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Des études révèlent que sur les 10 dernières années, sur les 64 Gt de Carbone d'origine anthropique qui ont été dispersés dans l'atmosphère il n’en reste qu’environ 50%.

 

Mise en place d'un modèle mettant en jeu les échanges entre l'atmosphère et l'hydrosphère

 

Un problème est posé

Les émissions de CO2 d'origine anthropique sont connues :  sur 150 ans (depuis 1850), l ’apport est estimé à 282 Gt de Carbone.  Ces émissions se sont en partie accumulées dans le réservoir atmosphérique dont la capacité a été estimée à 600 Gt en 1850. Des études  révèlent que sur les 10 dernières années, sur les 64 Gt de Carbone d'origine anthropique qui ont été dispersés dans l'atmosphère il n’en reste qu’environ 50%.

Où est allée l'autre moitié des émissions anthropiques de CO2 ?

Des hypothèses sont émises

 

L'élaboration d'un modèle numérique et son ajustement aux valeurs de terrain ont conduit à émettre l'hypothèse de l'existence de deux puits pour le CO2 atmosphérique et à en estimer les capacités : le puits lié à l'activité de la biosphère terrestre d'une part et le puits océanique d'autre part.

 

Peut -on mettre en évidence l'existence un transfert de CO2 de l'atmosphère vers l'océan?

 

Les données de terrain

Le document ci-dessous, disponible sur le site de l'université de Columbia http://ingrid.ldeo.columbia.edu/SOURCES/.LDEO/.Takahashi/.dataset_documentation.html  (Takahashi, et al.) traduit le bilan net des échanges entre l'atmosphère et l'océan de surface au cours de l'année 1990.

Flux annuel de carbone entre l'atmosphère et l'océan de surface
pCO2diff_ann.gif

 

flux_echel2.gif
   On constate qu'il existe des régions océaniques  importatrices de CO2 plutôt situées aux hautes latitudes et des régions exportatrices,  essentiellement aux basses latitudes. 
Peut-on établir un bilan global des échanges ?

 
En comptabilisant le nombre de pixels des différentes zones de la carte des échanges, on peut espérer en avoir une idée approximative.


Le logiciel Mesurim développé par JF Madre (académie d'Amiens) permet cette comptabilité :
pCO2diff_an1.gif
Zones importatrices
pCO2diff_an2.gif
Zones exportatrices
pCO2diff_an4.gif pCO2diff_an3.gif

 

Pour chaque image, les zones les plus intensément colorées sont celles où le flux est le plus important. Il apparaît que les régions importatrices sont plus étendues ;  il faut bien entendu tenir compte du flux. Il semble donc que l'océan superficiel constitue un puits pour le CO2 d'origine anthropique, mais la méthode utilisée est empirique (la projection utilisée pour construire la carte exagère les surfaces des hautes latitudes par exemple).

Par ailleurs une bonne corrélation existe entre le sens des échanges océan/atmosphère et la latitude. Les régions océaniques exportatrices de CO2 sont très majoritairement situées au faibles latitudes. La température est probablement un facteur influant fortement sur les importations de CO2 par l'océan.

Cette hypothèse doit être éprouvée par l'expérience. Cette étude expérimentale sur l'influence de la température prend tout son intérêt dans le cadre du réchauffement climatique : l'océan va t-il continuer à absorber une partie du CO2 d'origine anthropique ? 

Étude en laboratoire


Le modèle analogique

dispexp.jpg
       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

 

exp2_CO2_Tr.gif

Agrandir l'image

    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.

L'enseignant précise que la température et la salinité influent sur la solubilité du CO2 dans l'eau (consulter la rubrique ressources pour plus de renseignements): la solubilité diminue quand la salinité et la température augmentent

 


Dans le cadre d'une politique volontariste de réduction des émissions de CO2 qui aboutirait à une baisse de son taux atmosphérique, quelle serait la réaction de l'océan ?
 

Une simulation faite sur le modèle analogique précédent permet d'envisager une réponse. On enrichit dans un premier temps l'atmosphère en CO2 puis le retour à la valeur initiale se fait en injectant de l'air à l'aide d'un bulleur (expérience faite à température ambiante).

 

resultat.gif
L'eau de mer importe du CO2 lorsque sa teneur augmente dans l'atmosphère. Le flux est inversé lorsque sa teneur diminue. L'eau de mer restitue du CO2 à l'atmosphère. Les échanges entre l'atmosphère et l'océan dépendent de la différence de concentration en CO2 entre l'air et l'eau.
Si l'on parvenait à diminuer le taux de CO2 dans l'atmosphère, l'océan restituerait du CO2
emmagasiné. 
Bilan : Les études sur le terrain et en laboratoire ont montré que les échanges de CO2 entre l'atmosphère et l'océan dépendaient de la différence de concentration en ce gaz dans les deux milieux. Si l'océan est pour l'instant globalement importateur, des flux inverses peuvent s'observer dans certaines régions. La température qui modifie la solubilité du CO2 pouvant en partie expliquer les variations géographiques de flux.

(Les régions exportatrices sont également des régions où de l'eau riche en CO2 remonte des profondeurs.)

On peut, à cette étape de la démarche, modéliser les échanges océan -atmosphère sous forme d'un schéma.

Modélisation des échanges :model2.gif

On introduit ici les notions de modèle à compartiments et de flux.

Le CO2 dissous ne constitue qu'une faible proportion (~ 1%) du total des espèces carbonatées (TCO2) dans l'eau de mer, un apport supplémentaire de CO2 dans l'océan déplace l'équilibre chimique entre les espèces ioniques et l'augmentation relative concomitante de TCO2 est considérablement plus faible que celle en CO2 dissous.

Cet équilibre entre les différences espèces de carbone inorganique peut se traduire sous la forme suivante :
CO2 + CO32- + H2O <==> 2 HCO3-


On peut alors utiliser le modèle construit  pour tenter de résoudre le problème suivant :

Étape suivante : le modèle numérique

 

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