Formation Tice IPR de SVT

Modélisation du cycle du carbone et impacts climatiques (Jacques Barrère et Thierry Lhuillier)

Résumé :

Les programmes de SVT de seconde et de l'enseignement de spécialité de terminale S, ont pris en compte l'étude du cycle du carbone dans l'optique de son implication dans les changements climatiques.  Une telle étude, à différentes échelles de temps, intègre les deux disciplines, biologie et géologie à travers les échanges de carbone entre les différentes enveloppes de la planète : atmosphère, biosphère, hydrosphère et géosphère. De tels échanges mettent en jeu des concepts biologiques comme la photosynthèse, la respiration ou la fermentation, ainsi que des concepts géologiques comme le magmatisme, l'érosion ou la sédimentation etc.

Pour pouvoir étudier les flux de carbone au niveau de la planète Terre dans l'optique des changements climatiques passé, présent et futur, la modélisation numérique est un outil incontournable. L'exercice est complexe mais les incertitudes se réduisent.

En classe de seconde, le point de départ de la modélisation repose sur la résolution d’un problème d’actualité concernant les causes du réchauffement climatique actuel : « La quantité de carburants fossiles utilisés par l’homme depuis le début de la révolution industrielle est-elle suffisante pour expliquer le réchauffement climatique observé ? »

Pour résoudre ce problème, nous nous appuyons sur les données scientifiques maintenant disponibles sur les banques de données internationales : les données consensuelles des consommations anthropiques de carburants fossiles mais également les variations des paramètres climatiques sur cette période (Température globale et concentration atmosphérique en CO₂ en particulier).

Un calcul simple permet de montrer que le raisonnement ne saurait se passer des mathématiques. A l’aide d’une feuille de calcul pré remplie, nous établissons le principe du calcul, nous construisons alors un premier modèle simple à l’aide du logiciel de modélisation Vensim, (modélisation numérique à compartiments). Ce travail permet de définir les bases sur lesquelles repose la modélisation : notion de compartiment, de flux, de convertisseur et de scénario. Ce premier modèle, simple par son aspect graphique, permet aux élèves de mieux appréhender le problème et surtout montre la différence profonde entre la réalité et une sortie de modèle. Porté par l’envi de mieux expliquer la réalité en réduisant les incertitudes, l’introduction de modèles plus complexes coulera alors de source. Nous utilisons en mode simulation, des modèles des scientifiques expliquant l’impact des combustions des énergies fossiles sur le climat. En mode prédictif, nous utilisons le modèle et différents scénarios du GIEC afin de prévoir les climats du futur.

A travers l’utilisation de différents modèles, se construit progressivement une vision scientifique de la complexité du cycle du Carbone, de la relation entre le cycle court et le cycle long et donc de la notion de temps, des nombreuses rétroactions positives ou négatives qui participent à la complexité du problème scientifique posé. Couplé à des activités « paillasse », ce travail permet de revisiter les grands classiques de notre enseignement (respiration, photosynthèse, fermentation) dans une vision planétaire ce qui donne une belle finalité à notre matière à l’aube du XXI^eme siècle.

Plan pour l’atelier :

Diaporama : 45 minutes

Durant cette présentation, les stagiaires pourront (Voir la fiche d'accompagnement ci-jointe):

1. Consulter les banques de données internationales en climatologie,
2. Réaliser des traitements des données en utilisant un grapheur tableur type Excel : un exercice guidé.
3. Effectuer un calcul en utilisant une feuille Excel pré remplie : une démonstration.
4. Construire un modèle à compartiments en utilisant le logiciel Vensim : un exercice guidé .
5. Suivre la démarche visant à enrichir le modèle : prise en compte des informations acquises par l'expérimentation assitée par ordinateur EXAO (photosynthèse et respiration).
6. Effectuer des simulations sur des modèles déjà construits en utilisant le visualiseur de modèles Venread (ajustement des valeurs calculées aux valeurs mesurées et validation du modèle).

Discussion : 40 minutes

1. Réflexion sur l’accessibilité des BDD et la nécessité d’un traitement utilisant les aptitudes développées dans le cadre du B2I (Excel)
2. Réflexion sur la complexité de la démarche : elle doit s’inscrire dans la continuité de la classe de seconde à la classe de terminale.
3. Réflexion sur l’interdisciplinarité.
4. Réflexion sur les rapports aux connaissances médiatisées.
5. Réflexion sur l’éducation au développement durable et sur la responsabilité du citoyen qui doit se faire sur une base de connaissance scientifique solide.
6. Réflexion sur la place du scientifique dans notre société.

Compléments : 5 minutes

1. Présentation du dossier pour l'autoformation des professeurs :http://acces.inrp.fr/acces/equipes/modelisation/travaux/CCCIC/
2. Présentation d’un dossier pour les formateurs :http://acces.inrp.fr/acces/equipes/modelisation/travaux/stages-ccic.html/