bio_etape2
Construction d'un modèle à 2 puis 3 compartiments : l'atmosphère, la biosphère et le sol
L'expérimentation réalisée au laboratoire d'une part, la consultation de la banque de données FLUXNET d'autre part, montrent l'existence d'échanges de carbone entre les 2 enveloppes l'atmosphère et la biosphère. Ces échanges correspondent à 2 flux : un flux "photosynthèse" et un flux "respiration".
Première étape dans la construction du modèle :
Construire un modèle simple à 2 compartiments.
- La construction du modèle peut être précédée par la réalisation d'un schéma (voir illustration ci-dessus) faisant apparaître :
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- les deux compartiments, l'atmosphère et la biosphère,
- ainsi que les 2 flux (respiration et photosynthèse).
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- Poussant plus loin l'abstraction, on propose de construire un modèle numérique en utilisant le logiciel Vensim.
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- Consultation des informations nécessaires à la construction du modèle (équations et données numériques) sont disponibles dans ce fichier joint.
- Téléchargement du modèle : le fichier 2compart_220ans. mdl (version vensim) ou 2 compart_220ans.vmf (version venread) comporte 2 modèles:
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- Le modèle de la page 1 sans boucles de rétroaction.
- Le modèle de la page 2 avec boucles de rétroaction.
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Premier constat
Le modèle à 2 réservoirs n'est pas réaliste : en mode simulation sur la période de 1780 à 2001, on assiste au vidage rapide de l'atmosphère.
Lors de la construction de ce modèle, on a admis que la biosphère était à croissance illimitée. On découvre que si la croissance de la biosphère est continue alors :
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- l'intensité de la photosynthèse l'emporte sur la respiration,
- quelques années suffisent pour "vider" l'atmosphère de son CO2.
Le cycle du carbone "tombe en panne", la photosynthèse s'interrompt par manque de CO2.
Le modèle doit être amélioré.
Dans la nature, les êtres vivants n'ont pas une croissance infinie, ils meurent et produisent des "déchets" sous forme de feuilles, rameaux, bois morts ... tous ces déchets organiques riches en carbone alimentent un autre compartiment, la litière puis le sol.
Le modèle doit prendre en compte un nouveau compartiment "la litière et le sol".
On enrichit le modèle ... en ajoutant un nouveau réservoir et donc de nouveaux flux.
Deuxième étape dans la construction du modèle :
Construire un modèle à 3 compartiments.
On ajoute au modèle initial :
- un nouveau compartiment "la litière et le sol"
- et 2 flux "la chute de la litière" et "la respiration du sol" (la respiration des êtres vivants dans le sol).
Le modèle se compléxifie.
"La litière et le sol" représentent globalement un nouveau compartiment. Le modèle s'enrichit aussi de deux flux, un flux de la biosphère vers le sol d'une part qui correspond à la chute de la litière, du sol vers l'atmosphère d'autre part qui correspond à la minéralisation de la matière organique.
Construction du modèle :
Résultat
Le modèle est paramétré pour une période de 220 ans, de 1780 à nos jours. Nous avons choisi à ce stade de la construction de ne pas prendre en compte les émissions de CO2 d'origine anthropique afin de valider le modèle. Pour être validé le modèle de référence, doit être stable en absence d'apports anthropiques (stabilité de la concentration atmosphérique en CO2 et stabilité de la température globale).
Exploration du modèle de référence à 3 compartiments : (facultative ici)
A ce stade de la modélisation, il nous semble important de montrer que le modèle met en jeu des boucles de rétroaction, certaines sont positives et d'autres sont négatives. De telles boucles sont nécessaires pour une utilisation en mode prédiction.
On propose d'utiliser le modèle de référence pour comprendre "comment il fonctionne" et surtout comment "il réagit aux perturbations de l'environnement".
On propose de montrer comment va réagir le modèle :
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- Si la température augmente (ou si elle diminue),
- Si la concentration en CO2 atmosphérique augmente (ou si elle diminue).
Le modèle sert ici d'outil de compréhension.
Afin de tester l'impact de la température ou de la concentration atmosphérique du CO2 sur le cycle du carbone, on propose de créer un nouveau modèle à partir du modèle de référence.
Construction du modèle :
Résultat :
Le fichier 3compart_retroaction_22ans propose 3 modèles:
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- En page 1 : Le modèle de référence. Il prévoit qu'en absence d'émissions anthropiques tous les flux sont équilibrés. La concentration en CO2atmosphérique reste stable.
- En page 2 : Le modèle modifié permet de tester l'impact de la température sur le cycle du carbone. Si la température augmente, la respiration du sol est davantage stimulée que la photosynthèse. L'enveloppe biosphérique dans son ensemble va déstocker le carbone. La concentration en CO2 atmosphérique va augmenter agravant le réchauffement global... le mécanisme s'autoaccélère. On parle de boucle de rétroaction positive. Actuellement, le réchauffement climatique stimule de "dégazage des sols" notamment les sols gelés (permafrost).
- En page 3 : Le modèle modifié permet de tester l'impact d'une variation de la concentration en CO2 sur l'intensité de la photosynthèse. On découvre que si la concentration en CO2 augmente, la photosynthèse est stimulée, le carbone est davantage séquestré par la biosphère... la concentration en CO2 va avoir tendance à diminuer. On parle de boucle de rétroaction négative. On peut penser que les émissions anthropiques de CO2 ont favorisé globalement la photosynthèse ce qui reste à prouver (voir étape suivante).