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oce_etape2

 

Construction d'un modèle numérique mettant en jeu les échanges entre l'atmosphère et l'hydrosphère

 

Nécessité d'une numérisation

Une augmentation de la température  défavorise le transfert de CO2 vers l'océan mais l'augmentation de la concentration atmosphérique en CO2  a l'effet inverse.

Par ailleurs le réchauffement climatique accélère l'évaporation des eaux de surface de l'océan, augmentant ainsi leur salinité mais provoque également la fonte des calottes polaires et un apport d'eau douce dans l'océan.

Quel peut être le bilan net de ces effets contraires ?

Le modèle qualitatif montre là ses limites. Il ne permet plus la prédiction.

Il devient donc nécessaire :
- d'établir des relations mathématiques entre les différentes variables 
- de construire un modèle numérique intégrant ces différentes relations

- de faire "tourner" le modèle à partir de données de terrain sur une période de temps écoulée afin de déterminer l'évolution de la concentration en CO2 dans l'océan de surface et de confronter cette évolution calculée avec l'évolution mesurée. La bonne cohérence entre les valeurs calculées et mesurées permet la validation du modèle.


Le modèle construit, après avoir été validé (test sur une période récente), pourra ensuite être utilisé à des fins prédictives en partant de scénarios plausibles.

L'outil de simulation et le modèle utilisé

Le modèle analysé ici est adapté pour vensim à partir d'un modèle simplifié du cycle du carbone élaboré par l'université de Carleton aux USA et mis à disposition sur son site Internet. Venread est l'outil de simulation permettant l'étude de ce modèle, il est téléchargeable gratuitement. Pour plus d'informations sur cet outil et pour sa prise en main consulter la rubrique outils.


 

L'archive ocean.zip contient le modèle ainsi que le fichier excel (données sur les apports anthropiques et la concentration en CO2 mesurée).

Dans Venread, ouvrir le fichier ocean1.vmf. Les variables utilisées par le modèle et leur relations apparaissent alors sous forme d'un diagramme (ci-contre). Les variables calculées par le modèle apparaissent en rouge, les variables mesurées ou les données chiffrées sont en bleu.

Atm INI, Ocean sup INI représentent les valeurs initiales de l'atmosphère, de l'océan superficiel et profond.

Le facteur salinité n'apparaît pas directement dans le modèle. Il est toutefois pris en compte par l'intermédiaire de la variable KCO2 . En effet KCO2 = K3.k2/k1 où k1 et k2 représentent les constantes d'équilibre entres les différentes espèces chimiques du carbone présent dans l'océan et K3 est le coefficient de solubilité du CO2 . Or celui-ci dépend de la salinité et de la température.

Les apports volcaniques, anthropiques et la concentration en CO2 mesurée de 1780 à 2000 peuvent être visualisés en cliquant sur le nom de ces données dans le diagramme puis sur bouton2.gif

modeln1.gif

       venread4.gif

Afin de s'approprier la représentation du modèle, on peut, en s'aidant du diagramme et des boutons bouton3.gifet bouton4.gif, trouver quels sont les facteurs de variation de la quantité de CO2 dans l'atmosphère et de quoi dépendent les échanges de CO2 entre l'atmosphère et l'océan de surface

 

 

Les équations du modèle

En cliquant sur les différentes variables puis sur le bouton bouton1.gif on découvre les équations qui régissent les relations entre les différentes variables. En utilisant ces équations on peut  exprimer les échanges océan-atmosphère en fonction de la température des eaux de surface.


La validation du modèle

On recherche ensuite ce qui peut valider le modèle.

Pour cela on lance la simulation (clic sur le boutonbouton7.gif) puis on compare la représentation graphique de la concentration en CO2 atmosphérique calculée à celle qui est mesurée.

modeln3.gif

Les données calculées de la concentration en CO2 entre 1780 et 2000 divergent sensiblement des données mesurées. Le modèle ne peut être validé en l'état. 

La concentration en CO2 calculée est trop importante et les écarts avec les mesures s'accroissent avec le temps. Les échanges de CO2 entre l'atmosphère et l'océan de surface sont dus à des différences de concentration en ce gaz dans les deux milieux. Le CO2 anthropique transféré dans l'océan superficiel accroît la concentration de celui-ci créant ainsi un déséquilibre avec les couches océaniques plus profondes. On peut alors émettre l'hypothèse d'un transfert de carbone de l'océan de surface vers l'océan profond.

Les données de terrain peuvent-elles valider cette hypothèse?

La mise en place d'un troisième compartiment : les transferts de CO2 entre l'océan de surface et l'océan profond 

 Les deux documents suivants peuvent aider à éprouver l'hypothèse. 

L'un traduit l'évolution de TCO2 en fonction de la profondeur (TCO2 =[CO32-] + [HCO3-] + [CO2]), l'autre montre les variations en cours d'année des courants marins représentés sous forme de vecteurs. et traduisant les échanges mécaniques entre océan de surface et océan profond.

Ces données ont été relevées au site Dyfamed en Méditerranée. 

 

CO2_prof.gif

courant.gif

Les différences de concentration observées sur le premier document impliquent des phénomènes de diffusion entre océan de surface et océan profond, les courants verticaux  (up et downwelling) observés sur le deuxième document impliquent des phénomènes de brassage entre les deux compartiments, des importations et des exportations de substances solubles ou en suspension. Ces échanges de CO2 doivent donc être pris en compte par le modèle qui comporte maintenant trois compartiments (deuxième page du fichier ocean.vmf à laquelle on accède en cliquant sur le bouton page.png situé en bas de l'écran).


modeln2r.gif
Agrandir l'image

modeln4.gif

La simulation montre que les écarts entre les données calculées et les données mesurées sont encore plus importants lorsque l'on prend en compte les échanges de CO2 entre l'océan superficiel et l'océan profond. L'équation qui régit les échanges entre ces deux compartiments ( 100*(Océan profond 2/OceanProf INI 2)-90.6*(Océan superficiel 2/OceanSup INI 2)) montre qu'il a été établi qu'ils n'étaient pas équilibrés et que l'océan profond remonte par upwelling davantage de CO2 qu'il n'en est exporté vers les profondeurs. 

L'océan étant un puits de CO2 comme il a été montré précédemment, il doit exister dans l'océan un facteur consommateur de CO2 qui a été ignoré.

La prise en compte d'un nouveau facteur : la photosynthèse

La photosynthèse est consommatrice de CO2. Une faible partie de la matière organique synthétisée par les cellules chlorophylliennes de l'océan de surface échappe à la minéralisation et migre vers l'océan profond. Des bactéries l'oxydent alors et une très faible proportion de la quantité initiale échappe au recyclage par enfouissement dans les sédiments.

Deux stratégies pédagogiques sont alors possibles :
- Les notions sur la photosynthèse et les réseaux alimentaires d'un écosystème sont connus alors on propose de passer directement à l'étape suivante de la construction du modèle
- Si les connaissances sur le sujet restent approximatives: on propose une actualisation des connaissances indispensables à la construction finale du modèle, basée non plus sur le bilan global annuel des échanges océan/atmosphère mais sur l'étude de leurs variations spatio-temporelles (voir les flux de carbone dans l'océan).

étape suivante de la construction du modèle

les flux de carbone dans l'océan