Modélisation de l'entrée du Carbone dans la Biosphère

Modélisation de l'entrée du Carbone dans la Biosphère

par T.lhuillier

Objectif de connaissance:

Programme de Seconde

Thème 2: Enjeux planétaires contemporains : énergie, sol, eau

Le soleil, source d'énergie essentielle

L'énergie lumineuse permet, dans les parties chlorophylliennes des végétaux, la synthèse de matière organique à partir d'eau, de sels minéraux et de dioxyde de carbone.
Ce processus permet, à l’échelle de la planète, l’entrée de matière minérale et d’énergie dans la biosphère.

L’utilisation de combustible fossile restitue rapidement à l’atmosphère du dioxyde de carbone prélevé lentement et piégé depuis longtemps. Brûler un combustible fossile, c’est en réalité utiliser une énergie solaire du passé.
L’augmentation rapide, d’origine humaine de la concentration du dioxyde de carbone dans l’atmosphère interfère avec le cycle naturel du carbone.

Programme de MPS:

 Thème : Sciences et prévention des risques d'origine humaine.

 Capacités et attitudes développées  au cours de cette séance:

• Pratiquer une démarche scientifique (observer, questionner, formuler une hypothèse, expérimenter, raisonner avec rigueur, modéliser).
• Comprendre le lien entre les phénomènes naturels et le langage mathématique.
• Percevoir le lien entre sciences et techniques.
• Être conscient de sa responsabilité face à l’environnement, la santé, le monde vivant.

Pré-requis

 Le chapitre "Nature du vivant " aura été traité avant cette séance pour définir deux notions:

•  Les êtres vivants, riche en Matière organique, contiennent beaucoup de Carbone  (Organique) .
• Le carbone minéral est présent dans l'atmosphère sous forme de CO₂.

Déroulement de l'activité

 TP EXAO Photosynthèse. Il permet d'insister sur l'aspect énergétique de la Photosynthèse alors que la démarche proposée ici insiste plus sur l'aspect géochimique.
Il est préférable d'expérimenter avec une sonde à CO₂. Ces expérimentations permettent de montrer le stockage de l'énergie lumineuse dans la matière organique qui se fabrique à partir du CO₂ atmosphérique et de l'eau (Notion d'équilibre des masses)

Les échanges de Carbone au sein d'un écosystème.

La banque de données Amériflux  (Amériflux) regroupe les  mesures des concentrations en CO₂ effectuées grâce à des capteurs placés sur des tours à différentes hauteurs au dessus d'un écosystème .

•  En fonction du degré d'autonomie souhaité, il est possible de laisser les élèves choisir leur lieu, la date.
  Attention! Les échanges entre biosphère et l'atmosphère dépendent de multiples facteurs (Latitudes, saisons, type de végétation, proximité des sources de pollution, etc. ) L'analyse des différents résultats constituerait en soi une séance à part entière.
   Voici un exemple d'une forêt non aménagée d'Arizona située à 35°N  au mois de mai 2008

on observe

• Une concentration en CO₂ basse de 8h à 17h

• Une concentration en CO₂ élevée de 20h à 6h du matin.

• Un relatif équilibre d'un jour sur l'autre.

Les heures notées en abscisses sont les heures légales locales.  Pour une analyse précise, il est nécessaire de connaitre les heures de lever et de coucher du soleil (Voir le principe)

Les élèves peuvent alors conclure à condition de leur rappeler un principe fondamentale trop souvent oublié d'eux "Rien ne se perd, rien ne se crée , tout se transforme"

• Que le baisse de concentration en CO₂ permet une augmentation de la matière organique dans la biosphère, (synthèse)  et qu'elle s'effectue le jour (Photosynthèse).

• Que la hausse de la concentration en CO₂ la nuit  correspond à une baisse de la matière organique dans la biosphère (Respiration )

• Que la matière organique fabriquée le jour est utilisée la nuit  et qu'il semble qu'il y ait un équilibre entre les deux mécanismes.

Analyser les échanges au niveau global.

Par l'étude des mesures de concentration en CO₂ à Mauna Loa ,On peut alors étudier le bilan des échanges de Carbone entre l'atmosphère et la biosphère(+ sol)  sur une année. Pour éviter de découvrir de suite le rôle de l'homme, le graphe suivant présente les mesures sur une seule année: l'année 2000.

On observe :

•   Une diminution d e la concentration atmosphérique en CO₂ de mai à septembre

• Une augmentation de la concentration atmosphérique en CO₂ de septembre à mai  

 Les élèves peuvent conclure qu'au niveau global, le mécanisme de photosynthèse est plus actif que la respiration  pendant la belle saison de l'hémisphère Nord et que les mécanismes de respiration (Fermentation ) l'emportent pendant la saison froide de l'hémisphère Nord.

(Pour aller plus loin)

On propose alors aux élèves de construire sur le papier un modèle explicitant leurs conclusions en définissant bien les compartiments et  les flux

Construire un modèle simple  de 2000 à 2008.

Nous utilisons pour cela le logiciel gratuit  Vensim PLE  (voir l'aide)

Cette période a été choisie car la dernière publication du fichier des apports anthropiques de Carbone  fait le bilan jusqu'à l'année 2007 (Voir le fichier de référence des données utilisées pour construire le modèle).

De manière à gagner un peu de temps, la première page du modèle  a été construite en partie et servira de modèle au page suivante.

Télécharger le modèle Entree de C_ini.mdl

• Première étape de la modélisation.
  En prenant comme hypothèse que la masse de Carbone intégrée à la biosphère pendant la belle saison  est utilisée par les hétérotrophes pendant la mauvaise, et que ces échanges sont constants d'une année sur l'autre, on construit un modèle présentant les échanges de CO₂ entre l'atmosphère et la biosphère.
  Le lancement du calcul de simulation fait apparaitre la courbe des échanges  de C à l'équilibre

  De manière à valider leur modèle,  et avec l'aide de la feuille Modifier un graphe, les élèves peuvent alors ajouter la courbe de la concentration en CO₂ atmosphérique mesurée à Mauna Loa.

 La comparaisons entre les valeurs modélisées et mesurées ne coïncident pas.

Avant ou après la mise à disposition de l'extrait du rapport des experts du climat (GIEC) , les élèves discuteront des différentes hypothèses. Plusieurs hypothèses peuvent être modélisées mais l'apport anthropique de Carbone lié en grande partie à la combustion des carburants fossiles ne peut pas être oublié.

• Deuxième étape. Intégration des apports anthropique.

Le document Modifier un modèle, permet d'ajouter le flux anthropique sur une copie du modèle précédent. Il faut pour cela :

• Copier le modèle sur une autre page (page2)
• Ajouter le flux des apports anthropiques
• Modifier ou entrer les formules. 
• Créer un nouveau graphe et l'afficher. 

   
  

Intégrer les apports anthropiques améliore le modèle . On ne peut mettre en cause les valeurs  des apports anthropiques proposées par le GIEC. Il faut donc admettre que la totalité des apports de CO₂ à l'atmosphère n'y est pas resté et que l'atmosphère n'est pas un compartiment fermé. Il y a des fuites. 

Sans entrer dans la complexité du cycle du carbone  , on peut alors modifier le modèle pour faire intervenir ce flux de fuite et tenter ainsi de quantifier  le pourcentage restant dans l'atmosphère.

• Troisième étape. Introduire un puits de Carbone.
  • Copier le modèle de la page 2 sur la page 3
  • Ajouter un flux de sortie de l'atmosphère
  •  Modifier ou  ajouter les formules
  • Créer un graphe

 Sur les 0.6 Gt de Carbone apportés tous les mois à l'atmosphère par la combustion des carburant fossiles, environ 0.26 Gt sortent de l'atmosphère tous le  mois.

Conclusion

Ce travail pourrait être poursuivi dans diverses directions. Il est par exemple possible  de relier les apports anthropiques au réservoir  roches carbonées (pétrole et charbon)  via la photosynthèse.

 Il serait également possible de relier la variable Concentration en CO₂ à une nouvelle variable Température globale  (voir le travail sur le thème MPS (en cours de construction)) ou estimer la part du puits biosphérique par rapport au puits océanique.
Vous pouvez aussi utiliser et modifier les nombreux modèles présents dans le dossier modélisation du cycle du Carbone

 ( Voir le modèle final)

Items B2i Lycée

• L 3.4 : Je sais utiliser ou créer des formules pour traiter les données.
• L 3.5 : Je sais produire une représentation graphique à partir d’un traitement de données numériques.
• L 3.6 : Dans le cadre de mes activités scolaires, je sais repérer des exemples de modélisation ou simulation et je sais citer au moins un paramètre qui influence le résultat.