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TP fluxbiosphère

 

Activités"paillasses"

 

Evaluation des flux de carbone (photosynthèse et respiration) entre la biosphère et le milieu extérieur (eau ou air) à différents niveaux : au niveau cellulaire, au niveau des organismes, au niveau d'un écosystème (Fluxnet) et au niveau de la planète Terre (WCDGG).

 

Mesures du flux de carbone (photosynthèse et respiration) au laboratoire.
  • Expériences proposées par l'Université de Jussieu 
  • Mesure de l'intensité de la photosynthèse ou de la respiration à différents niveaux :Etudes classiques utilisant l'expérimentation assistée par ordinateur : mesure de la concentration en CO2 (sondes spécifiques) en fonction de facteurs du milieux (lumière, température, CO2 ...). Cette étude permettra de justifier l'existence de boucles de régulation dans les modèles. Si expérimentalement, on montre que l'augmentation de la concentration en CO2 stimule la photosynthèse... on en déduira que dans le modèle, le flux de la photosynthèse pourra ne pas être constant. On en déduira que les émissions des GES d'origine anthropique seront atténuées par la séquestration accrue de carbone dans la biomasse. On pourra vérifier à l'aide du modèle que la biosphère atténue les effets anthropiques.
  • Intensité respiratoire du sol : respiration/fermentation du sol (sol forestier - sol prairial - sol de grande culture avec ou sans labour.  
 
 
 
 
 

Intensité respiratoire et intensité de la photosynthèse à différents niveaux : organites (suspension de chloroplastes et de mitochondries - réaction de Hill) - cellules (Levures ou Euglènes) - organes (feuilles) - organismes (plant de géranium) - ensemble d'êtres vivants (mini-serre avec couverture végétale et sol). 

 

Exploitation de mesures effectuées sur le terrain et disponibles dans la banque de données Fluxnet.
 
Le travail s'effectue à partir des données Fluxnet

Elles correspondent aux mesures réalisées au niveau de différents écosystèmes (toundra, forêt boréale, forêt tropicale, prairies etc.). Chaque site est géoréférencé (latitudes -S et +N ; longitudes - pour l'ouest et + pour l'est du méridien de Greenwich).
 

Démarche possible :

Ouvrir la page de consultation des données Fluxnet,

Choisir un écosystème (forêt boréale, forêt tempérée, forêt tropicale, prairie, toundra etc. prendre en compte la localisation géographique du site (latitude et longitude).

Sélectionner un paramètre à partir de la liste proposée (la liste peut varier d'un site à l'autre en fonction de l'équipement de la station). Les paramètres sont nombreux, on retiendra : CO2 concentration en CO2 umol/mol, FC flux de CO2 umol/m2/s, SCO2 flux de stockage du CO2 en umol/m2/s, RE Respiration de l'écoystème en ummol/m2/s, GEE Echanges bruts au niveau de l'écosystème en umol/m2/s, NEE Somme des échanges nets de l'écosystème gC/m2/unité de temps (seconde, jour, semaine, mois, année)

Choisir une période d'étude (1 jour, 1 semaine, 1 mois, 1 année ou plusieurs années).

Les données sont fournies sous forme graphique : un graphique pour un paramètre en fonction du temps ou un graphique mettant en relation 2 paramètres choisis dans la liste (Flux de carbone en fonction de la température par exemple).


Pistes de recherche avec des élèves :

On pourra rechercher les paramètres susceptibles d'intervenir dans les échanges de carbone entre la biosphère et l'atmosphère : PREC (précipitations en mm), TA ou TS (température de l'air ou du sol à différentes hauteurs ou à différentes profondeurs), humidité du sol, WD ou WS (Direction du vent ou Vitesse du vent), l'éclairement (PAR pour les radiations incidentes du visible - APAR pour la quantité de lmière interceptée - PPDF pour la densité du flux de photons utiles à la photosynthèse - RR ou RG pour les radiations réfléchies ou les radiations globales - la situation géographique de l'écosystème (on pourra comparer les résultats de 2 écosystèmes pour un paramètre : Flux de séquestration du carbone SCO2 pour la forêt boréale et la forêt tropicale).

Les données sont toutes téléchargeables au format csv.

Exemple de recherche :

Choisir un écosystème forestier "Great Monutain Forest of Connecticut (lat 41,9667 long -73,2333), sélectionner l'option "Graph of variable vs Time", choisir la variable FC CO2 umol/m2/s, choisir une période (dans l'exemple ci-dessous on a choisi la période de juillet 2000).

 

Résultat : l'écosystème forestier joue alternativement le rôle d'un puits ou d'une source de carbone.

fluxnet-exemple1r.jpg   Agrandir l'image

 
Les flux potosynthétiques et respiratoires dépendent de facteurs environnementaux comme la température ou la concentration en CO2 - Une telle dépendance explique pourquoi, nos modèles comportent des boucles de rétroaction positive ou négative.

Tous les modèles comportent des boucles de rétroaction.

Instructions
Questions

Ouvir le fichier 3compart_Rétroaction_220ans.vmf

Lancer la simulation en cliquant sur l'icône run.gif

Sélectionner la page 1-Modèle de référence.

Etudier le modèle de référence

  • Comment a varié la température globale entre 1780 et 2000?
  • Au cours de la même période, comment a varié la concentration en CO2?
 

Peut-on prévoir l'impact l'augmentation de la pCO2 ou de la température sur les échanges gazeux (photosynthèse et respiration)?

 
    • On propose de mesurer l'influence de la température ou de la concentration en CO2 sur les échanges gazeux chlorophylliens ou respiratoires.
       
      • On réalise plusieurs expériences (type EXAO par exemple),
      • On mesure l'intensité de la photosynthèse d'un végétal chlorophyllien aquatique dans différents milieux :
        • Milieu dont on fait varier la concentration en HCO3- (milieu initial dépourvu de HCO3- eau bouillie par exemple - injection de x ml de solution de NaHCO3 à 50g/l ),
        • Milieu dont on fait varier la température : de 5°C à 35°C.
        • On montrera que :
          • La concentration en CO2 du milieu extérieur influence l'intensité de la photosynthèse : en absence de CO2, la photosynthèse est bloquée - l'intensité de la photosynthèse augmente lorsque la concentration en CO2 augmente (effet fertilisant du CO2).
          On prévoit que l'augmentation de CO2 d'origine anthropique pourra stimuler la photosynthèse améliorant la quantité de carbone qui sera séquestrée par la biosphère.
           
          • La température stimule la photosynthèse.
          On prévoit que le réchauffement climatique lié à l'augmentation de CO2 pourra stimuler la photosynthèse améliorant la quantité de carbone qui sera séquestrée par la biosphère.
           
          • Dans ces 2 cas, on prévoit que la biosphère atténuera l'impact des émissions anthropiques de CO2.
          On découvre l'existence d'une boucle de rétroaction négative.
      • Oui mais, on pourra montrer expérimentalement, l'impact de la température sur la respiration, notamment la respiration du sol.
        • On mesure l'intensité de la respiration d'un sol forestier (riche en matière organique à forte activité biologique) en fonction de la tempértaure (de 0°C à 35°C). On montre que l'élévation de la température stimule l'intensité de la respiration du sol et donc la libération de carbone sous forme de CO2.
      On prévoit que le réchauffement climatique lié aux émissions anthropiques en stimulant la respiration dans les sols va favoriser l'augmentation du CO2 atmosphérique et donc le réchauffement ... on découvre ici une boucle de rétroaction positive.
       
      • A ce stade de la recherche, on montre que les émissions de CO2 d'origine anthropique pourront avoir 2 effets antagonistes :
        • Une augmentation de la séquestration du carbone dans la biomasse végétale grâce à la photosynthèse (rétroction négative),
        • et une augmentation de la libération de carbone du sol vers l'atmosphère grâce à la respiration (rétroaction positive).
        Qui, de la rétroaction positive ou de la rétroction négative va l'emporter?
         
  • On propose d'utiliser le modèle pour résoudre le problème

Sélectionner la page 2-Impact de la pCO2 sur le cycle du C.

Faire varier la concentration en CO2 à l'aide de la barre de défilement et répondre aux questions.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Comment varie le flux photosynthétique lorsque la concentration en CO2 augmente? lorsqu'elle diminue?

 

Le modèle : un outil de prédiction

 

Si la concentration atmosphérique en CO2 augmente, alors l'intensité de la photosynthèse va ................ ce qui aura pour conséquence une ............. de la concentration atmosphérique en CO2.

 

Le modèle est régulé

 

En simplifiant à l'extrême notre modèle, on peut le représenter ainsi.

 

cycle1.gif

 

Expliquer pourquoi les scientifiques parlent de rétroaction négative de la concentration en CO2 sur le cycle du Carbone.

 

Compléter ce schéma en plaçant une flèche avec le signe - indiquant cette action.

Sélectionner la page 3-Impact de la T°.

Faire varier la température globale dans les proportions notées précédemment .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Quitter Venread.

 

Dans quel sens et de combien varie la concentration atmosphérique en CO2 lorsque la température globale augmente?

 

Comment expliquer cette variation au niveau du cycle du Carbone? Noter le sens de variation et l'amplitude de varaition des échanges gazeux respiratoires avant de conclure.

 

Le modèle : un outil de prédiction

 

Si la température globale augmente, alors l'intensité de la respiration va augmenter/baisser plus vite/moins vite que la photosynthèse ce qui aura pour conséquence une augmentation/baisse de la concentration atmosphérique en CO2 provoquant une baisse/augmentation de la température globale.

 

Le modèle est régulé

 

Expliquer pourquoi les scientifiques parlent ici de rétroaction positive de la Température sur le cycle du Carbone.

 

Compléter le schéma ci-dessous pour faire intervenir cette action de la température sur le cycle du carbone.

cycle2.gif

Bilan : Les émissions de CO2 ont deux effets : une augmentation de la température d'une part, une augmentation de la concentration atmosphérique en CO2. Ces augmentations auront pour conséquence une libération de CO2 à partir des sols... ce dégazage est important dans les sols gelés de type permafrosts.