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Etape2

Au cours de cette étape on propose de tester l'hypothèse du puits biosphérique (un autre groupe pourrait tester l'hypothèse du puits océanique). L'élève va rechercher les preuves de l'existence d'échanges entre l'atmosphère et la biosphère et ceci à différents niveaux : au niveau planétaire (la BDD WDCGG), au niveau des écosystèmes (la BDD Fluxnet) et au niveau de l'organisme (l'expérimentation au laboratoire). Dans un deuxième temps, Il va utiliser et découvrir le modèle du chercheur : ce modèle du cycle du carbone prend en compte l'hypothèse du puits biosphérique. Ce modèle comporte 3 compartiments : atmophère, biosphère et sols. Les flux qui sont impliqués sont : la photosynthèse et la respiration. En mode simulation l'élève va évaluer le rôle de la biosphère dans l'atténuation des GES d'origine anthropique. Pour tester l'hypothèse du puits océanique, le modèle s'enrichit de 2 autres compartiments, l'océan de surface et l'océan profond. Les résultats calculés par ce modèle se rapprochent des valeurs mesurées ce qui conforte l'idée d'un puits océanique pour le carbone. Le modèle du cycle du carbone est utilisé pour prévoir les climats du futur. On introduit alors une nouvelle notion, la notion de scénario (les scénarii du GIEC).

Quel est le devenir du carbone d'origine anthropique à la surface de la planète?

L’apport de Carbone lié à la combustion des carburants fossiles n’est pas négligeable :

  • 64 Gt entre 1991 et 2000;
  • 283 Gt de C depuis 1780 pour un réservoir de 600 Gt.

    ... du CO2 disparaît de l’atmosphère.

... Il existe des phénomènes d ’atténuation dont il importe d ’évaluer l ’importance.

Deux hypothèses :

  • La biosphère végétale grâce à la photosynthèse pourrait être impliquée dans ce phénomène d’atténuation : on sait en effet que les végétaux chlorophylliens absorbent du CO2 pour effectuer la photosynthèse.
  • Les océans pourraient aussi être impliqués dans la séquestration du carbone car le CO2 est très soluble dans l'eau.
Pour résoudre ce type de problème, le scientifique utilise des modèles : on propose d'utliser le modèle du chercheur.

1- Rechercher les preuves d'échanges entre l'atmosphère et la biosphère

On propose de chercher les preuves d'échanges de carbone entre l'atmosphère et la biosphère à différentes échelles du vivant:

  • Au niveau de l'organisme : l'étude de la photosynthèse et de la respiration prendra en compte le facteur CO2 grâce à l'utilisation d'une sonde à CO2 (cette étude a pu être faite à l'occasion du thème "autotrophie hétérotrophie" en début d'année). On pourra montrer que les végétaux chlorophylliens placés à la lumière consomment du CO2 pour assurer la photosynthèse, plongés à l'obscurité, ils produisent du CO2 c'est la respiration... Donc de CO2 circule entre l'organisme végétal et l'atmosphère mettant en jeu 2 phénomènes, la respiration et la photosynthèse.

Travail demandé : On demande à l'élève de réaliser des expériences assitées par ordinateur visant à montrer que le CO2 atmosphérique circule normalement entre les deux compartiments, le milieu de vie et le végétal. Montrer que cette circulation correspond à deux flux : la respiration d'une part, la photosynthèse d'autre part.

Eventuellement, on demande de montrer que l'intensité des flux dépendent des facteurs du milieu : on étudiera le facteur "lumière" et le facteur "température"

  • Au niveau des écosystèmes : l'élève va pouvoir consulter la banque de données d'écophysiologie Fluxnet.

Le réseau Amériflux fournit des données graphiques consultables en ligne (Consulter la base de données Ameriflux).

Travail demandé : On demande de choisir un écosystème comme par exemple "TAPAJOS National Forest", puis d'étudier comment varie la teneur en CO2 atmosphérique au-dessus de l'écosystème : l'option "graph of variable vs time", le paramètre CO2 CO2 umol/mol (ou le paramètre FC CO2 flux (umol/m2/s), la durée : étudier l'évolution sur une journée, une semaine, un mois en été et en hiver, une année.

L'élève devra analyser et interpréter les résultats et préciser si la biosphère joue le rôle d'un puits ou d'une source pour le CO2? L'élève devra préciser sa réponse en fonction de l'heure de la journée, de la saison, de la température, du type d'écosystème etc.

  • Au niveau planétaire : l'élève va pouvoir consulter la banque WCDGG.

Consulter la banque de données internationales du réseau WDCGG http://gaw.kishou.go.jp/cgi-bin/wdcgg/catalogue.cgi

Consulter les mesures des teneurs en CO2 de plusieurs sites

Travail demandé : On demande à l'élève de comparer 2 sites situés dans l'hémisphère Nord à différentes latitudes : exemple le site Norway (dans l'arctique) ou le site Mauna Loa (dans l'océan Pacifique) puis de comparer 2 sites situés à la même latitude (approximativement) l'un étant choisi dans l'hémisphère nord (Mauna Loa par exmple) l'autre dans l'hémisphère sud (l'île française Crozet entre l'Afrique et l'Antarctique).  

On pourra utiliser le fichier crozet_maunaloa.xls et préciser comment évoluent les teneurs en CO2 atmosphériques au cours du temps? Montrer bien l'existence de deux variations : une variation annuelle et une autre pluriannuelle.

BILAN : on pourra demander à l'élève de construire un schéma représentant 2 compartiments, l'atmosphère et la biosphère et 2 flux, le flus lié à la photosynthèse et le flux lié à la respiration...


2-Découvrir le modèle du chercheur :

Pour travailler en local télécharger le fichier : 3compart_anthropique_220ans.zip

Pour tester la première hypothèse ("la biosphère pourrait être un puits pour le carbone"), le chercheur utilise un modèle qui décrit le comportement du carbone : 3compart_anthropique_220ans.vmf

Instructions
Questions

Voir le modèle qui comprend trois compartiments : l'atmosphère, la biosphère et le sol.

Ouvrir le fichier : 3compart_anthropique_220ans.vmf

Image du modèle à 3 compartiments

Remarque : Le fichier ouvre 2 modèles :

  • le modèle simple construit lors de la première étape (noté modèle 2) avec 1 compartiment, le compartiment atmosphérique.
  • le modèle avec le compartiment biosphérique et le sol (noté modèle 1).

On propose de comparer les 2 modèles.

Remarque :

Le modèle du chercheur fait intervenir 2 flux, le flux lié au volcanisme (estimé à 0,1Gt de C/an) et le flux lié au ruissellement (de la matière organique est exportée par les cours d'eau et se dépose dans les sédiments... on découvre ici une entrée dans un autre compartiment, le compartiment lithosphérique).

Remarque :

Le modèle du chercheur fait intervenir d'autres éléments (des boucles de régulation). On a dissimulé ces éléments (en blanc sur notre modèle), nous n'en tiendrons pas compte à ce stade de la démonstration.

Remarque importante :

  • Le modèle importe les valeurs mesurées sur le terrain (en bleu sur le modèle). Ces valeurs sont contenues dans une feuille de calcul Excel.
  • Le modèle calcule, année après année, sur la période 1780-2001, le devenir du carbone.Les valeurs calculées (encore appelées modélisées) sont représentées en rouge sur le modèle. Connaissant la quantité de carbone présent dans le compartiment atmosphérique (en Gt de C), le logiciel calcule la concentration notée pCO2. Le CO2 est responsable d’environ 65 % de l’effet de serre. Le forçage radiatif du CO2 est évalué à 1,4W/m2. Le logiciel calcule (chaîne de convertisseur) la variation de température liée à la variation de la pCO2 puis la température.

 

Analyse du modèle du chercheur, le modèle 2

Un modèle numérique à compartiments :

  • Légender le modèle du cycle du carbone en utilisant le schéma fourni
    • Les rectangles symbolisent les compartiments qui contiennent du carbone,
    • Les losanges représentent l'état du compartiment en 1780 : c'est l'état initial.
  • Le modèle est un modèle numérique : les compartiments contiennent du carbone.
    • Sélectionner un compartiment puis cliquer sur Table sous Vensim et relever la valeur (l'unité est fournie dans une info bulle).
    • Reporter sur le schéma la quantité de carbone présent dans chaque compartiment.
    • Préciser sous quelle forme se présente le carbone dans chaque compartiment : l'atmosphère, la biosphère et le sol.

Un modèle dynamique avec des flux entre les compartiments:

  • Les compartiments sont reliés par des flèches Flux sous vensim qui représentent le sens d'écoulement du carbone d'un compartiment à l'autre.
  • Nommer les mécanismes biologiques impliqués dans les échanges de carbone entre la biosphère et l'atmosphère.
  • Le flux entre "le sol et l'atmosphère" correspond à la respiration des êtres vivants du sol.
    • Rappel : présentation d'un protocole expérimental visant à montrer que le sol est un "milieu biologique" qui respire.

Un modèle qui décrit un cycle :

  • A l'aide d'un texte d'ampleur limité, décrire le parcourt d'un atome de carbone "à travers le modèle".
  • Conclure en expliquant pourquoi on parle de cycle du carbone

 

 

 

 

Explorer le fonctionnement du modèle en mode simulation

Lancer la simulation en cliquant sur l'icône bouton simulation

 Chaine de convertisseur sous Vensim

Quitter Vensim Model reader.

Analyse des résultats de la simulation

  • Le modèle a été fabriqué en considérant que la situation de 1780 était une situation d'équilibre entre les compartiments. Comment cela se traduit-il au niveau de la concentration en CO2?
  • A l'aide du graphique, comparer les concentrations atmosphériques en CO2 calculées par le modèle 2 (courbe bleue) aux valeurs calculées par le modèle 1 (courbe rouge). Les différences constatées peuvent-elles s'expliquer par le rôle de puits tenu par les compartiments biosphérique et sol?
  • Pour valider votre interprétation, observer comment évoluent les compartiments "biosphère" puis "sol". Pour cela sélectionner chaque compartiment puis cliquer sur l'icône représentant un graphe (barre d'outils située à gauche de l'écran). Confirmer la conclusion en observant le bilan des 2 compartiments "BiosphèreLitièreSol".

 

 

 

 

Répondre au problème posé : La biosphère a-t-elle joué le rôle d'un puits vis-à-vis du carbone?

2- Cycle du carbone complet présentant un puits biosphérique et un puits océanique :

Pour travailler en local télécharger le fichier 5compart-atm-bio-sol-oce_220ans.zip

Voir le modèle du chercheur : 5compart_atm-bio-sol-ocea_220ans.vmf

  • Analyser le modèle en légendant le document fourni.
  • Lancer la simulation et analyser les résultats présentés dans la page 2 du modèle:
    • Comparer les valeurs mesurées aux valeurs calculées par le modèle pour 2 paramètres, la température d'une part, la concentration en CO2 d'autre part.
    • Conclure.
  • On propose d'utiliser le modèle à des fins de prédiction. Quitter Vensim puis lancer 5compart_atm-bio-sol-ocea_XXIsc.vmf

  • Le modèle à 5 compartiments est modifié : la durée est prolongée (1780 à 2100), à partir de 2005, les émissions anthropiques de CO2 sont des émissions estimées par les experts du GIEC, l'estimation prend en compte un scénario socio-économique, le scénario B1. 5compart_atm-bio-sol-ocea_XXIsc.vmf. Le modèle est instable... on touche là la limite de notre modèle. Pour aller plus loin, on propose d'exploiter les modèles du chercheur en ligne sur Internet, le modèle Java Climat Model.

Le modèle du chercheur permet-il de prévoir l'évolution du carbone atmosphérique ainsi que l'évolution du climat?

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