Modèles et modélisation en SVT

L'augmentation du dioxyde de carbone atmosphérique (2)

Étude de faits : "Où va le CO2 rejeté par l'Homme ?"

Ce travail est basé sur l'étude des données du World Data Center for Grennhouse Gazes sur les quantités de CO2 mesurées au Mauna Loa de mai 1974 à décembre 2008.

L'objectif de ce travail est de faire émerger un nouveau problème qui va justifier le recours ensuite à la modélisation par compartiments.

Représentation initiale des élèves : un premier modèle

Une hypothèse est émise par les élèves : le CO2 rejeté par l'Homme va dans l'atmosphère. Il leur est alors demandé de présenter la conséquence vérifiable de cette hypothèse sous forme d'un seul graphique qui présente les émissions totales de CO2 (graphique obtenu à l'étape précédente) et les quantités atmosphériques de CO2 mesurées par l'observatoire situé au Mauna Loa. Cela revient à demander aux élèves de tracer le graphique qu'ils imaginent obtenir en superposant les deux courbes.

Critères de réussite : le temps est en abscisse et les quantités de CO2 en ordonnées.

Ne sont pas exigées : les unités, les valeurs et l'allure correcte des tracés.


Fig. 1 : Une production d'élève

Une discussion collective s'engage à partir de la mise en commun de différents graphiques.

Des arguments sont formulés pour justifier chaque graphique, ce qui entraîne un débat contradictoire entre élèves. S'en dégagent une prise de conscience de la nécessité de travailler en données cumulées pour les émissions anthropiques et l'inconnue concernant le modèle mathématique sous-jacent.

La conclusion est que, quel que soit le modèle, si les deux courbes sont superposées, notre hypothèse est valide. Si elles ne le sont pas, l'hypothèse doit être reformulée : soit les émissions sont inférieures et donc il existe d'autres sources de CO2, soit elles sont supérieures et une partie du CO2 rejeté disparaît de l'atmosphère.

Tester le modèle par confrontation à de nouvelles données

Les données de l'observatoire du Mauna Loa sont ensuite présentées (Feuille 1 du fichier avec les données mensuelles et annuelles des quantités de CO2 en ppmv).

Télécharger le ficher de données au format Open Office ou Excel

Pour tracer un seul graphique, se dégage alors la nécessité de convertir toutes les données dans la même unité, en Gt de C (d'où la Feuille 2 du fichier où se trouve le tableau de conversions).

Dans ce tableau, l'étude ne porte que de janvier 1975 à décembre 2000, années complètes communes aux deux séries de données. Pour l'année 1975, la moyenne annuelle est ainsi de 730,73 Gt de C et la masse initiale de janvier 1975 est portée en 1974 : les 723,83 Gt de C présentes fin décembre 1974 constituent la valeur initiale pour notre travail.

En ce qui concerne les données du Mauna Loa, les quantités de CO2 sont converties en masse de carbone.

Pour les émissions anthropiques, les données en Mt de C ont été également converties en Gt de C. Il est de plus nécessaire de travailler en émissions cumulées, d'où la colonne L de la deuxième feuille du tableur fournie aux élèves et qu'ils devront compléter.

L'objectif est alors de les obliger à choisir parmi un ensemble de données celles qui sont pertinentes et ce faisant de se questionner à nouveau sur le sens de ce qui leur est demandé.

En complément : une activité mathématique sur les formules de conversion des unités dans le tableur.

Les élèves ont ensuite tracé le graphique qui permet de tester l'hypothèse de départ.


Fig. 2 : Résultat obtenu

Voir Feuille 3 du fichier de correction :

Télécharger le ficher de données au format Open Office ou Excel

Remarque : La valeur de 1974 est commune aux deux courbes dans la mesure où il s'agit de celle de l'année que nous avons choisie comme point de départ de notre étude (723,83 Gt fin décembre 1974 ou début janvier 1975).

Conclusion

La masse de C tenant compte des émissions anthropiques est supérieure à celle mesurée au Mauna Loa donc tout le CO2 rejeté par l'Homme ne reste pas dans l'atmosphère.

Nouveau problème

Où va le CO2 émis par l'homme dans l'atmosphère et qui ne s'y retrouve pas ?

Ce nouveau problème est étudié à partir de recherches personnelles réalisées par les élèves : les puits de CO2 sont identifiés.

En fonction des choix pédagogiques, ce dernier point peut faire l'objet de modélisations analogiques, numériques et à compartiments (voir pour plus de détails le site de l'INRP).

Par ailleurs, les recherches personnelles des élèves peuvent expliquer le pic de CO2 mesuré au Mauna Loa en 1976 : il est dû à l'éruption du volcan Augustine le 22 janvier (voir Feuille 3 du fichier de correction

Remarques diverses

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