Activité 3 : Rôle de la Biosphère

I- La biosphère peut-elle jouer le rôle de puits? L'approche expérimentale à travers les activités paillasses...

 Réalisation d'une expérience visant à mettre en évidence les flux photosynthèse et respiration:

Recherche collective d'un protocole visant à mesurer les flux de CO2 échangés entre le végétal et l'atmosphère -  discussion.
Réalisation d'une manipulation :
Géranium en pot enfermé dans un sac plastique transparent, soit uniquement la partie aérienne, soit la plante avec son pot (avec ou sans litière)

Mesurer les échanges gazeux (CO₂ en utilisant une sonde IR sur 10 minutes) en changeant les conditions : lumière ou obscurité (5 minutes à la lumière puis 5 minutes à l'obscurité).
Comparer les deux courbes, rechercher une possibilité  de séparer le flux PS du  flux respiration (évaluer l'intensité de la photosynthèse brute, l'intensité de la respiration puis déduire l'intensité de la photosynthèse nette).

 Réalisation de manipulation visant à rechercher les lieux de stockage du carbone dans la biosphère.

 Recherche des preuves du stockage de MO : recherche collective de protocoles et discussion.

Pistes possibles (on citera):
Identification de l'amidon dans les chloroplastes, repérage des cernes de croissance du bois , etc.
Estimation du volume de carbone stocké en 1 an dans un tronc, calcul de la masse de carbone.
Estimation de la masse de carbone stockée  sur une parcelle de maïs au cours d'une campagne (voir le dossier ACCES "Ressources" puis "Activités paillasses" puis le stockage dans la biomasse).
Estimation de la masse de carbone stockée au niveau d'un écosystème, d'un continent (voir le dossierACCES puis "Ressources" puis "Activités paillasses" puis le stockage dans la biomasse).
Notion de réservoir (discuter la durée du stockage et du recyclage) et notion de flux.
Durée variable : comparaison du maïs, d'un chêne (bois de chauffage ou bois d'oeuvre), d'une tourbe, du charbon...>Notions de puits et de source de carbone.
La biosphère joue-t-elle le rôle d'un puits ou d'une source vis-à-vis du carbone?
Discussion et complément sur le dossier ACCES : "Ressources" "Points scientifiques et pédagogiques" "Impact de la biosphère sur le cycle du carbone" "Cycle actuel"

II- La biosphère peut-elle jouer le rôle de puits? Approche globale

 Au sein de l'écosystème 

Interrogation de la BDD Amériflux (ou à partir du site ACCES sur la "Cycle court" puis "Modélisation" puis "Circulation du carbone entre l'atmosphère et la biosphère" )
Choisir par exemple le premier site (forêt primaire du Brésil).
Choisir Graph of variables times, puis CO₂ concentration et une période de 4 j (Attention à la datation anglo-saxonne).
Copier le graphe (clic droit) et le coller dans la feuille traitement de texte.

Demander le même graphe avec le Flux de CO₂.
Définir le sens des flux en fonction des 2 compartiments Atmosphère -Biosphère.
Définir le flux lié à la photosynthèse et le flux lié à la respiration.
 Approfondissement si le temps le permet : possibilité de recherches libres (mais rapides)
Pistes de recherches possibles :
exemple 1 : CO₂ sur une année aux différentes latitudes (effet des saisons).
exemple 2 : Comparaison d'une forêt primaire et d'un agrosystème (même latitude, même saison)

Au niveau global

Interrogation de la BDD ou WDCGG ( ou à partir du site ACCES sur la modélisation impliquant la biosphère puis bio_etape1.html)

Interroger diverses stations pour tenter de répondre à une problématique.

• Problème 1 : La proximité de la source de pollution a-t-elle une influence sur les [CO2] atmosphériques?
• Problème 2 : Les variations saisonières peuvent elles être visualisées ?
• Problème 3 : La proximité d'un continent ou d'un océan  est elle importante?

Mettre en commun les résultats de plusieurs types de recherches en remplissant un tableau

•  Les variations saisonnières augmentent avec la latitude (quasi nulle à l'équateur) car ...
• La biosphère joue le rôle d'un puits vis-à-vis du carbone à chaque printemps-été car... le rôle d'une source vis-à-vis du carbone à chaque automne-hiver car ...
• Les variations saisonières au Nord sont beaucoup plus importantes qu'au Sud ce qui peut s'expliquer par ...
• L'augmentation de la [CO2] atmosphérique s'observe partout dans le monde avec la même intensité (environ 1,66 ppmv/an sur la période récente).

Interprétation sur le cycle du Carbone:
Les variations saisonnières s'expliquent par les échanges  entre l'atmosphère et les organismes vivants continentaux (plus de continents au Nord) et les variations des paramètres physiques (T°, durée du jours,etc.):

• Au printemps et en été, la photosynthèse l'emporte, la concentration atmosphérique en CO2 diminue, globalement la biosphère joue le rôle d'un puits vis-à-vis du carbone,
  
• A l'automne et en hiver, la respiration des organismes domine, la concentration atmosphérique en CO2 augmente, globalement la biosphère joue le rôle d'une source de carbone.

Globalement, la biosphère joue-t-elle le rôle d'un puits ou d'une source vis-à-vis du carbone? Comment résoudre le problème? ... la modélisation semble le passage obligé!

L'augmentation pluriannuelle du CO2 atmosphérique semble indépendante des organismes vivants. Cette augmentation pourrait être l'empreinte des émissions anthropiques de carbone. Comment le vérifier? ... là aussi la modélisation semble le passage obligé!

III- Passage au modèle en mode simulation (on propose d'exploiter un modèle déjà construit)

Vensim propose 2 outils :

• VensimPLE pour construire des modèles  et faire des calculs,
• Vensim Model Reader pour visualiser des modèles et faire des calculs - Vensim Model Reader ne permet ni de créer ni de modifier un modèle par contre ses affichages graphiques sont plus étendus qu'avec la version VensimPLE.
  

Télécharger Vensim Model Reader : à partir du dossier ACCES, ouvrir "Outils TICE" "Outils de simulation" puis "Venread, visualiseur de modèles construits avec Vensim" puis Installation ...

Télécharger le dossier 3compartbio_anthrop_220 ans.zip
Décompresser le dossier puis ouvrir le modèle 3compartbio_anthrop_220ans.vmf avec Venread (le visualiseur).

Description du modèle : il comporte 2 pages...

• Page1: Etat initial stable .
  Référence à la page cycle court,
  Notion de modèle : clés de lecture d'un modèle à compartiments (utiliser le bouton "Doc" pour définir les compartiments , leurs  volumes; définir les mécanismes  biologiques à l'origine des  flux, préciser sous quelle forme organique ou minérale se trouve le carbone .
  Discussion sur la notion de modèle stable  : hypothèse d'équilibre avant la révolution industrielle, pas d'influence des variations de l'énergie solaire.

• Page 2 : Tester l'impact des apports de CO₂ dans l'atmosphère. Utiliser le looKup  des "apportsAnthrop" pour faire coïncider les concentrations mesurées et calculées. Comparer le flux mesuré le flux imposé.
  

Travail à préciser ... en mode simulation

IV Bilan.

Les apports anthropiques sont un candidat sérieux.
L'ensemble "biosphère et sol" joue le rôle de puits et atténue l'impact des émissions anthropiques.
Le rôle de l'océan n'est pas pris en compte.  (lien vers l'activité 4 page formateur).

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