Un premier modèle climatique : l'évolution du CO2 atmosphérique
Buts de l'activité
Donner aux élèves une première approche du cycle du carbone :
- chercher à estimer la quantité de CO2 absorbé par les puits naturels (végétation et océans),
- réaliser des prévisions pour le prochain siècle,
- grâce à des calculs simples (additions et multiplications) dans un tableur.
- Ceci permet d’aborder la notion de modèles.
Type de l’activité
Manipulation de données.
Matériel
- Ordinateurs avec tableur (Excel ou openOffice). L’idéal est de faire travailler les élèves par deux.
- Fichiers à télécharger
Document pdf décrivant la séance pas à pas. Il contient des captures d'écran pour aider l'utilisation du tableur
Fichier de travail, tableur avec les données
Fichiers d'exemples : tableur avec un scénario d'émission
tableur avec deux scénarios et évolution du CO2 en ppmv
Introduction
Depuis le début de la révolution industrielle, l’Homme rejette du CO2 dans l’atmosphère à cause de certaines activités comme la production d’énergie, l’utilisation de moteur à combustion, la déforestation, la fabrication de produits manufacturés, en gros tout ce qui nécessite une combustion de pétrole, de charbon ou du gaz naturel et les changements dans la végétation. Le CO2 étant un gaz à effet de serre, sa libération dans l’atmosphère pourrait produire une augmentation des températures à la surface de la Terre. Cependant, tout ce CO2 rejeté vers l’atmosphère n’y reste pas.
A l’aide de données, d’un tableur (Excel ou openOffice), les élèves peuvent réaliser des prédictions sur l’évolution du CO2 pour le siècle à venir. Ils devront dans un premier temps trouver une équation assez simple qui permette de simuler ce qui s’est passé au cours des 50 dernières années. Les données correspondent aux quantités de CO2 rejetées par l’Homme et aux mesures du CO2 atmosphériques. L’équation ne contiendra que des additions et des multiplications.
A partir de cette simulation, les élèves réaliseront un modèle en extrapolant les émissions de CO2 pour le prochain siècle selon un scénario qu’ils choisiront eux-mêmes, mais en se basant sur des prévisions réalistes. Les données proviennent du site suivant : Global Carbon budget, où l’on peut trouver des informations intéressantes sur le cycle du carbone (en anglais) et à jour. Pour trouver les émissions dues aux activités humaines et les mesures de CO2 atmosphérique, aller dans la partie "Data".
Déroulement de l'activité
Vous trouverez dans cette page web un résumé de l'activité. Pour avoir plus de détails, avec des conseils d'utilisation d'un tableur, téléchargez le document pdf qui décrit les étapes pas à pas.
Les étapes à suivre seront :
1) trouver un modèle qui explique l'évolution du CO2 atmosphérique depuis 1958
Première hypothèse : tout le CO2 émis par les activités humaines se retrouve dans l'atmosphère
Discussion autour de l'hypothèse
Deuxième hypothèse : du CO2 émis par les activités humaines est absorbé par la nature
2) faire des prévisions pour le prochain siècle
On continue d'émettre sans changer nos habitudes
1) Trouver un modèle qui explique l'évolution du CO2 atmosphérique depuis 1958
Première hypothèse : tout le CO2 émis par les activités humaines se retrouve dans l'atmosphère
Les premières mesures directes du CO2 atmosphérique datent de 1958. Cette année-là, la quantité de CO2 dans l'atmosphère tournait autour de 670 milliards de tonnes de carbone. Nous pouvons estimer la quantité de CO2 émis vers l'atmosphère chaque année à partir des quantités de charbon, de pétrole, de gaz naturel brulées et en quantifiant les surfaces terrestres modifiées (déforestation, urbanisation, modification des espaces agricoles...).
Que se passe-t-il si nous ajoutons chaque année, entre 1959 et 2000, la quantité de CO2 émis par les activités humaines, au CO2 qui était déjà présent dans l'atmosphère ?
Si nous comparons notre calcul aux mesures régulières pratiquées depuis 1958, nous observons qu'il ne "colle" pas à la réalité : dans l'atmosphère, le CO2 augmente moins vite.
Discussion autour de l’hypothèse
En observant le graphique, peut-on dire que tout le CO2 émis par les activités humaines reste dans l’atmosphère (ou pourquoi la courbe calculée et la courbe des mesures ne sont pas identiques) ?
A-t-on oublié un paramètre dans le calcul ?
Les réponses à ces questions sont qu’une partie du CO2 émis se retrouve dans les plantes chlorophylliennes (sans oublier le phytoplancton) et dans les océans. Il faut inclure cette proportion dans le calcul.
On peut arrêter le travail de données à ce stade et réaliser des expériences de photosynthèse, de mesure du CO2 en présence d’eau de mer, puis revenir ensuite pour calculer la part absorbée. Ou on peut continuer l’activité et faire les expériences ensuite.
Deuxième hypothèse : du CO2 émis par les activités humaines est absorbé par la nature
Deux façons de procéder :
1. Une hypothèse de travail (20% du CO2 émis est absorbé, par exemple), que l’on améliore peu à peu jusqu’à obtenir un calcul correspondant aux observations.
2. On calcule année par année, en pourcentage, ce qui est absorbé.
1) Essai de pourcentage d'absorption
Supposons que la nature absorbe 20% du CO2 émis par les activités humaines (les élèves peuvent eux-mêmes lancer leur hypothèse et les tester, chaque groupe peut tester sa valeur).
Lorsqu'une absorption de 20% du CO2 émis par les activités humaines est prise en compte, la courbe calculée "se rapproche" des mesures. Mais elle reste éloignée : l'absorption est sous-estimée.
Les élèves testent alors plusieurs valeurs. Autour de 55%, la courbe du calcul "épouse pratiquement" les mesures. Les élèves disposent d'un "bon modèle".
Plutôt que de chercher le même pourcentage pour toutes les années, on peut aussi voir ce qui se passe année après année.
Une représentation graphique montre que l’absorption fluctue d’année en année et oscille entre 22 et 80%. Cependant, on n’observe de tendance générale ni à la baisse, ni à l’augmentation.
On calcule ensuite la moyenne de l’absorption sur ces cinquante dernières années et on retrouve la valeur de 56,3%.
En prenant cette valeur d’absorption pour les années 1958 à 2008, on arrive à faire superposer les courbes des mesures et du calcul. Cette valeur moyenne semble donc bien représenter l’absorption naturelle pour les 50 dernières années, même si des fluctuations existent selon les années.
2) Faire des prévisions pour le prochain siècle
Pour calculer le pourcentage d’absorption propre à chaque année, il faut connaître de combien de ppmv a évolué le CO2 atmosphérique entre deux années. Comme ces valeurs ne peuvent être connues pour le futur (puisqu’il s’agit d’observations), il faut utiliser la valeur moyenne d’absorption pour les prévisions, donc 55,3%.
Les émissions de CO2 peuvent être prédites pour le prochain siècle, car elles sont basées sur des critères économiques. Plusieurs scénarios sont envisageables :
- on continue d’émettre de plus en plus de CO2 car nous avons un besoin croissant d’énergie, de transports, de consommation.
- on continue d’émettre de plus en plus de CO2 pendant un certain temps, plus on se calme : on a réussi à développer des énergies renouvelables, un autre type de consommation apparaît, plus respectueux de nos ressources.
- on se passe peu à peu des énergies fossiles, on arrête la déforestation.
Pour des collégiens et lycéens, il n’est pas facile de prévoir à si long terme. Ils peuvent donc s’aider des scénarios d’émissions du GIEC représentés ci-dessous.
Vous pouvez trouver des précisions sur les scénarios dans l’animation de cette page, menu "demain/prévisions pour le prochain siècle".
Le graphique ci-dessous montre l'évolution du CO2 atmosphérique pour le prochain siècle, avec d'abord un scénario où nous continuons d'augmenter régulièrement nos émissions (scénario A2, fond rose ci-dessus), puis ensuite, avec un scénario ou nous commençons à diminuer nos émissions vers 2050 (scénario B1, fond vert ci-dessus).
