Cycle du carbone et changements climatiques, aide scientifique
Ce document a été rédigé pour aider les enseignants qui ont mené une activité en classe avec leurs élèves pendant l'année 2006-2007.
Le cycle du carbone et les changements climatiques
Document pour les enseignants, 15 sept. 06
Pendant l’année scolaire 2006-2007, le LSCE travaillera avec des collèges et des lycées sur la problématique « Le cycle du carbone et les changements climatiques ». Le LSCE proposera du matériel expérimental et les élèves poseront des hypothèses, élaboreront des protocoles expérimentaux, réaliseront des expériences et aboutiront à des conclusions. Les élèves appréhenderont aussi l’élaboration de modèles scientifiques. Le LSCE propose ainsi de mettre en place des activités qui permettront de développer une démarche d’investigation de la part des élèves. Le LSCE apportera une aide scientifique : réponse aux questions théoriques, explication des résultats, aide à la réalisation des protocoles.
Le projet contient quatre phases : une rencontre en classe avec un médiateur scientifique pour démarrer le projet, une visite du laboratoire, une phase expérimentale et de modélisation en classe, sous la direction d’un ou de plusieurs professeurs de sciences et une rencontre finale en classe avec le médiateur scientifique pour terminer le projet. Les établissements pourront communiquer par Internet.
Une attention particulière devra être portée à la diffusion des résultats, qui pourra prendre plusieurs formes : affiches ou posters, manipulations lors d'un colloque ouvert au public, manifestations dans l'établissement scolaire, dans la commune, réalisation d'outils multimédias (site Internet ou cédérom), pouvant aller jusqu'à la production d'un reportage vidéo (selon les ressources et la motivation de l'enseignant). La diffusion de ces résultats sera nécessairement ouverte et inscrite dans la durée. Le site Internet permettra de recenser toutes les productions et de mettre en ligne pour plusieurs mois toutes celles qui seront adaptées ou supporteront un support multimédia. Le LSCE souhaite que les établissements partenaires participent au colloque organisé au centre de Saclay les 28-29 et 30 mars 2007 par une présentation de leurs résultats (le 29 ou le 30 mars).
Le LSCE propose trois pistes d’expérimentation, qui seront suivies l’une après l’autre : la dendrochronologie, l’étude des sources et des puits de carbone dans des « mini serres », l’étude des échanges carbonés entre l’atmosphère et les océans. Pour chaque piste, nous souhaitons soulever l’attrait des élèves par des questions, les phases d’expérimentation et de modélisation servant alors à répondre à ces interrogations.
La dendrochronologie
Les questions possibles de départ sont :
- Les arbres, sont-ils des indicateurs des climats passés ?
- Est-ce que les cernes d’une coupe d’arbre sont tous identiques ? Si ils sont de tailles différentes, quelles peuvent en être les causes ?
- Quelles types d’information un arbre peut-il donner de son passé ?
La dendrochronologie permet de répondre à ces questions. Nous proposons la démarche suivante : les élèves étudient des cernes de coupes d’arbres récents afin d’établir une relation entre l’épaisseur relative d’un ou plusieurs cernes et des types d’événements météorologiques connus (sécheresse, canicule…). Ensuite, les élèves analysent un profil de cernes correspondant à une époque lointaine (an mil, 18ème siècle) et essaient de trouver des événements météorologiques exceptionnels de cette époque.
Protocole
Le LSCE fournit, soit à partir de coupes du laboratoire, soit à partir de carottes prélevées sur place, en présence des élèves, des images de bonne qualité de coupes d’arbres récents, dont on connaît au moins la date d’abattage. Ces coupes ne doivent pas produire de résultats trop ambigus, c’est-à-dire que la sécheresse de 1976, la canicule de 2003 doivent bien être visibles.
Les élèves doivent chercher par eux-mêmes comment mesurer l’épaisseur des cernes. On peut leur présenter une carotte directement pour que l’idée de scanner vienne d’eux. Cependant, évidemment, les images ont déjà été préparées. Il peut être intéressant de faire travailler les élèves par groupes de quatre afin d’obtenir des résultats différents et obtenir ainsi la notion d’erreur expérimentale. Différents chercheurs (ou adultes) peuvent aussi avoir mesuré les cernes des images, montrant ainsi que l’erreur expérimentale fait partie de la recherche.
Mesure de l'épaisseur des cernes d'une coupe d'acacia (photo : Francis Chavanne)
Coupe de chêne vue sur écran, par le biais d'une caméra de collège (photo : Catherine Vallot)
A partir des mesures, les élèves tracent le profil, c’est-à-dire la courbe « épaisseur des cernes en fonction des années ». Les élèves sont alors prêts à étudier des profils d’une époque lointaine, sans relevés météorologiques fiables. Ces profils sont fournis par le LSCE.
A partir des profils, les élèves trouvent des années exceptionnelles, ce travail se faisant aussi en groupe, afin d’arriver à une confrontation des hypothèses. Les élèves peuvent ensuite chercher dans les documents historiques des références aux années exceptionnelles qu’ils ont pensé déceler (date des vendanges, des floraisons…). Le LSCE fournira ce type de documents.
Prolongements
Les élèves peuvent ensuite travailler sur des carottes prélevées sur du matériel proche ou du matériel ambigu.
Réflexions sur le fait qu’un arbre vit de 150 à 200 ans et pourtant la dendrochronologie apporte des informations sur le climat local datant de plus de 1000 ans. Comment est-ce possible ?
Documents
Un dossier sur la dendrochronologie réalisé par le conseil général de l’Essonne.
L’étude des sources et des puits de carbone
L’augmentation de l’effet de serre est un phénomène relativement bien connu par les élèves du secondaire, même s’il est assez peu compris. En effet, de nombreuses revues et média ont traité abondamment le sujet et il est difficile de trouver maintenant des personnes qui n’en ont jamais entendu parler. Ainsi, l’augmentation moyenne de la concentration en gaz carbonique de l’atmosphère est une donnée scientifique connue par le grand public. Cependant, la connaissance précise du cycle du carbone est peu répandue, de même que les variations saisonnières et journalières de la concentration carbonée. Il nous paraît intéressant de faire expérimenter les élèves afin qu’ils supposent eux-mêmes l’existence de ces variations.
Les questions de départ peuvent donc être :
- D’où provient le gaz carbonique de l’atmosphère ?
- Comment la concentration en gaz carbonique de l’atmosphère peut-elle être relativement constante ?
- Pourquoi la concentration en gaz carbonique dans l’atmosphère augmente-t-elle ?
- Est-ce que la concentration en gaz carbonique dans l’atmosphère augmente en permanence ?
- Comment la concentration en gaz carbonique dans l’atmosphère évolue-t-elle dans une journée ?
- Est-ce que la concentration en gaz carbonique dans l’atmosphère est la même selon les saisons, selon le lieu géographique ?
- Est-ce que la concentration en gaz carbonique dans l’atmosphère est la même selon que nous soyons proches ou éloignés d’une source polluante ?
- Est-il possible de discriminer entre la production de gaz carbonique « naturelle » et la production due à l’homme (anthropique) ?
Pour répondre à ces questions, le LSCE propose aux élèves de réaliser des mini-serres pourvues de capteurs afin de mesurer les concentrations en gaz carbonique et en oxygène contenus dans l’atmosphère de ces mini-serres. Les élèves pourront aussi explorer leur environnement, équipés de capteurs à CO2, afin de repérer des variations dues au lieu géographique, à l’heure de l’observation (matinée ou soirée), à un plus ou moins grand éloignement des sources polluantes (routes, usines, industries…).
Protocole
Afin de découvrir que la concentration atmosphérique du gaz carbonique connaît des variations selon le lieu géographique, l’heure, la saison, les élèves se déplaceront, munis de capteurs à CO2. Ils pourront ainsi observer, entre autres, les variations locales et temporelles dues aux activités humaines (promenade près de routes à différentes circulations, à différentes heures…). Pour comprendre ces changements et essayer d’en connaître les causes, la réalisation de montages présentant des ambiances confinées et contrôlées est nécessaire. Cela peut se faire par la réalisation de « mini-serres ».
Les serres réalisées doivent pouvoir contenir des plantes, des bougies (pour enrichir l’air en gaz carbonique), des récipients d’eau de mer, différents types de sols… Elles connaîtront ensuite différentes phases d’éclairements et d’obscurité et les variations des concentrations en gaz carbonique et oxygène seront relevées.
Élément d'une serre avant l'expérimentation
Serre pendant une expérience
Il sera primordial de laisser la plus grande liberté aux élèves pour élaborer leurs protocoles expérimentaux. Par exemple, il serait préférable que l’idée d’avoir une « serre témoin » vienne des élèves et non du professeur. Il serait intéressant de laisser les élèves se tromper, par exemple, ils peuvent ne pas s’attendre à ce que les plantes respirent.
Il s’agira d’étudier d’abord des échanges simples : la présence de plantes exposées à la lumière fait augmenter la concentration d’oxygène et baisser la concentration de gaz carbonique, puis d’arriver à des échanges plus compliqués : un sol riche en microorganisme « respire » (produit une augmentation de la concentration en gaz carbonique) ; à partir de quelle quantité de biomasse, un sol riche, produit une baisse de la concentration en gaz carbonique ? Par l’étude de ces échanges, il serait intéressant d’arriver peu à peu à la perception des cycles journalier et saisonnier du carbone. En effet, dans une journée, la concentration en gaz carbonique varie, elle augmente dans la nuit et diminue pendant le jour. De même, cette concentration est plus élevée dans nos latitudes en hiver qu’en été. Le cycle journalier du carbone est dû aux échanges gazeux de la respiration et de la photosynthèse. Mais il est influencé, sous nos latitudes, par les activités humaines, plus importantes la journée.
Après ces études, les élèves seront capables de déduire de leurs observations les cycles journaliers et saisonniers du carbone. Ce serait alors le bon moment pour que les élèves aient accès aux relevés effectués en permanence par le LSCE afin de vérifier leurs hypothèses.
Prolongements
Il est malheureusement assez difficile d’observer une augmentation de l’effet de serre par l’intermédiaire de ce type de protocoles expérimentaux : deux serres identiques mais dont l’une a une concentration de gaz carbonique plus élevée ne possèdent pas forcément une atmosphère avec des températures différentes. Ainsi, la recherche du rôle du carbone dans l’augmentation de la température globale actuelle devra se faire par un travail de documentation. Pour cet aspect particulier, le LSCE proposera des pistes particulières : bases de données de la concentration en gaz carbonique et de la température globale, rapport de l’IPCC (Intergovernement Panel on Climate Change), documents de vulgarisation…
Documents
http://acces.inrp.fr/acces/terre/CCCIC
Ensemble de travaux réalisés par 7 enseignants du SVT sur le sujet dans l’académie d’Orléans-Tours. Dossier très riche, dont la navigation n’est pas toujours facile, mais qui donne un grand nombre de renseignements pratiques et d’informations théoriques, permet de faire travailler les élèves sur des modèles.
http://pedagogie.ac-toulouse.fr/svt/serveur/divers/joc/joserr.html
Une expérience pour tenter de visualiser l’effet de serre par une enceinte fermée et qui montre les difficultés de la manœuvre.
Étude des échanges carbonés entre l’atmosphère et les océans
L’absorption du gaz carbonique de l’atmosphère par les océans pourra jouer un rôle majeur dans les changements climatiques futurs mais l’importance quantitative de ce phénomène reste une grande inconnue. Cependant, une conséquence nocive de cette absorption se fait déjà sentir : l’acidification des océans. Le LSCE estime qu’il est important de faire travailler des élèves sur ce sujet.
Les questions de départ possibles sont :
- Existe-t-il des échanges gazeux entre l’atmosphère et les océans ?
- Est-ce que ces échanges gazeux sont dépendants de la température ?
- Est-ce que ces échanges gazeux sont les mêmes en tout point du globe ?
- Existe-t-il des conséquences sur les océans à l’augmentation de la concentration en gaz carbonique de l’atmosphère ?
Protocole
En remplissant plus ou moins un récipient avec de l’eau de mer, en modifiant la concentration en gaz carbonique de cette eau ou de l’air la recouvrant, puis en isolant hermétiquement ce récipient, il est possible d’étudier les échanges carbonés entre l’air et l’eau de mer. Un pot de confiture, un bécher est suffisant. Les concentrations en gaz carbonique dans les deux milieux peuvent être mesurées par des sondes, mais ce n’est pas nécessaire. Il est plus intéressant de placer une sonde à pH dans l’eau de mer.
Comme premier montage, nous proposons ceci : un pot de confiture rempli à moitié d’eau de mer, une bougie flottante allumée posée sur l’eau. Le pot est clôt hermétiquement. En quelques secondes, la bougie s’éteint, par manque d’oxygène. Le pH de l’eau de mer est ensuite mesuré régulièrement, ou après un certain temps, si on n’a pas réussi à obtenir un système permettant une mesure tout en gardant le récipient hermétique. On remarque alors que l’eau s’acidifie régulièrement.
Ainsi, l’eau de mer absorbe bien le gaz carbonique en excès dans l’atmosphère, mais ce phénomène est limité (l’utilisation d’une sonde à gaz carbonique est alors conseillée) et provoque surtout une acidification. Les conséquences de cette acidification peuvent aussi être explorées en ajoutant des coquilles d’organismes marins (palourdes, coques…) ou du corail (plus difficile à trouver) dans l’eau de mer. Une coquille de coque laissée dans une eau de mer maintenue à un pH légèrement acide (pendant le protocole décrit ci-dessus, par exemple) se décalcifie et cette décalcification est observable à l’œil nu après une semaine.
Il est ensuite intéressant de réaliser le protocole cité en exemple à différentes températures. Mais comme pour les pistes précédentes, il est important que l’idée vienne des élèves et non du professeur. Ces montages simples permettent d’élaborer un grand nombre de protocoles différents. Les élèves peuvent aussi explorer la voie inverse : on enrichit l’eau de mer en gaz carbonique (par exemple, en soufflant dans l’eau par l’intermédiaire de pailles), on clôt l’enceinte et on observe si l’air s’enrichit en gaz carbonique. On vérifie si la vitesse des échanges dépend de la température.
Prolongements
Les élèves pourront chercher des articles dans la presse sur l’acidification des océans et les conséquences sur les chaînes alimentaires.