École virtuelle - le 18 janvier ENCPB

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1 École virtuelle - le 18 janvier 2007 - ENCPB
« Enseigner le changement climatique dans le contexte environnemental actuel» Équipe de recherche INRP Académie d’Orléans-Tours ERTé ACCES Jacques Barrère professeur de SVT La place de l’actualité dans l’enseignement… L’enseignement des SVT est confronté à l’émergence dans l’actualité présentée par les médias, de thèmes qui suscitent des interrogations sociales plus ou moins fortes. Très souvent, ces thèmes et les connaissances qui leur sont afférentes figurent dans les programmes officiels. L’éducation se doit de les prendre en compte pour répondre aux questions des élèves et des familles. Je présenterai, à titre d’exemple, un thème d’actualité, traité en SVT en classe de seconde (ou en classe de TS enseignement de spécialité) : le thème du « réchauffement climatique ». Comment enseigner le changement climatique dans le contexte environnemental actuel? L’étude du changement climatique figure dans les programmes de seconde et de terminales (voir programmes). Les professeurs de SVT ont l’habitude de présenter des savoirs stabilisés. Dans le domaine du changement climatique, les savoirs ne sont pas encore stabilisés. Entre le tapage médiatique : tous les médias sont mobilisés (cinéma avec des fictions « Le jour d’après… »ou des docu-fiction et des documentaires « Une vérité qui dérange… de Al Gore) – la communication est permanente (il ne s’écoule pas une seule journée sans que les médias n’évoquent le réchauffement climatique) – l’information se fait souvent très mal comme d'habitude (signalons que les médias confondent très souvent aléas météorologiques et changement climatique)… et les hésitations des scientifiques (les experts du GIEC… la responsabilité humaine dans le réchauffement climatique: en 1990, « on ne sait pas »; en 1995 « peut-être »; en 2001 « probablement » et en 2007 « oui »), Comment aborder cette actualité avec les élèves de seconde…? Comment enseigner cette activité brûlante? On propose de mettre nos pas dans les pas du chercheur… nous allons exploiter les données, les démarches et les outils du chercheur… Quelles sont les données qu’utilisent les chercheurs? … le problème de l’accès aux données se pose (nécessité d’une interface d’interrogation des BDD en climatologie et d’une solide indexation des données LOM-fr). Comment trier puis traiter ces informations pour faire une véritable construction du savoir?… le traitement de l’information passe par des calculs, des constructions graphiques, des mesures effectuées par l’élève au laboratoire et qui permettent de consolider l’information du chercheur…. Comme le chercheur, l’élève va construire puis utiliser des modèles. Des modèles pour comprendre, des modèles pour expliquer et des modèles pour anticiper.

2 Sommaire Existe-t-il des preuves de l’existence d’un réchauffement climatique actuels? Quelles peuvent être les causes? L’Homme est-il responsable du réchauffement climatique? Sommaire : Existe-t-il des preuves de l’existence d’un réchauffement climatique? On exploite les images fournies par les satellites d’observation de la Terre, on exploite les informations fournies par les chercheurs. Toutes ces données sont disponibles sur la toile… Quelles peuvent être les causes du réchauffement climatique actuel? Le réchauffement climatique a-t-il des causes naturelles (Intensification de l’activité solaire? Dégazage naturel?) On exploite les mesures des scientifiques disponibles dans le banques de données… L’Homme est-il responsable du réchauffement climatique? On va mener une véritable enquête scientifique… Les émissions de CO2 liées à la combustion des énergies fossiles sont-elles suffisantes pour pouvoir expliquer l’augmentation des GES? … Le calcul d’une part, la construction d’un modèle d’autre part, va permettre de montrer que le CO2 émis par l’Homme est plus que suffisant pour expliquer l’augmentation planétaire du CO2. On montrera aussi que cette augmentation du CO2 peut-expliquer le réchauffement. … Oui mais le calcul, comme le modèle, permettent de montrer que tout le CO2 émis par l’Homme ne se retrouve pas dans l’atmosphère. Il y a eu des fuites, dont il importe d’évaluer l’importance. L’élève va découvrir la complexité des mécanismes mis en jeux à travers le modèles du cycle du carbone.

3 La température globale de la planète Terre augmente…
Depuis que l’on sait mesurer la température globale avec précision… On constate que l’hiver se réchauffe plus vite que l’été. Les preuves des scientifiques existent. Les experts du GIEC (Groupement Inter gouvernemental des Experts du Climat) sont unanimes : la planète Terre se réchauffe. Les données sont disponibles sur le site de la NOAA. ftp://ftp.ncdc.noaa.gov/pub/data/anomalies/global_meanT_C.all Le réchauffement est évalué à 0.6°C pour le dernier siècle… et les 10 années les plus chaudes se concentrent dans les 15 dernières années(étés chauds et hivers doux). Courbe de T°C en été Courbe de T°C en hiver

4 Les indices du réchauffement climatique…
Le niveau des océans augmente… 2.4mm/an Il existe des indices du réchauffement climatique au niveau des océans. Le niveau des océans est un indicateur de la température. Le niveau des océans est sous l’œil du satellite… Topex-Poseidon puis Jason. On ne peut plus ignorer que le niveau des océans a augmenté de 2.4mm/an au cours des deux dernières décennies et que la tendance s’accélère notamment avec la dilatation thermique des océans.

5 Les indices du réchauffement climatique…
Les glaciers continentaux reculent… Il existe des indices du réchauffement climatique au niveau des glaciers continentaux. Les glaciers Alpins enregistrent année après année un recul spectaculaire… Tous les glaciers à l’exception peut-être des glaciers de l’Antarctique, tous les glaciers régressent. Dans les Alpes : Glacier des Bossons, de l’Argentière, la mer de glace… partout les fronts reculent… Dans les Andes, dans l’Himalaya, en Afrique, … Le recul des glaciers s’explique d’une part par la baisse des précipitations neigeuses et par le réchauffement l’été et l’hiver.

6 Les indices du réchauffement climatique…
Les glaces de l’Arctique reculent… (animation) Il existe des indices du réchauffement climatique au niveau de la banquise. Les zones situées aux hautes latitudes se réchauffent plus rapidement encore… Animations : Animations réalisées à l’aide des images passées de septembre 2001 à 2005: Animation utilisant des modèles prédictifs :

7 Sommaire Existe-t-il des preuves de l’existence d’un réchauffement climatique actuels? Quelles peuvent être les causes? L’Homme est-il responsable du réchauffement climatique? (Suite) : Il existe de nombreux indices qui confortent l’existence d’un réchauffement climatique? Quelles peuvent être les causes du réchauffement climatique actuel? On exploite les mesures des scientifiques : ces mesures sont le plus souvent disponibles en ligne sur internet dans des banques de données… On cherche à répondre au problème : « Le réchauffement climatique a-t-il des causes naturelles (Intensification de l’activité solaire? Dégazage naturel?) » L’Homme est-il responsable du réchauffement climatique?… on va mener une véritable enquête scientifique… Les émissions de CO2 liées à la combustion des énergies fossiles sont-elles suffisantes pour pouvoir expliquer l’augmentation des GES? … Le calcul d’une part, la construction d’un modèle d’autre part, va permettre de montrer que le CO2 émis par l’Homme est plus que suffisant pour expliquer l’augmentation planétaire du CO2. On montrera aussi que cette augmentation du CO2 peut-expliquer le réchauffement. … Oui mais le calcul, comme le modèle, permet de montrer que tout le CO2 émis par l’Homme ne se retrouve pas dans l’atmosphère. Il y a eu des fuites, dont il importe d’évaluer l’importance.

8 Les causes de ce réchauffement…
Une cause solaire peu probable … Les cycles décennaux solaires de la fin du 20ème siècle Une augmentation de l’effet de serre … L’effet de serre naturel a toujours existé, les combustions fossiles entraînent un effet de serre additionnel L’élève formule des hypothèses… On recherche les facteurs susceptibles d’être impliqués dans ce réchauffement… Naturellement, l’élève pensera à une cause solaire (première hypothèse)? Sans doute à une cause terrestre avec l’effet de serre (deuxième hypothèse)? Pour tester ses hypothèses, l’élève va consulter les banques de données du chercheur… L’impact d’une augmentation de l’activité solaire sur le réchauffement climatique est actuellement exclu… Dorénavant le CO2 atmosphérique pourrait forcer le climat… et ce CO2 pourrait avoir une origine anthropique. Quelles sont les preuves de cette affirmation? En effet… diapositive suivante…

9 Les indices d’une responsabilité humaine… 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 CO2 est responsable d’environ 65 % de l’effet de serre. Il existe une corrélation entre l’augmentation du CO2 et l’augmentation de la température (Barrette, 2002). 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…

10 Sommaire Existe-t-il des preuves de l’existence d’un réchauffement climatique actuels? Quelles peuvent être les causes? L’Homme est-il responsable du réchauffement climatique? Est il responsable de l’augmentation des GES? (Suite) : Les preuves du réchauffement climatique existent et sont fournies par les chercheurs à travers leurs banques de données. Toutes ces données sont disponibles sur la toile… Les causes du réchauffement climatique actuel ne sont pas naturelles, on suspecte des causes anthropiques… Troisième étape : L’Homme est-il responsable du réchauffement climatique?… on va mener une véritable enquête scientifique… Les émissions de CO2 liées à la combustion des énergies fossiles sont-elles suffisantes pour pouvoir expliquer l’augmentation des GES? … Le calcul d’une part, la construction d’un modèle d’autre part, va permettre de montrer que le CO2 émis par l’Homme est plus que suffisant pour expliquer l’augmentation planétaire du CO2. On montrera aussi que cette augmentation du CO2 peut-expliquer le réchauffement. … Oui mais le calcul, comme le modèle, permet de montrer que tout le CO2 émis par l’Homme ne se retrouve pas dans l’atmosphère. Il y a eu des fuites, dont il importe d’évaluer l’importance. Nous ne développerons pas ici 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).

11 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 : 355,7 ppmv En 2001 : ,9 ppmv Quantité de Carbone dans l’atmosphère En 1991 : 778 Gt de C En 2001 : 811 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. La concentration en CO2 atmosphérique en 1991 et en 2001 (banque de données WDCGG) sont connues; les quantités de pétrole, de charbon et de gaz utilisées par l’Homme et donc les quantités de CO2 produites par les combustions le sont également. On cherche à estimer l’impact de ce dégazage sur l’atmosphère. Afin de faciliter les calculs, les élèves disposent d’une feuille Excel data/reservoirs_carbone.xls. On commence par estimer le volume de l’atmosphère (on peut penser que l’atmosphère est infini et pourtant…), puis on calcule la quantité de Carbone présente dans l ’atmosphère en 1991 (754 Gt de C en 1991) et en 2001 (787 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 6,4 GT de C/an). Reste à comparer les résultats : Les mesures montrent qu’il y a 787 Gt de C dans l’atmosphère en Les calculs prévoient qu’il devrait y en avoir = 818 Gt de C Donc ce calcul montre que les émissions de carbone d’origine anthropique sont plus que suffisantes pour expliquer l’augmentation du CO2 constaté. Mais ce calcul montre également que tout le carbone émis par les activités humaines ne se retrouve pas dans l’atmosphère. IL Y A EU DES FUITES. au lieu de 842 Gt de C

12 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? Rapidement… L’ approche précédente 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 un modèle simple (voir activité proposée). On conceptualise la notion de modèle : La notion de compartiment à travers l’exemple de l’atmosphère (un contenant et un contenu); La notion de flux (les apports anthropiques : 6,4Gt de carbone par an); La notion de convertisseur : on connaît la quantité de carbone en Gt et on calcule la concentration en ppmv. 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? Bilan : Le modèle numérique construit par les élèves 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). Un flux noté « carburants fossiles » dont on peut faire varier le % d’émission à l’aide d’un curseur. Une chaîne de convertisseurs qui calcule de 1780 à l’actuel, la concentration en CO2 connaissant la quantité de carbone présent dans l’atmosphère à l’instant t, l’élévation de la température liée à l’augmentation de la concentration en GES… 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? » Sortie du modèle : 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

13 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 proposées Problème : Du CO2 disparaît de l’atmosphère. Quel est le mécanisme qui ferait baisser la concentration atmosphérique en CO2? Hypothèse souvent proposée par les élèves : Un élève de seconde est sensé savoir que la combustion des carburants fossiles fait baisser la [O2] et augmenter la [CO2] (chimie) et que la PS fait augmenter la [O2] et baisser le [CO2] (SVT). Il peut proposer l’hypothèse suivante « 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. Question : Peut on chiffrer la part de chaque phénomène? Approfondissement avec un diaporama « decouverte-puits.ppt » 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.

14 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? 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. Les résultats sont disponibles dans des banques de données (WDCGG) 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 concentration en CO2 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. Ces données apportent la preuve que du 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). La richesse de la banque de données permet d’interroger différentes stations en faisant varier différents paramètres : la latitude, l’hémisphère N ou S, la proximité de source de pollution… Fichier

15 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 ou kmz) 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. On ajoute donc un nouveau compartiment au modèle. Le modèle à 2 compartiments

16 La biosphère a-t-elle joué le rôle d’un puits de carbone depuis 1780?
Consulter le modèle à 3 compartiments : Ce modèle de référence (sans apports anthropiques) prévoit une stabilité de l’atmosphère - Situation préindustrielle en 1780 avec une atmosphère à 600 Gt de C permet de vérifier l’impact des émissions anthropiques : il suffit pour cela d’ajouter le flux anthropique en jouant directement sur le graphique des apports. Résultats du modèle à 3 compartiments 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 … Il existe donc un autre puits de carbone et les scientifiques suspectent les océans! Enfin le modèle montre que la partie du carbone anthropique qui a disparu de l’atmosphère durant cette période a été capturée par la biosphère. Mais durant cette période, les changements d’usage des sols (déforestation, labour etc.) et le réchauffement ont stimulés le dégazage à partir des sols. Autrement dit si la biosphère a atténué l’impact anthropiques, les sols ont dégradé la situation. Ce modèle qui ne prend en compte que la biosphère et le sol montre que les valeurs mesurées du CO2 sont peu différentes des valeurs calculées mais il existe encore des différences… Le modèle doit être amélioré. Une autre hypothèse a été émise… les océans auraient pu séquestrer du CO2… Voir le modèle à 3 compartiments : atmosphère-biosphère-sols

17 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… Afin de tester l’hypothèse d’un puits océanique, on exploite les données expérimentales acquises par les élèves et on interroge les BDD. On vérifie expérimentalement le bien fondé de l’hypothèse : Expériences : Dans une enceinte hermétiquement fermée et remplie à moitié par de l'eau de mer, deux sondes enregistrent la concentration en CO2, l'une dans l'air, l'autre dans l'eau de mer. On augmente progressivement la teneur en CO2 de l'atmosphère en soufflant régulièrement (et pas trop fort) de l'air expiré dans un récipient qui communique avec l'enceinte (ce récipient intermédiaire évite de trop grandes turbulences et fluctuations dans l'enceinte). Deux expériences sont menées à 10°C et 30°C. L'eau de mer est préalablement mise à ces températures avant introduction dans l'enceinte. Pour maintenir constante la température tout au long de l'expérience, l'enceinte est placée dans un bain thermostatique. On s'efforce de maintenir une évolution identique de la teneur en CO2 dans l'atmosphère pour les deux expériences en jouant sur l'expiration. Résultats : L'augmentation de la concentration en CO2 dans l'air est suivie d'une augmentation de la teneur en CO2 de l'eau, quelle que soit la température, et provoque donc un flux air-->eau de gaz. On comprend ainsi qu'une partie du CO2 d'origine anthropique puisse passer dans l'océan. Mais le transfert est moins important dans une eau à 30°C que dans une eau à 15°C. Avec le réchauffement du climat et donc de l'océan de surface, la capacité de l'océan à absorber les rejets anthropiques de CO2 va donc diminuer. Un refroidissement favorise donc le transfert du CO2 vers l'océan, une élévation de température  a l'effet inverse. On confronte les résultats expérimentaux aux informations fournies par les BDD : On constate qu'il existe des régions océaniques  importatrices de CO2 plutôt situées aux hautes latitudes et des régions exportatrices,  essentiellement aux basses latitudes. Afin d’établir le bilan global des échanges on utilise le logiciel Mesurim : on comptabilise le nombre de pixels des différentes zones de la carte des échanges. L’océan peut-être localement un puits (eau froide) ou une source (eau chaude) : globalement les océans du globe constituent un puits pour le carbone… On propose de valider ce résultat en construisant un modèle.

18 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 » est un modèle partiel qui ne teste que l’hypothèse du puits hydrosphérique. 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). Résultat : Du carbone d’origine s’est bien accumulé dans l’atmosphère mais également dans l’océan superficiel et l’océan profond. L’hydrosphère a bien atténué l’impact des émissions anthropiques. Modèle à 3 compartiments : atmosphère-océan superficiel- océan profond

19 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-hydrosphère » permet de comparer les valeurs mesurées (CO2 et T°C) aux valeurs calculées. Les différences existent (le modèle n’est pas le réel) mais permettent de valider nos hypothèses. Les modèles des experts sont plus complexes… Le modèle modèles/5compartcyclecourt_220ans.vmf permet de montrer: Page 3 et 4 que la biosphère et l’hydrosphère ont bien séquestré du carbone anthropique (effet d’atténuation). Qu’en sera-t-il pour le XXI siècle? Pour conclure, on pourra insister sur : La démarche s’appuyant sur la construction de modèles de complexité croissante (consulter pour cela modéles/bilan.vmf). La construction du modèle s’appuie sur les résultats de tp et les informations du chercheur disponibles dans les BDD. Le statut du modèle : simplification et explication… peut-il être prédictif? Modèle complet à 5 compartiments Bilan de la modélisation

20 Bilan… 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. On peut donc conclure que … 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. Le problème posé est résolu : Du CO2 disparaît de l’atmosphère séquestré par la biosphère et l’hydrosphère.

21 Pour le futur, que peut-on prévoir ?
Pour le futur si les émissions de CO2 se poursuivent, comment se comporteront la biosphère et l’hydrosphère? Cycle du carbone et climats du futur Modèle exploitant les scénarii socio économiques du GIEC Modèles Java Climat Model En ligne En local 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… Pour tester ces hypothèses, on exploite : Notre modèle à 5 compartiments (durée : 1780 à 2100 – apports historiques connus et apports du futur estimés en imaginant des scénarios…) : voir modèles/5compart_GIEC_XXIsc.vmf Les modèles des chercheurs … Java Climat Model.

22 Modélisation et simulation: quels rôles pour l’investigation scientifique.
Modèle du chercheur Modèle pour la classe Le changement climatique a généré beaucoup d’information sur la toile… On peut trouver des informations d’une très grande diversité, parfois même contradictoire. Sans les informations disponibles sur internet on ne peut pas résoudre le problème de l’impact des activités humaines sur le climat. L’élève devra ne pas prendre comme argent comptant ce qu’il trouve sur internet. Avec son professeur, il devra trier les informations, il devra traiter ces informations (construction de graphiques, calculs et construction de modèles pour comprendre le réel). Au cours de ce traitement, il devra exploiter des informations multiples. Il devra confronter les mesures du chercheurs aux mesures effectuées au laboratoire (photosynthèse et respiration, dissolution etc.). 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. 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.

23 Modélisation et simulation: quels rôles pour l’investigation scientifique.
Modèle et théories Modélisation et simulation: quels rôles pour l’investigation scientifique. Lors de la modélisation puis de la simulation, l’élève fait un va et vient entre le réel et le modèle. Le modèle n’est pas le réel… mais il permet de comprendre le réel et de l’expliquer. Réel

24 L’école virtuelle Le traitement de l’actualité dans l’enseignement en relation avec des préoccupations sociales et faisant appel aux informations disponibles sur internet, est une source de motivation importante. Quelques pistes de réflexion : la place des TICE dans la démarche de modélisation. L’accessibilité des données des chercheurs passe par une bonne indexation des ressources. Indexation LOM-fr Moteur de recherche en développement: La nécessité d’un traitement utilisant les aptitudes développées dans le cadre du B2I (Excel) La complexité de la démarche et ses implications: La démarche de modélisation devrait s’inscrire dans la continuité de la classe de seconde à la classe de terminale. L’interdisciplinarité. Les rapports aux connaissances médiatisées. La place de la modélisation dans l’éducation au développement durable et la responsabilité du citoyen. La place du scientifique dans notre société. Réflexion en relation avec les connaissances médiatisées : L’introduction de l’actualité dans l’enseignement des sciences notamment, est de nature à dépasser les obstacles à la compréhension de l’activité de recherche et favorise l’assimilation. Le traitement de l’actualité crée une situation favorable dans la mesure où, lorsque l’enseignement présente des savoirs décontextualisés, on observe une perte de motivation. Les savoirs acquis en phase avec des préoccupations sociales et faisant appel aux données fournies par internet notamment (exploitation des banques de données des chercheurs) sont une source de motivation importante. Ces savoirs sont rapidement consolidés dans la mesure où l’élève pourra, sitôt le cours fini, poursuivre le débat avec ses amis, sa famille… Pour aller plus loin … les exemples « de thèmes d’actualité traités dans l’enseignement » ne manquent pas : on citera… Classe de seconde – Planétologie … Début janvier 2005… on étudie le système solaire. Les élèves vont suivre en direct l’arrivée de la sonde Huygens sur Titan. Huygens est une sonde atmosphérique qui réalise des observations in situ du satellite de Saturne, Titan. Elle a été larguée par Cassini dans l'atmosphère de Titan le 25 décembre 2004 pour atteindre la surface le 14 janvier 2005. Trois sondes arrivent sur et autour de Mars entre décembre 2003 et janvier 2004. Des résultats préliminaires tombent, et la presse s'en fait l'écho, souvent très mal comme d'habitude. Par exemple, on nous a annoncé vendredi 23 janvier 2005, comme une grande découverte la présence de glace d'H2O, alors que cette présence est soupçonnée depuis 1666, et spectralement confirmée et prouvée depuis 1964. On découvre en direct les images de Mars Express en février 2005 : il s'agit de la découverte d’un paléo-lac (ou d’une paléo-mer) gelé ne datant, d'après l’ESA, que de 5 millions d’années. Classe de 1S : Activité tectonique de la planète Terre Janvier 2005 : Le séisme qui frappe la région de Sumatra sera le sujet d’étude de la classe de 1S. Ce séisme correspond à une rupture de faille tectonique sous-marine située en bordure des plaques indienne et asiatique qui convergent avec une vitesse moyenne de l'ordre de 5 cm par an. Un important dossier publié par le CNRS accompagne l’événement… En vrac divers exemples … Le suivi de la couche d’ozone: En classe de seconde, le professeur de SVT étudie l’impact de l’Homme sur son environnement. Le trou de la couche d’ozone est abordé. Le livre fournit 6 images de la couche d’ozone prise entre 1979 et Depuis, la situation a changé… les images sont disponibles sur la toile. Le suivi d’une expédition scientifique : Expéditions de Jean-Louis Etienne : l’expédition Antarctica dans les années 1990 où il s’est montré soucieux d’y intégrer les TICE au service de la communauté éducative; l’expédition Clipperton (un atoll français désert situé dans le Pacifique à 1200km des côtes mexicaines) a permis de suivre le travail des scientifiques dans le cadre de l’étude de la biodiversité… Expédition Santos permet aujourd’hui à des classes de suivre le travail des scientifique sur l’île Santos… Un dossier sur le site ACCES