logiciels de modélisation numérique. On peut donc construire le modèle simple . Lien vers la modèle Page construction vide: créer une boîte atmosphère , un flux Apport , une variable pCO2. entrer les formules: Atmosphère =754 Gt de C Flux = 6.4 Gt de C/an, pCO2 = Atmosphère*(355.7/754) en ppmv Visionner la pCO2 en 2001 à partir du graphe ou du tableau vertical. Page Apport historique: Amélioration avec apport historique (formule en référence au fichier) et affichage des graphes et comparaison avec mesures (371 ppmv en 2001 modèle à 386 ppmv) Page % des apports historiques : Pour que les valeurs modélisées correspondent aux valeurs mesurées, il ne faut que 50% des apports de la période . Constat : Le modèle ne rend pas compte de la totalité du phénomène. Il existerait des fuites. Donc l’atmosphère ne serait pas une enveloppe fermée, du co2 s’y accumule et se perd! Où? au lieu de 818 Gt de C Construction du modèle Modèle à 1 compartiment Fichier xls

7 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? On propose d’aborder le sujet par un problème concret : Sachant que l'Homme brûle des carburants fossiles (pétrole, charbon etc.) « peut-on estimer l'impact de cette combustion sur la composition de l'atmosphère et donc sur la température globale de la planète? » On peut résoudre le problème posé on propose de faire construire par des élèves un modèle numérique à compartiment : ce modèle comprend un réservoir appelé « Atmosphère » qui contient au départ en 1780 (avant la révolution industrielle) 6OO Gt de carbone. Ce réservoir se remplit année après année à partir des émissions anthropiques de carbone (ces émissions sont connues et sont disponibles dans les banques de données). Le modèle comporte donc un flux noté « carburants fossiles » dont on peut faire varier le % d’émission à l’aide d’un curseur. La concentration atmosphérique en CO2 calculée par le modèle (courbe rouge) est comparée aux valeurs mesurées (courbe bleue - valeurs issues des glaces de l’Antarctique et des mesures atmosphériques de Mauna Loa). On constate que 70% des émissions anthropiques de carbone se retrouvent actuellement dans l’atmosphère : autrement dit que 30% ont disparu… On peut émettre 2 hypothèses : Une partie du carbone a disparu dans la biosphère (voir diapo 4), Une partie du carbone a disparu dans l’hydrosphère (voir diapo 5). Remarque : Connaissant la quantité de carbone présente dans l’atmosphère, le modèle calcule la concentration de carbone en ppmv puis la variation de T°C puis la température globale. Voir le modèle à un compartiment sur 220 ans

8 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 . Deux hypothèses Problème : Du CO2 disparaît de l’atmosphère. Quel est le mécanisme qui ferait baisser la concentration atmosphérique en CO2? Hypothèse testée proposée par les élèves : La biosphère végétale avec la Photosynthèse pourrait être impliquée par ses échanges de CO2 avec l’atmosphère et jouer un rôle dans l’évolution du climat. Une telle approche renouvelle les activités des élèves sur 2 points : La PS est appréhendée par ses échanges en CO2 alors que nous (les profs de SVT) avions l’habitude de n’étudier que les échanges d’O2, La PS est étudiée à différents niveaux : au niveau de l’organisme, au niveau de l’écosystème (BDD Fluxnet) et au niveau planétaire. Un élève de seconde est sensé savoir que : La combustion des carburants fossiles fait baisser la [O2] et augmenter la [CO2] (chimie). La PS fait augmenter la [O2] et baisser le [CO2] (SVT). Question : Peut on chiffrer la part de chaque phénomène? 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.

9 Existe-t-il des preuves de l’existence d’échanges AtmosphèreBiosphère?
Les banques de données internationales du réseau WDCGG Existe-t-il des preuves de l’existence d’échanges de CO2 entre l’atmosphère et la biosphère? Pour résoudre ce type de problème, nous devons interroger les banques de données des chercheurs. Des stations mesurent le CO2 atmosphérique depuis de nombreuses années. Ces stations sont réparties dans diverses régions du globe terrestre, de l'hémisphère Sud à l'hémisphère Nord. Analyse de Mauna Loa L'analyse du graphique révèle deux phénomènes : une augmentation de la teneur en CO2 mais également une variation saisonnière de ce paramètre. L'augmentation de la pCO2 conforte l'hypothèse des émissions de CO2 d'origine anthropique. Les variations saisonnières confortent l'hypothèse du rôle de la biosphère : en été, on assiste à une diminution du CO2 atmosphérique, en hiver, le phénomène s'inverse, la teneur en CO2 atmosphérique augmente. On attribue ces variations cycliques de la concentration en CO2 à l'activité de la biosphère terrestre de l'hémisphère Nord. A l'échelle mondiale lorsque la photosynthèse l'emporte sur la respiration (la période "printemps-été"), la concentration en CO2 diminue. Réciproquement, la concentration en CO2 augmente durant la période "automne-hiver" lorsque la respiration l'emporte sur la photosynthèse. Ainsi on peut affirmer que le CO2 atmosphérique circule entre les deux compartiments : l'atmosphère et la biosphère. L’impact de la biosphère sur l’atmosphère est important (le compartiment atmosphérique est un petit compartiment comparé au compartiment océanique ou au compartiment lithosphérique). Autres stations D ’autre part, les variations saisonnières diminuent du Nord au Sud. Ceci montre que les phénomènes saisonniers touche essentiellement les végétaux terrestres de l ’hémisphère Nord (inégale répartition des continents). On pourra insister sur l’impact de la biosphère arctique sur la pco2 atmosphérique.

10 La biosphère a-t-elle pu séquestrer une partie du carbone anthropique?
Les informations acquises au laboratoire (expérimentation) ainsi que celles fournies par les banques de données (FLUXNET) sont utilisées lors de la construction du modèle… Démarche pédagogique : Lors de la construction d’un modèle visant à montrer les échanges entre l’atmosphère et la biosphère, nous proposons donc de nous appuyer sur : Des études faites au laboratoire (EXAO au cours desquelles nous pourrons quantifier les échanges gazeux à l’aide de sonde à CO2 …). Ces études sont conduites en utilisant des échantillons de végétaux ou sur une mini serre. On pourra mesurer les flux de carbone au niveau des végétaux et ou du sol en faisant varier différents facteurs, notamment l’éclairement, la température et la pco2. Les résultats obtenus ont surtout une valeur qualitative (montrer l’effet fertilisant du CO2 sur la photosynthèse – l’effet de la température sur la respiration du sol etc.), Des mesures réalisées sur le terrain (de nombreuses stations d’écophysiologie mesurent les flux de co2, … au-dessus de nombreux écosystèmes à différentes latitudes, sur tous les continents…). Toutes ces données confortent les choix qui accompagnent la construction du modèle. Une telle approche représente une nouvelle vision des mécanismes de PS et de respiration intégré dans une perspective planétaire. Consulter le modèle à 2 compartiments et faire la critique… ce modèle confirme l’impact de la biosphère sur le CC mais n’est pas réaliste. Valider ce modèle revient à admettre l’existence d’une biosphère immortelle… En fait, la croissance de la biosphère n’est pas infinie, elle alimente un autre compartiment, le sol qui séquestre une part importante du carbone. Consulter (rapidement) le modèle à 3 compartiments Page 1 Modèle stable de référence Situation préindustrielle en 1780 avec une atmosphère à 600 Gt de C Ce modèle permet de vérifier la stabilité du modèle… c’est une première validation. Ce modèle à 3 compartiments et mettant en jeu des boucles de rétroaction (si la T°C augmente elle influe l’intensité des échanges photosynthétique et respiratoire – si la pco2 augmente elle améliore la photosynthèse etc.) est stable. Il peut être utilisé pour résoudre le problème… Page 2 Exploration du fonctionnement du modèle … impact de la température. Page 3 Exploration du fonctionnement du modèle … impact de la teneur en CO2. On dispose d’un modèle du cycle du carbone équilibré. Permet-il de résoudre le problème posé? Où sont passés les GES d’origine anthropique …? Voir le modèle à 2 compartiments Voir le modèle à 3 compartiments

11 La biosphère a-t-elle joué le rôle d’un puits de carbone depuis 1780?
Démarche pédagogique : Lors de la construction d’un modèle visant à montrer les échanges entre l’atmosphère et la biosphère, nous proposons donc de nous appuyer sur : Des études faites au laboratoire (EXAO au cours desquelles nous pourrons quantifier les échanges gazeux à l’aide de sonde à CO2 …). Ces études sont conduites en utilisant des échantillons de végétaux ou sur une mini serre. On pourra mesurer les flux de carbone au niveau des végétaux et ou du sol en faisant varier différents facteurs, notamment l’éclairement, la température et la pco2. Les résultats obtenus ont surtout une valeur qualitative (montrer l’effet fertilisant du CO2 sur la photosynthèse – l’effet de la température sur la respiration du sol etc.), Des mesures réalisées sur le terrain (de nombreuses stations d’écophysiologie mesurent les flux de co2, … au-dessus de nombreux écosystèmes à différentes latitudes, sur tous les continents…). Toutes ces données confortent les choix qui accompagnent la construction du modèle. Une telle approche représente une nouvelle vision des mécanismes de PS et de respiration intégré dans une perspective planétaire. Le modèle ci-dessus montre : 3 compartiments Biosphère, atmosphère et sol et litière, Des flux de carbone : les apports anthropiques, le volcanisme, la photosynthèse et les respirations (biosphère et sol), la chute de la litière et le ruissellement. Le modèle calcule la concentration de CO2 au cours du temps (courbe rouge) et compare les résultats aux valeurs mesurées (courbe bleue) de 1780 à 2001. On peut penser que le résultat pourrait s’améliorer en prenant en compte le puits océanique (diapo 5). Résultat : Avant 1950, les émissions anthropiques ne suffisent pas à expliquer l’élévation du CO2 atmosphérique : il y a donc une autre source de carbone … les scientifiques suspectent de plus en plus les sols (dégazage lié aux nouvelles pratiques agricoles, au réchauffement qui stimule la respiration …). Après 1950, du carbone a disparu … on suspecte les océans! Voir le modèle à 3 compartiments : atmosphère-biosphère-sols

12 L’hydrosphère a-t-elle joué le rôle d’un puits de carbone depuis 1780?
Du CO2 d’origine anthropique est-il passé dans l’hydrosphère? Le modèle « atmosphère-hydrosphère » Le modèle comprend 3 réservoirs : l’atmosphère, l’océan de surface (qui passe de 714Gt à 891Gt) et l’océan profond (qui passe de à 38150Gt). La circulation océanique profonde qui suit un cycle qui dure 2000ans est affecté des flux up et down welling et de la pompe biologique! L’hydrosphère joue un rôle majeur dans l’atténuation des émissions anthropiques comme le montre le graphe : courbes rouges (valeurs calculées par le modèle) courbe bleue (valeurs mesurées). Modèle à 3 compartiments : atmosphère-océan surf- océan prof

13 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? Où est passé le CO2 d’origine anthropique? Quelle est la responsabilité de l’Homme dans le réchauffement climatique? Le modèle complet « atmosphère-biosphère-sols-hydrsophère » Ce modèle est la somme des modèles intermédiaires (diapos 4 et 5) Les résultats calculés sont conformes aux valeurs mesurées : voir courbes des températures et des concentration en CO2. Conclusion : On pourra insister sur la démarche s’appuyant sur la construction de modèles de complexité croissante. Lors de la construction du modèle, l’élève exploite des résultats de tp et des informations acquises auprès des BDD. Modèle complet à 5 compartiments

14 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 ? Le problème posé est résolu : Du CO2 disparaît de l’atmosphère séquestré par la biosphère et l’hydrosphère. Pour le futur : Quelles seront les émissions de CO2 au XXIième siècle? Différents scénarios sont avancés par les spécialistes du climat (GIEC) et les projections ne son pas optimistes. Comment vont réagir la biosphère et l’hydrosphère? L’effet de fertilisation joué par le CO2 sur la PS risque de rencontrer une limite … la sécheresse avec son lot d’incendies et une accentuation des déforestation. L’élévation des T°C risque d’atténuer la dissolution du CO2 dans les océans et favoriser au contraire le dégazage. L’élévation de la T°C en dégelant certains sols gelés comme le Permafrost risque d’accroître le dégazage… - Cycle du carbone et climats du futur Modèle exploitant les prévisions du GIEC Modèle en ligne sur internet : JavaClimatModel

15 Réchauffement climatique… de nouveaux indices!
Merciiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiii sous vos applaudissements