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tp_lecture-modele

Notion de modèle

Un fichier contenant 6 modèles est proposé au téléchargement :


Le fichier bilan (téléchargeable : modèles_bilan.zip) contient plusieurs modèles du cycle du carbone à court terme construits pour la période allant de 1780 à 2001.

En interrogeant ces différents modèles, vous pourrez constater que si un modèle est une simplification du réel il est perfectible ...

    • Page 1 : le premier modèle comporte un seul réservoir, le réservoir atmosphérique et un flux, les apports anthropiques de CO2 -
    • Page 2 : Le second modèle comporte deux réservoirs, le réservoir atmosphérique et le réservoir biosphérique. Le carbone circule entre ces deux réservoirs mettant en jeu deux flux, la photosynthèse et la respiration.
    • Page 3 : Le modèle s'enrichit d'un troisième réservoir le sol et d'un nouveau flux, la respiration du sol.
    • Page 4 : Toujours avec trois réservoirs, le modèle prend en compte un nouvel effet anthropique, la déforestation.
    • Page 5 : Ce modèle comporte trois réservoirs, le réservoir atmosphérique et les réservoirs hydrosphériques (océan superficiel et océan profond). Le carbone circule entre ces réservoirs mettant en jeu des flux comme la dissolution et le dégazage du carbone, la pompe biologique et le brassage océanique.
    • Page 6 : Ce modèle comporte cinq réservoirs : l'atmosphère, la biosphère, le sol et l'océan (océan de surface et océan de profondeur).
    • Page 7 : Cette page permet de comparer les résultats des différents modèles.


Clés de lecture d'un modèle du cycle du carbone :


Les  modèles sont des modèles numériques à compartiments.

Les compartiments sont reliés par des flux qui traduisent des concepts biologiques (photosynthèse, respiration) ou des concepts géologiques (volcanisme, dissolution, ruissellement etc.). Les différents compartiments (ou réservoirs ou enveloppes) peuvent se remplir ou se vider... 

Les modèles sont des modèles dynamiques et ils mettent en jeu des boucles de rétroaction. Chaque modèle calcule année après année l'état du carbone dans chaque compartiment. Les valeurs calculées (affichées en rouge) sont comparées aux valeurs mesurées (affichées en bleu).

Lors de l'exploitation d'un modèle, on pourra...

 

  1. Relever la période de validité du modèle : s'agissant d'un modèle court, il sera sans doute important de relier les données aux faits historiques connus (repérer la période avant et après la révolution industrielle - dater des évènements comme le développement de l'agriculture, des transports etc.).
  2. Faire un schéma du modèle en nommant les différents réservoirs (la schématisation devrait faciliter la mémorisation et la compréhension du cycle):
    • Préciser sous quelle(s) forme(s) se présente(nt) le carbone dans chaque réservoir (éventuellement, faire des observations directes au laboratoire afin de distinguer les différentes formes du carbone, carbone minéral ou carbone intégré dans les molécules organiques),
    • Rechercher la taille de chaque réservoir (en consultant les valeurs calculées par le modèle en Gt de C à l'instant t entre 1780 et 2001) et comparer ce résultat à la valeur initiale du réservoir. Préciser si le compartiment se remplit ou s'il se vide et rechercher les causes probables de ces changements.
  3. Repérer les flux et indiquer leur signification :
    • Préciser les mécanismes impliqués (phénomènes biologiques, phénomènes géologiques ou phénomènes physico-chimiques)
    • Noter l'amplitude des flux et leur évolution au cours du temps.
  4. Repérer les chaînes de convertisseurs et expliquer leur signification.
    • Repérer la chaîne reliant la quantité de CO2 présente dans l'atmosphère (Gt de C) à la concentration atmosphérique en CO2 (ppmv)
    • Repérer la chaîne reliant la concentration atmosphérique en CO2 (ppmv) à la variation de la température (CO2 est un gaz à effet de serre)
  5. Décrire le cycle du carbone.
    • Suivre le devenir d'un atome de carbone présent dans l'atmosphère... décrire son passage de l'atmosphère à la biosphère, de la biosphère au sol, du sol à l'atmosphère etc.
  6. Rechercher les boucles de rétroaction et comprendre comment elles fonctionnent.
    • Le flux "photosynthèse" dépend de la valeur de la concentration atmosphérique en CO2, si la concentration en CO2 augmente alors le flux de la photosynthèse va augmenter, alors la concentration atmosphérique en CO2 va diminuer... boucle de rétroaction négative.
    • Le flux "photosynthèse" et le flux "respiration" dépendent de la température globale de la planète, si la température augmente, la respiration va augmenter, alors la concentration en CO2 va augmenter alors la température va augmenter ...boucle de rétroaction positive.
Comparer les valeurs calculées(en rouge) aux valeurs mesurées (en bleu).Conclure : le modèle est-il satisfaisant? Est-il validé?


A titre d'exemple :

Etude du modèle à 3 compartiments (Page 3 du modèle) "atmosphère-biosphère-sol": 

Instructions

Questions

 

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

  • Ouvrir le fichier modeles_bilan.mdl
  • Sélectionner la Page 3 "Model3CAtmBioSol sans déforestation"

icone_model3C_bilan.jpg

Cliquer pour agrandir l'image

Remarque : Le modèle du chercheur fait intervenir des boucles de rétroaction. Nous avons estompé ces éléments (en blanc sur notre modèle), nous pourrons ne pas en tenir compte à ce stade de la découverte.

 

 

Remarque : Le modèle du chercheur fait intervenir 2 flux:

  • un flux entrant lié au volcanisme (estimé à 0,1Gt de C/an)
  • et le flux sortant lié au ruissèlement (de la matière organique est exportée par les cours d'eau et peut se déposer dans les sédiments... on découvre ici une entrée vers  un autre compartiment, le compartiment hydrosphérique puis vers le compartiment lithosphérique.

 









 

 

 

 

Analyse du modèle du chercheur

Un modèle numérique à compartiments :

  • Reproduire sur votre cahier (en le simplifiant) le modèle du cycle du carbone. Noter le titre et les légendes.
    • 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.jpgl'onglet "table" et relever la valeur (l'unité est fournie dans une info bulle).
    • Reporter sur le schéma la quantité de carbone présente dans chaque compartiment.
    • Préciser sous quelle(s) forme(s) se présente le carbone dans chaque compartiment : l'atmosphère, la biosphère et le sol.
      • On pourra faire une recherche de quelques éléments chimiques contenant le carbone et présents dans chaque compartiment.

Un modèle dynamique avec des flux entre les compartiments:

  • Les compartiments sont reliés par des flèches flux.gif 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.
    • Si les notions ne sont pas acquises, il faudra envisager une approche expérimentale au cours de laquelle on découvrira les échanges de carbone liés à la photosynthèse ou à la respiration (voir illustration). On replacera ainsi photosynthèse et respiration au niveau global.
  • Le flux entre "le sol et l'atmosphère" correspond à la respiration des êtres vivants du sol.
    • On pourra proposer un protocole expérimental visant à montrer que le sol est un "milieu biologique" qui consomme (on parlera de décomposition) de la matière carbonée. Le sol respire (observation de la faune du sol ... respiration d'un sol témoin - du sol stérilisé etc.)

Le carbone circule en empruntant un cycle plus ou moins complexe :

  • A l'aide d'un texte d'ampleur limité, décrire le parcours d'un atome de carbone "à travers le modèle". Comparer cette circulation lorsque le carbone est stocké dans un grain de blé ou lorsqu'il est stocké dans la paroi pecto-cellulosique d'une cellule du xylème d'un chêne.
  • Définir la notion de "cycle du carbone".
 

Explorer le modèle en fonctionnement

Lancer la simulationrun.gif

Remarques importantes :

  • Le modèle importe les valeurs mesurées sur le terrain (en bleu sur le modèle). Ces valeurs sont contenues dans la feuille de calcul Excel. Si la simulation ne s'exécute pas, vérifier dans le menu de venread que l'option... Row a bien la valeur L.
  • 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 modèle calcule la concentration atmosphérique en CO2 exprimée en ppmv.
  • Le CO2 étant responsable d’environ 65 % de l’effet de serre, le forçage radiatif du CO2 étant évalué à 1,4W/m2, le modèle calcule (en utilisant une chaîne de convertisseurs) la variation de température liée à la variation de la concentration atmosphérique en CO2 puis la température globale de la planète.

convertisseur1.jpg

 

Analyse des résultats de la simulation

Le modèle de référence

 

  • Le modèle a été construit 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 valeurs calculées par le modèle aux valeurs mesurées. Comment expliquer les différences.
  • Une partie du carbone anthropique a disparu de l'atmosphère. Une partie du carbone qui a disparu s'est -il accumulé dans la biosphère et dans le sol?


Équipe INRP de l'académie d'Orléans-Tours.