Modèles et modélisation en SVT : L'augmentation du CO2 atmosphérique

L'augmentation du dioxyde de carbone atmosphérique (4)

Étude du cycle du carbone à partir d'un modèle à quatre compartiments

Suite à la construction par les élèves d'un modèle simple à un compartiment, il s'agit de leur permettre d'en étudier un plus complexe construit par des scientifiques.

Ils disposent alors :

du modèle NetLogo intitulé modele4c à ouvrir avec le logiciel. Ce modèle présente les flux existant entre quatre compartiments de carbone de la Terre (atmosphère, biosphère, hydrosphère et lithosphère) sans prendre en compte les apports anthropiques de carbone ;
et d'un texte à trous sur Le cycle du carbone (dont seule la première page est distribuée dans un premier temps).

Télécharger le texte à trous au format Open Office ou Word

Les valeurs indiquées dans ce modèle sont extraites du site acces.inrp.fr

Le travail des élèves s'effectue en deux temps : l'utilisation du modèle NetLogo fourni (ou la copie d'écran) pour compléter le texte, puis l'exécution de ce modèle.

Exécution du modèle

Fig. 1 : Résultat obtenu sous NetLogo

Si l'on ne tient pas compte des apports anthropiques, la masse de carbone augmente très peu dans l'atmosphère : elle augmente de 2,50 Gt (de 723,83 Gt début 1975 à 726,43 fin 2000) soit une augmentation annuelle moyenne de 0,1 Gt.

Donc, si l'Homme n'émettait pas de CO₂ dans l'atmosphère, le cycle du carbone serait quasiment en équilibre :

photosynthèse et respiration de la biosphère s'équilibrent,
dissolution et dégazage de l'hydrosphère aussi,
reste un apport positif dû au volcanisme.

Remarque : Le cycle du carbone sans apports anthropiques est équilibré à l'échelle humaine mais pas à l'échelle géologique (voir programme de terminale S spécialité SVT).

Les élèves complètent ensuite ce modèle en ajoutant les apports anthropiques dus à la combustion des carburants fossiles (5,75 Gt de C par an) ainsi que les pertes de carbone dans la biosphère et l'hydrosphère, pour moitié dans chacun des deux compartiments (soit 1,32 Gt de C par an dans chacun). Puis ils l'exécutent.

Fig. 2 : Résultat obtenu sous NetLogo

Si le modèle est correct, la masse de carbone qu'il affiche en 2000 devra être la même que la masse de carbone mesurée au Mauna Loa en 2000 soit 808,88 Gt (données de la feuille 2 du fichier de données du World Data Center for Grennhouse Gazes).

Télécharger le ficher de données au format Open Office ou Excel

Or le modèle nous indique la masse de carbone a augmenté jusqu'à 807,29 Gt de carbone.

Il existe donc une différence qui pose problème : comment expliquer que les mesures du Mauna Loa donnent une masse de carbone supérieure à celle prévue par le modèle ?

Il faut là envisager que les émissions anthropiques sont supérieures à celles uniquement dues à la combustion des carburants fossiles : la déforestation libère également du CO₂, environ 2 Gt de carbone par an, ce qui correspond bien à la différence observée (aux erreurs dues aux arrondis près).

Travail complémentaire

A partir des données du laboratoire du Mauna Loa, on peut maintenant tracer le graphique des quantités mensuelles moyennes de CO₂ présentes dans l'atmosphère (attention au changement d'unités : il ne s'agit plus de masses de carbone en Gt mais des quantités de CO₂ en ppmv).

Fig. 3 : Représentation graphique des donées mensuelles Mona Loa

Nous retrouvons le taux de CO₂ particulièrement important du mois de janvier 1976 dû à l'éruption du volcan Augustine.
Les variations cycliques des quantités de CO₂s'expliquent par les phénomènes biologiques de respiration et photosynthèse de la biosphère (alternance hiver/été dans l'hémisphère Nord où se situe la majorité de la végétation continentale).
Globalement, les quantités de CO₂ augmentent à cause des données naturelles (volcanisme) et essentiellement à cause des émissions anthropiques.