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Modélisation des variations du niveau marin à partir de données de terrain

 

 Objectifs de l'activité

Donner des pistes de travail nouvelles autour des données du delta18O et son intérêt en géologie.

Aborder la notion de modèle avec les élèves : construction et critique

On peut envisager deux approches de la modélisation avec les élèves :

 

Approche

Critiques

1. Utiliser un modèle simple que vont construire les élèves La construction est chronophage mais le modèle est plus compréhensible puisqu'il est construit pas les élèves eux-mêmes
2. Utiliser un modèle plus complexe déjà construit des simulations Le modèle est difficilement "décorticable" par des élèves du secondaire mais facilement introduit dans un séquence de classe.

 

Prérequis : La nature des données utilisées

 

Utilisation des mesures réailisées sur des foraminifères benthiques

ODP677

Accéder au fichier .xls

 

La composition isotopique des carbonates dépend de la température de l'eau et de la composition isotopique de l'eau de mer au moment de leur précipitation.

 Les foraminifères benthiques vivent au fond de l'eau où la température est peu variable. Ils sont donc un reflet de la composition de l'eau de mer au moment de leur précipitation.

 Utilisation des mesures réalisées dans les  glaces.  Graph jouzel  
 

Les variations du rapport isotopique des glaces sont un fonction linéaire de la température.

En prenant comme références l'actuel, on peut calculer les variations de de température. Le &18O est utilisé ici comme un paléothermomètre.

 

 

Principe

Construire un modèle avec les élèves des variations du niveau marin au cours des derniers 21 000 ans. Cette activité selon les choix du professeur, pourra comprendre la construction d'un ou deux modèles : celui de l'influence de la fonte des glaces sur le niveau marin et celui de l'influence de la dilatation thermique.

A partir des données de  terrain (évoquées plus haut) et d'équations, on construit en utilisant le logiciel Vensim un modèle à compartiments. Les résultats du modèle sont ensuite confrontées aux données de terrain pour analyses et critiques.         

principe.jpg

Agrandir l'image

 

Construction du modèle des variations glacio-eustatiques du niveau marin

 

  • Données, équations et construction du modèle.

 Les données pour la construction du modèle

 

ODP677.jpg
 

Le &18O des foraminifères benthiques des sédiments océaniques du forage ODP 677 de -21000  à 6000 ans.

Données à sélectionner dans le fichier .xls

 

  Les données nécessaires à la validation du modèle

 

coraux_barbade.jpg
 

Les variations du niveau marin déduites de l'étude des plateformes coralliennes fossiles par forage et datation au 14C.

Fichier .xls des données

 

Les équations utilisées dans le modèle

Comment lier le &18O des foraminifères benthiques, les variations du volume des glaces et les variations du volume des océans ?                   

equations_volumeglaces.jpg

Comment lier les variations du volume des océans et les variations du niveau marin ?

 variation_vol_niveau.jpg


 

 La construction du modèle avec le logiciel Vensim

Prise en main du logiciel Vensim

 

contruction1.jpg

La première étape consiste à mettre en place les réservoirs impliqués dans les variations glacio-eutatiques du niveau marin.

 

contruction2.jpg

La deuxième étape relie les réservoirs entre eux par un flux.

 

contruction3.jpg

La sortie, le calcul effectué par le modèle concerne les variations du niveau marin. On ajoute donc cette sortie du modèle.

 

contruction4.jpg

Les données introduites dans le modèle sont la variation du Delta18O par rapport à l'actuel des foraminifères benthiques. L'entrée du modèle est créée en ce sens pour injecter les données dans le calcul des variations du niveau marin  niveau marin.

 

modl018_2.jpgAgrandir l'image

Lorsque l'ossature du modèle est construite, il reste à rentrer la valeur initiale des réservoirs ainsi que l'équation qui va permettre de transformer les données du D180 en flux d'eau entre le reservoirs "glaces" et le réservoir "océan" et celle qui permettra de transformer ce volume d'eau supplémentaire en variations enstatiques.

 

Ici une image du modèle construit et mis en forme, la courbe bleue correspond au calcul effectué par le modèle et la courbe rouge aux données fournies par l'étude des recifs coralliens fossiles de la Barbade. Les courbes ne coincident pas exactement, c'est un modèle simple donc perfectible. C'est une étape qu'il ne faudra pas négliger avec les élèves, la critique du modèle faisant partie à part entière de la démarche.

 

  • Mettre en pratique avec des élèves

 

Il est possible avec des élèves, si c'est le premier modèle construit avec ce logiciel, de les guider dans la construction à l'aide d'un vidéoprojecteur ou de leur fournir dans un travail plus autonome un document type fiche technique d'utilisation du logiciel.

Pour simplifer le travail et le rendre réalisable dans un séance de cours, nous proposons au téléchargement un modèle préconstruit :

  • la mise en forme est réalisée et un espace de construction élève du modèle est laissé vide.
  • les données de validation sont prérentrées, la courbe rouge c'est à dire les variations du niveau marin selon les couraux s'affichera sur le graphique, lorsque l'élève aura construit son modèle la courbe bleue résultant des calculs viendra se superposer aux données de terrain.
  • Composé de plusieurs pages cachées, la correction du modèle sera consultable lorsque le professeur donnera cette possiblité aux élèves.
 

 

modelepreconst.jpgAgrandir l'image

L'espace laissé vide correspond à l'espace de travail élèves.

 

En bas à gauche, de petites flèches offrent la possibilité de changer de pages et d'accèder à la correction.

 

Télécharger le modèle

 

Télécharger un document d'accompagnement utilisé pour un stage de formation

 

 

 

Influence dilatation thermique des océans sur le niveau marin

Les données pour la construction du modèle

 

Le &18O de la glace pour les derniers 21000 ans est ici utilisé comme données d'entrée du modèle. Ces données proviennent d'un forage réalisé au Groenland (GISP 2).

Les données au format .xls

Les équations utilisées dans le modèle

Comment liés le  &18O des  glace et les variations de températures?

 

equation_paleoth.jpg

 

Comment liés les variations de températures et les variations du niveau marin ?

equat_dilat.jpg

Faire déterminer aux élèves le coefficient de dilatation thermqiue de l'eau.

equat_mesu_dilat.jpg

La construction du modèle avec le logiciel Vensim

Prise en main du logiciel Vensim

Plus qu'un véritable modèle à compartiments comme dans la construction précédente, on construit plutôt ici une chaîne de calcul : avec l'avantage d'avoir une réprensation  claire des liens logiques entre les données et les résultats ainsi que  des  résultats sous forme de graphiques.

De la même manière que précedemment, lorsque que les variables sont mises en places, les équations doivent être introduites dans le modèle pour les relier mathématiquement.

  

modldilat_1g.jpgAgrandir l'image

Les données du &18O des  glaces constituent les données d'entrée, les variations du niveau marin la sortie calculée du modèle. Deux équations opèrent le lien entre les données entrées et les sorties calculées :

-l'équation de transformation du signal isotopique en T°

-l'équation de transformation des variations de température en variations du niveau marin.

 

Télécharger le modèle construit (en page 3)

 

Utiliser un modèle complexe en mode simulation

 

Le modèle présenté ici est trop complexe pour être construit par des élèves, il peut cependant être utilisé pour réaliser des simulations. Il s'agit d'un modèle de fractionnement isotopique de l'oxygène dans l'océan qui calcule les conséquences sur le &18O  d'un scénario de fonte imposé par la simulation et son influence sur les variations du niveau marin.

L'élèves simule un scénario de fonte et observe les conséquences sur l'évolution du &18O des océans et sur le niveau de la mer. Le résultat de la simulation est comparée sur un même graphique aux données de terrain permettant de soumettre la conformité du scénario envisagé avec les données mesurées. C'est une modélisation inverse ou le modèle est utilisé pour retrouver les données de terrain. 

 

modèle_fonte.jpgAgrandir l'image

Avec le modèle , on peut donc ajuster la quantité de glace à faire fondre pour expliquer la variation du delta18O des océans.

 

Pour en savoir plus sur ce modèle

Quelques liens d'intérêt

 

Version dite PLE, gratuite et téléchargeable sur le site de la société editrice Ventana. Cette version amputée de quelques fonctionnalités permet de construire des modèles avec les élèves. Un version READER permet la lecture des modèles.

Un prise en main du logiciel Vensim.

Les données delta18O au format .xls du sont disponibles sur le site Biotic de l'INRP.

 Le site planet-terre ENS-Lyon pour le TD de Gilles Delaygue sur la dernière déglaciation et l'étude des informations fournies par les coraux.