Enseigner les Sciences de la nature

logo ensl   Logo du ministère de l'éducation
logo CIRI logo Immuniser Lyon
logo LBMC logo Musée Mérieux
Logo Inserm igfl igfl logo CREATIS
Logo du Museum national des histoires naturelles
Logo du musée de Confluences
logo geo 3d
Logo de Lyon 1 logo lgltpe 
Logo du Museum national des histoires naturelles
Logo du musée de Confluences
logo LBMC
logo LBMC
logos composé logo COP In My City logo Investissement d'avenirLogo du musée de Confluences
logo Météo France Logo du musée de Confluences
logo EVSlogo Grand Lyon

Etapes de la modélisation

Etapes de la démarche de modélisation du Cycle Court du Carbone

 

Construction de modèles de complexité croissante

 

La construction des modèles s'effectue "pas à pas" en utilisant le logiciel de modélisation Vensim (Voir la prise en main du logiciel).
 

Nous proposons de construire un modèle du cycle du carbone court de complexité croissante :

  • un premier modèle simple à un seul compartiment (le compartiment "atmosphérique"),
  • puis deux compartiments (les compartiments "atmosphérique et biosphérique" ou les compartiments "atmosphérique et hydrosphérique"),
  • puis trois compartiments (les compartiments "atmosphérique, biosphérique et hydrosphérique").

A chaque étape, les valeurs calculées par le modèle sont comparées aux valeurs mesurées sur le terrain. Le modèle est validé lorsque les données calculées seront conformes aux données mesurées sur le terrain.

Vue d'ensemble de la démarche

Organigramme

Les étapes de la démarche

Description

Etapes 1 puis 2 : un compartiment atmosphérique

  1. Notion de modèle numérique
  2. Construction d'un modèle à un compartiment fermé
  3. Evaluation des puits
  4. Découverte des puits biosphérique et océanique : modèle à compartiment ouvert

Modélisation :Etape1

Agrandir l'image

 

Les modèles que nous construisons sont des modèles numériques. Il nous semble essentiel de débuter la construction d'un modèle par la réalisation d'un calcul simple en réponse à un problème simple :  "Les quantités de CO2 émises par l'Homme depuis 1991 étant connues, est-il possible de calculer la quantité de CO2 présente dans l'atmosphère en 2001?"  (étape1)

 

Afin d'affiner la réponse au problème précédent, on propose la construction d'un modèle numérique à l'aide du logiciel Vensim. Ce premier modèle s'appuie sur une hypothèse : "le compartiment atmosphérique pourrait être un compartiment fermé" (étape2). Le résultat fourni par le modèle, nous conduit à modifier l'hypothèse. La nouvelle hypothèse suggère l'existence d'un compartiment atmosphérique ouvert comportant 2 puits, un puits biosphérique et un puits océanique (étape 2bis)

 
Nous construisons un modèle comportant un compartiment atmosphérique ouvert avec deux puits, un puits biosphérique et un puits océanique. Ce modèle prend en compte les émissions historiques de CO2 d'origine anthropique entre 1780 et 2001(étape 3) . Les valeurs calculées par le modèle sont conformes aux valeurs mesurées sur le terrain. Le modèle est validé. L'hypothèse d'une atmosphère ouverte comportant de 2 puits, un puits biosphérique et un puits océanique, est aussi validée .

 

Etape 4 :

2 compartiments puis 3 compartiments atmosphére, biosphére et sol

  1. Concepts de photosynthèse et de respiration à différents niveaux (planète Terre, écosystème, organisme)
  2. Construction du modèle de référence
  3. Optimisation du modèle pour la période 1780-2001
  4. Utilisation du modèle pour les climats du futur 1780 2100

Modélisation:Etape2

Agrandir l'image

 

L'existence d'échanges entre les deux compartiments atmosphérique et biosphérique, nous conduit à préciser le modèle (étape 4). Lors de la construction de ce nouveau modèle, nous exploitons: 

  • Les travaux effectués au laboratoire : notamment les expériences assistées par ordinateur au cours desquelles nous effectuons une étude quantitative et qualitative des échanges de CO2 , cette étude prend en compte les paramètres environnementaux.
  • Les résultats des mesures effectuées sur le terrain par le réseau d'écophysiologie Fluxnet. Le réseau Fluxnet couvre de nombreux écosystèmes (forêts, prairies, cultures, toundra...) sous différentes latitudes et sur différents continents.

Lors de la construction du modèle, on découvre que le cycle du carbone met en jeu non pas 2 mais 3 compartiments : l'atmosphère, la biosphère et le sol. Les flux de carbone entre ces compartiments mettent en jeu des flux correspondants à la photosynthèse, la respiration et la fermentation. L'impact de la biosphère est planétaire.

 

On découvre que les flux ne sont pas constants, la photosynthèse comme la respiration dépendent de facteurs du milieu comme la température et la concentration en CO2. On améliore le modèle en ajoutant des boucles de rétroaction (si la concentration en CO2 augmente, l'intensité de la photosynthèse augmente... le modèle devient le support du raisonnement).

 
Les valeurs calculées par le modèle sont conformes aux valeurs de terrain, le modèle est validé. Ce modèle peut être utilisé pour comprendre les changements climatiques passés, présents et futurs.

 

Etape 4 bis

2 compartiments puis 3 compartiments atmosphére, océan de surface et oéan de profondeur

  1. Mise en place d'un modèle mettant en jeu les échanges entre l'atmosphère et l'hydrosphère
  2. Construction du modèle numérique de référence
  3. Optimisation du modèle pour la période 1780-2000

Modélisation: Etape 3

Agrandir l'image

 

Lors de la construction d'un modèle prenant en compte les échanges entre l'atmosphère et les océans, nous exploitons les travaux effectués au laboratoire et les banques de données.

 

On découvre que le cycle du carbone met en jeu 3 compartiments : l'atmosphère, l'océan de surface et l'océan de profondeur (étape 4bis).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Etape 5 :

Modèle complet (atmosphère, biosphère, sols, océans)

  1. Construction du modèle en fusionnant les modèles précédents et optimisation du modèle pour la période 1780 2100
  2. Utilisation du modèle pour comprendre les climats passés
  3. Utilisation du modèle pour prévoir les climats futurs

Modélisation :Etape4

Agrandir l'image

 

Lors de la première étape on a pu démontrer que le compartiment atmosphérique était un compartiment ouvert mettant en jeu un puits biosphérique (étape 4) et un puits océanique (étape 4 bis).

 

On propose de construire un modèle de référence complet comprenant 5 compartiments : l'atmosphère, la biosphère, les sols, l'océan de profondeur et l'océan de surface (étape 5).

 

Les valeurs calculées par ce modèle sont conformes aux valeurs mesurées sur le terrain pour la période 1780 à nos jours. Le modèle est donc validé.

 

On propose alors d'utiliser ce modèle de référence pour comprendre le climat passé (à l'échelle du millier d'années) et pour prévoir les climats du futur.

 

 

 

 

 

 

 

Remarques :

  1. Réflexion pédagogique à propos de la place de la modélisation et de la simulation dans l'enseignement.
  2. Modélisation et simulation vont toujours de pair...
  3. Tous les modèles que nous construisons utilisent les équations proposées par les chercheurs du collège de Carleton.(Les modèles ne sont plus en ligne aujourd'hui)