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litho_etape1

Modèle à court terme de 1850 à l'actuel

Modèle à long terme 600Ma

Du cycle court au cycle long.

 Objectifs :
 
    • Aborder les notions de réservoirs, de flux, de paramètres, 
    • Différencier le cycle long du cycle court
    • Construire un modèle très simple
    • Utiliser le modèle avec 2 petites applications pédagogiques
 

Introduction : 

 

Le globe terrestre peut être représenté avec quatre enveloppes externes et chacune de ses enveloppes (atmosphère, hydrosphère, biosphère, lithosphère) constitue un réservoir de carbone. Ces réservoirs sont liés entre eux par des échanges permanents ou flux de carbone.

 

La modélisation des cycles du carbone telle que proposée ici consiste à construire des algorithmes de calcul des flux de carbone, de la masse de carbone dans les réservoirs et leur évolution au cours du temps (voir modélisation)

 

Le cycle du carbone à court terme (quelques années à quelques dizaines de milliers d'années) s'intéresse aux flux entre réservoirs superficiels (atmosphère, hydrosphère, biosphère) et est peu influencé par les échanges avec la lithosphère. ( voir cycle à court terme)

 

A long terme (plusieurs dizaines ou centaines de millions d'années) les échanges entre réservoirs superficiels sont en équilibre permanent, et les échanges avec la lithosphère ont une importance considérable, et jouent un rôle majeur dans l'histoire climatique de la Terre.

 

Nous proposons de construire en deux étapes un modèle simple du cycle du carbone à long terme avec deux réservoirs (les réservoirs "superficiel et carbonates").

 

Etape 1

 

Dans le cycle du carbone à long terme les chercheurs proposent de regrouper les réservoirs, hydrosphère, atmosphère et biosphère en un seul qu'il appelle "réservoir superficiel". Pour comprendre les raisons qui poussent les chercheurs à réaliser ce regroupement, nous vous proposons de :

 
    • Comparer la masse de carbone présente dans les différents réservoirs hydrosphère, atmosphère, biosphère et lithosphère (roches carbonatées et roches carbonées);
    • Représenter schématiquement ces réservoirs et ces flux sur une feuille de papier;
    • Comparer la valeur des flux entre ces différents réservoirs;
    • Calculer le temps de séjour moyen, exprimé en années du carbone dans chaque réservoir (masse de carbone/somme des flux sortants);
    •  
      Calculer pour chaque flux en combien d'années il peut vider/remplir les réservoirs concernés.

Résultats

Importance des différents réservoirs de carbone (masses en gigatonnes de carbone). 1 Gt =109 tonnes = 1012 kg

Hydrosphère

Atmosphère

Biosphère

Roches carbonatées

Roches carbonées

38000

600

 2200

30.106 

10.10

TP : Evaluation d'un réservoir carbonaté 

Les échanges entre réservoirs peuvent être représentés de façon simplifiés par sept flux résultant de sept phénomènes majeurs :

Flux

De

Vers 

Valeur actuelle en Gt/an

photosynthèse

atmosphère

biosphère

110

respiration 

biosphère

atmosphère

110

dissolution

atmosphère

hydrosphère

100

relâchement

hydrosphère

atmosphère

100

altération/sédimentation des carbonates

hydrosphère

lithosphère

0.1

volcanisme 

lithosphère

atmosphère

0.1

activités humaines

lithosphère

atmosphère

7

 

On met ainsi en évidence trois réservoirs pour lesquels les temps de séjours sont inférieurs à quelques dizaines de milliers d'années et cinq flux qui à cette échelle de temps influencent seuls ces réservoirs : ils constituent l'essentiel du cycle du carbone à court terme.

Sur le long terme les échanges de carbone entre l'hydrosphère, l'atmosphère, la biosphère sont à l'échelle du million d'années, considérés "à l'équilibre" ce qui permet de les regrouper dans un seul compartiment nommé le "compartiment superficiel". 

 

 

Cycle du carbone à court terme  Cycle du carbone à long terme
Echelle de temps Années ou milliers d'années Dizaines ou centaines de millions d'années
Taille des réservoirs Centaine ou milliers de Gt de carbone Dizaines ou milliers de millions de Gt de carbone
flux > 1Gt/an entre les réservoir superficiels < 1 Gt/an entre lithosphère et les réservoirs superficiels

Peut-on négliger l'apport de CO2 par les volcans dans le cycle du carbone à court terme et dans le cycle à long terme ?

Pour résoudre ce problème, on propose de construire un modèle avec un seul réservoir regroupant l'atmosphère, l'hydrosphère et la biosphère.

Le logiciel Vensim PLE (voir la prise en main) permet de construire un modèle simple présentant :

  • Le réservoir "système superficiel"
  • Un flux entrant : l'apport  de carbone d'origine volcanique.
  • Deux variables: la concentration atmosphérique en CO2, et variation de température. 

Il suffit alors de relier les variables en utilisant les flèches puis de renseigner les formules du modèle numérique

Réservoir
le système superficiel 
40800 Gt de Carbone 
Flux
le CO2 d'origine volcanique
 0.1 Gt/an (P Thomas)
Paramètre
concentration atmosphérique relatif
 600*Système superficiel/38600/600 
Paramètre
variation de la température

4.6*(concentration atmosphérique relatif^0.364)-4.6 (Volk, 1987)

Si c'est votre première modélisation avec des élèves, vous pourriez commencer par faire les calculs "à la main". Il nous paraît essentiel de bien fonder l'idée selon laquelle nos modèles sont des modèles numériques. Il est possible en effet de calculer manuellement l'apport de CO2 par les volcans sur 1 an, sur 100 ans, puis sur 106 années. Pour le calcul des températures c'est plus long et surtout plus difficile mais c'est possible.

La modélisation avec le logiciel Vensim permet d'afficher rapidement les courbes de variation de la quantité de carbone dans le système superficiel et de variation de la température en fonction du temps.

modèle numérique 1 compartiment

 

1compart.jpg

Résultats

En 100 ans l'apport de CO2 par les volcans est très faible et dans un cycle à court terme on peut le négliger. Par contre, en un million d'années l'apport de carbone dans le système superficiel est très important et son impact sur le climat n'est pas négligeable.

 

Si le volcanisme est une source importante de CO2  quel puits et quel compartiment faut-il ajouter à cette modélisation pour équilibrer notre modèle ?

 

La recherche des puits de carbone pourra s'appuyer sur diverses activités parmi lesquelles :

 
  • Une activité "paillasse" visant à découvrir les concepts de précipitation et de sédimentation des carbonates.
  • Des activités sont proposées par Jérome Gaillardet 
  • Pierre Thomas propose des activités à propos des calcaires Urgoniens 
  • Retrouver les principaux paramètres du milieu susceptibles d'agir sur les deux flux  :
    •  l'altération et la sédimentation 
    •  le volcanisme et le métamorphisme
 

On découvre ainsi l'existence d'un compartiment important, le compartiment des carbonates,  l'influence de l'activité tectonique sur le volcanisme/métamorphisme et l'influence de la température sur l'altération/sédimentation. On propose d'enrichir le modèle en ajoutant ce nouveau compartiment et les deux paramètres


 

 

icone_resultats.jpg

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Etape 2

Ayant découvert l'existence d'un deuxième compartiment, celui des carbonates, on propose de compléter le modèle précédent :

  • Ajouter le compartiment des carbonates et les deux flux "Altération sédimentation" et "volcanisme métamorphisme" en utilisant les informations du tableau ci-dessous.

 

Réservoir

Carbonates

 48000000 Gt de Carbone
(Caldeira, 1991)

Flux

Altération sédimentation

(70000*EXP(variation de temp/13.7))/1e+006

Flux

volcanisme métamorphisme

(70000*
(carbonates/4.8e+007)
*Activitétectonique)
/1e+006

Paramètre

carbonates
relatifs

carbonates/4.8e+007

Paramètre

Activité
tectonique

 0+variation de
l'activité tectonique

 

Variation de l'activité tectonique

 1

 

expansion1.jpg

 

Pour comprendre les mécanismes qui régissent les changements climatiques à des échelles de temps supérieures au million d’années, on peut penser à l' importance de la dérive des continents et à ses conséquences sur le taux de dioxyde de carbone, sur le niveau des océans, sur les courants océaniques et sur l’altitude des continents

Activité tectonique/altération/sédimentation

Les géophysiciens ont démontré que le taux d'expansion des océans a varié au cours du temps. Ces variations sont assez bien connues sur les cent derniers millions d'années grâce à des mesures paléomagnétiques et géochronologiques. Il était d'environ 1.8 fois supérieur à l'actuel

On cherche à comprendre comment pourrait évoluer le système si le taux d'expansion océanique augmentait ou si il diminuait. Après avoir proposé (à titre d'hypothèse) quel  pourrait en être l'impact sur le système, on propose de réaliser un test d'hypothèses en utilisant le modèle.

Dans le modèle, l'expansion océanique est égale à 1 (valeur d'aujourd'hui)

Expansion = taux d'expansion océanique au temps t /taux d'expansion océanique actuel

. Que se passe-t-il si on augmente l'activité tectonique de 1 à 2? Que se passe-t-il si elle diminue à 0.8 ? Les résultats donnés par le modèle sont-ils conformes aux hypothèses

 Résultats :

Quand l'expansion augmente, l'hydrothermalisme sous-marin augmente, le métamorphisme et le volcanisme augmente, le flux de CO2 libéré vers l'atmosphère augmente donc la température augmente . Le climat devient plus chaud et plus humide et l'altération des continents augmente.
Dans ces conditions, les quantités d'ions Ca2+ et HCO3- libérés par l'altération et arrivant dans les océans augmentent et il y a alors prolifération des organismes dans l'océan et sédimentation de quantités croissantes de carbonates.

 Ce document "estimation des volumes de roches carbonatées et de roches volcaniques produits depuis le cambrien" d'après Alexandr Borisovich Ronov, montre bien que lorsque le volume de laves volcaniques augmente, le volume de carbonates déposés augmente excepté au Jurassique.

 


expansion2.jpg

 

 

icone_volc-carbonate.gif

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Activité tectonique/température/niveau des océans/

  • Quelle est l'influence de l'activité tectonique sur le niveau marin ?

Après avoir proposé (à titre d'hypothèse) quel pourrait être l'impact des variations de la tectonique sur le niveau marin, on propose de réaliser un test d'hypothèses en utilisant le modèle.

  • Ouvrir le modèle :modèle numérique 2compartiments-niveau marin

  • Faire tourner ce modèle dont l'activité tectonique est égale à 1 sur les 600 derniers millions d'années, ce qui correspond à une activité tectonique constante et égale à celle d'aujourd'hui. run.gif

  •  Que constatez-vous ? (quantité de carbone atmosphérique, variation de température, niveau marin )

icone_niveau_marin1.jpg

Agrandir l'image 

 

  • Dans la barre d'outils cliquer sur équations niveau marin2.jpg, puis sur Activité tectonique

  • Remplacer l'équation du look up qui correspond à une activité tectonique = 1 (valeur actuelle) par les valeurs suivantes extraites d'une banque de données. Il est possible de faire un copier coller

([(1,0.8)-(8e+008,2)],(0,1),(5e+007,1),(1e+008,1.6),
(1.2e+008,1.5),(1.817e+008,1.51579),
(2.165e+008,1.48421),(2.495e+008,1.48421), (2.569e+008,1.19474),(2.752e+008,1.18421),
(2.904e+008,1.23684),(4.205e+008,1.16842),
(4.681e+008,1.17368),(4.754e+008,1.49474), (5.029e+008,1.45263),(5.23e+008,1.45263),
(5.414e+008,1.41579),(5.798e+008,1.12632),
(6e+008,1),(7.90214e+008,1) 

niveau marin3.jpg

  • Que constatez-vous ? 
  • Comparer avec les résultats obtenus par  Fisher.
  • Quels sont les principaux paramètres qui interviennent sur les variations du niveau des océans ? et comment peuvent-ils être reliés à l'activité tectonique ?

Principaux paramètres :

  • La dilatation thermique de l'eau
  • La formation ou la fonte des calottes polaires
  • Le volume des dorsales

Lorsque l'activité des dorsales augmente, le CO2 libéré dans l'atmosphère augmente, la température augmente également, d'ou la fonte des calottes polaires et la dilatation thermique de l'eau. Et inversement..

Ces courbes mettent en évidence une relation entre la vitesse de l'expansion océanique et les variations du niveau marin. La vitesse moyenne de l'expansion océanique varie au cours du temps et lorsqu'elle est importante, le niveau de la mer est élevé.

Il n'est pas possible avec ce modèle d'illustrer les variations du niveau marin et le volume des dorsales.

niveau marin4.jpg

 

niveau marin.gif

Relations entre vitesse d'expansion océanique et niveau eustatique d'après Fischer 1984

Le globe terrestre peut être représenté avec quatre enveloppes externes et chacune de ses enveloppes (atmosphère, hydrosphère, biosphère, lithosphère) constitue un réservoir de carbone. Ces réservoirs sont liés entre eux par des échanges permanents ou flux de carbone.

Contacter l'auteur :

Marie-José Broussaud