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par Julie DAVIOT,

Pauline PROTHERY

et Laetitia VILLETORTE

élèves de Première S
en 2007/2008

Thème: Environnement et progrès

Matières: SVT et mathématiques

En résumé : le diaporama de soutenance à l'oral.

Problématique :
Le réchauffement climatique est une notion dont on entend parler désormais au quotidien. En effet la population prend de plus en plus conscience du problème que cause ce phénomène. Mais qu'est ce que le réchauffement climatique ? Il s'agit d'un phénomène d'augmentation à l'échelle mondiale et sur plusieurs années de la température moyenne des océans et de l'atmosphère. Ce terme est appliqué au réchauffement climatique observé depuis 25 ans auquel on attribue une origine humaine. Après avoir pris connaissance de cette définition, nous nous demandons naturellement : à quoi est du le réchauffement de l'atmosphère ?

Les médias prétendent que l'effet de serre en est responsable. Nous en arrivons alors à étudier ce phénomène qui est un processus naturel de réchauffement de l'atmosphère. La nature et la concentration des gaz qui constituent les différentes couches de l'atmosphère d'une planète contribuent à déterminer la température qui règne à sa surface. En créant les conditions de température nécessaires, l'effet de serre a permis le développement de la vie sur Terre. C'est un phénomène naturel et bénéfique car il garantit le maintien d'une température moyenne de 15ºC. Sans lui, la température moyenne de la surface de la Terre avoisinerait -18ºC, interdisant toute forme de vie. Mais alors si l'effet de serre est nécessaire au bon développement de la vie sur terre, pourquoi est elle impliquée dans le réchauffement climatique qui, dans les proportions actuelles, devient nocif pour la planète ?

Depuis 150 ans, les gaz à effet de serre sont en concentration croissante dans notre atmosphère. Cette évolution semble être en partie responsable du réchauffement que subit actuellement notre planète. Les activités humaines augmentent la concentration de ces gaz notamment celle du dioxyde de carbone. L'industrie, le chauffage, l'automobile, la déforestation et les incendies de forêt émettent du gaz carbonique. Chaque année, nous produisons près de 20 milliards de tonnes de dioxyde de carbone. Au total, l'activité humaine entraîne un excédant de 7 GT (giga tonnes) de carbone par an.
Depuis 1957, début de l'ère industrielle, des mesures systématiques de la quantité de CO2 dans l'atmosphère ont pris place en divers endroits du globe, le plus connu d'entre eux est Mauna Loa, sur l'île d'Hawaï. On choisit ces endroits isolés pour être sûr de ne pas être perturbé par une importante source d'émission de CO2 telle qu'une ville, une région fortement industrialisée... Depuis le début de ces mesures, les relevés ont montré que le CO2 atmosphérique était en constante augmentation.
Cette évolution est mesurée en partie par million, en abrégé ppm ou ppmv, soit le nombre de molécules du gaz mesuré dans un million de molécules atmosphériques.

Notons que le dioxyde de carbone, incolore et inodore, n'est pas un gaz nocif dans les proportions actuelles. Il ne pause un problème que vis à vis de l'effet de serre. Le taux de CO2 dans l'atmosphère a augmenté continuellement depuis 1957 comme en témoigne la courbe de Mauna Loa. En l'espace d'un peu plus de 40ans, la concentration de CO2 atmosphérique est passée d'environ 315ppm à 370ppm. Cette croissance est en dents de scie puisque chaque année le taux varie d'environ 5ppmv selon les saisons. On peut alors penser que les pics dirigés vers le haut sont issus des prélèvements effectués pendant l'hiver où la population utilise beaucoup plus du chauffage et où la photosynthèse est moindre alors que les pics dirigés vers le bas sont issus des prélèvements effectués en été, période durant laquelle la photosynthèse est beaucoup plus importante et la combustion urbaine moindre. Sur le passé très récent, on sait à présent que le CO2 atmosphérique augmente de plus en plus, notamment à cause de la combustion du pétrole, du gaz et du charbon. En revanche, pour pouvoir dire avec certitude si la civilisation industrielle y est pour quelque chose ou pas, il faut pouvoir se faire une idée de ce qui se passait des milliers d'années avant son début. Or à cette période, il n'existait pas d'instruments permettant de mesurer directement la teneur en CO2 dans l'air. Heureusement, il existe, au pole sud, un dispositif naturel d'archivage de la composition de l'air. Chaque année, il y tombe de la neige, et comme la température de l'Antarctique est très basse et qu'il ne dégèle jamais, chaque année voit de nouvelles chutes de neige qui viennent recouvrir les précédentes. Avec le poids de la neige qui s'accumule au fil des années sans jamais fondre, la neige la plus ancienne finit par se transformer en glace.
Au cours de cette transformation de neige en glace, qui dure quelques siècles en général, l'air qui entoure les flocons de neige se retrouve emprisonné dans la glace, sous forme de petites bulles. Ces bulles datent donc de l'époque où la neige est tombée, à quelques siècles près. La calotte glaciaire de l'Antarctique se compose de glace qui est de plus en plus vieille au fur et à mesure que l'on creuse plus profond. Dans chaque carotte, on trouve un peu d'air sous forme de microbulles de même âge que la glace.
On peut alors retracer la composition de l'atmosphère, pour les gaz chimiquement stables une fois emprisonnés dans la glace (le CO2 en fait partie), jusqu'à l'époque de formation de la glace la plus ancienne de l'Antarctique. Après avoir creusé et extrait (sans la contaminer avec de l'air ambiant) une carotte dans la glace, c'est à dire un grand cylindre de quelques dizaines de centimètres de diamètre et dont la longueur est de quelques kilomètres, il faut ensuite dater la glace tout le long de la carotte et analyser la composition des bulles d'air qui s'y trouvent (également tout le long).
Ainsi, on peut avoir une représentation très précise de ce qui s'est passé pendant les 100.000 dernières années, puis une idée encore très exploitable de ce qui s'est passé sur les 700.000ans antérieurs.
Les variations naturelles de la température moyenne au quaternaire sont parallèles à celles du CO2 atmosphérique: les variations mesurées pour le CO2, comprises entre 180 et 280ppm ont été accompagnées de variations de température moyenne du globe d'environ 5°C. Or depuis le début du Vingtième siècle, l'activité humaine a déjà fait progresser le CO2 de 280 à 370ppm!
La concentration de CO2 dans l'atmosphère est connue grâce à des appareils de mesure).
- en 1990 elle est à 354,2ppmv (moyenne de l'année calculée d'après toutes les mesures faites en 1990)
- en 2001, elle est à 371,0ppmv (moyenne de l'année calculée d'après toutes les mesures faites en 2001)
Donc, entre 1990 et 2001, la concentration atmosphérique de CO2 a augmenté de 16,8ppmv. Ceci est un fait établi à partir des observations. Seulement, pour prévoir l'évolution du CO2 futur, on ne peut pas se baser sur les observations, puisque nous ne pouvons pas encore voyager dans le futur. Il faut donc faire un modèle mathématique permettant de connaître l'évolution de la concentration atmosphérique de CO2 si on connaît la quantité de CO2 émis par l'Homme vers l'atmosphère. En effet, il existe des prévisions économiques (ce n'est plus de la science, mais bien de l'économie), qui disent, par exemple, que au cours du prochain siècle, l'Homme va émettre du CO2 vers l'atmosphère comme l'année 2006, mais au augmentant chaque année 0,1% de ses émissions. D'autres scénarios prévoient une augmentation des émissions jusqu'en 2050, puis une baisse régulière. Pour chaque scénario économique, les scientifiques cherchent à prévoir l'évolution de la concentration du CO2atm.
Pour faire cela, il faut avoir compris ce qui s'est passé avant (par exemple entre 1990 et 2001). Et là, nous arrivons à un problème de représentation, ce qui va nous compliquer les calculs. Nous voulons connaitre la concentration de CO2 dans l'atmosphère, or les émissions de CO2 humaines sont calculées (encore par les économistes) en millions de tonnes de CO2, c'est-à-dire en quantités brutes. Il est facile en effet de calculer chaque année combien de tonnes de carbone sont émises par les industries et les automobiles, il suffit de connaître les masses de charbon, pétrole, gaz brulés par l'Homme, le nombre de km parcourus par les voitures et autres moyens de transport, la quantité de ciment coulé… Et ceci donne des millions de tonnes de CO2 libérés. Or est-ce que tous ces millions de tonnes se retrouvent dans l'atmosphère ou non ? Voilà la question.

 

Question de problématique :
Le cycle climatique actuel se différencie des cycles passés à cause de l'industrialisation, mais est-ce que tout le CO2 excédentaire produit par l'homme participe à l'effet de serre?

Hypothèse :
Tout le CO2 émis par l'Homme entre 1990 et 2001 s'est retrouvé dans l'atmosphère.

 

Validation expérimentale
A l'aide des valeurs mesurées, nous allons vérifier si cette hypothèse est vraissemblable.

a) Protocole :
Grâce à Marc Jamous travaillant au LSCE de Saclay, laboratoire de recherche qui est spécialisé dans la recherche pour le climat et l'environnement, nous obtenons les valeurs concernant la période 1990-2001.
Nous pourrions faire la même chose pour d'autres périodes et même, le mieux, pour la période 1750-2006 correspondant à toute la période industrielle, mais nous faisons avec ce que nous avons...

Premier problème: le CO2 présent dans l'atmosphère est mesuré en ppmv, alors que le CO2 émis par l'Homme est évalué en millions de tonnes de carbone par an. Il faut donc convertir le CO2 émis par l'Homme par année en augmentation de ppmv par année. Pour cela, il faut connaître le volume de l'atmosphère, calculé par une formule mettant en jeu le rayon de la Terre et l'épaisseur de l'atmosphère. Nous pouvons alors calculer la concentration du CO2 dans l'atmosphère en ppmv:
Le CO2 a une masse molaire de 44gr/mol

b) Résultats :
Le tableau ci-dessous précise les émissions humaines de CO2 mesurées entre 1990 et 2001. Ces valeurs, utilisées dans la formule ci-dessus, permettent de calculer les valeurs de concentration de CO2 en ppmv indiquées en troisième colonne.
En quatrième colonne, en partant de la valeur mesurée en 1990 (354,2ppmv), nous calculons la valeur théorique de la concentration atmosphérique du CO2 en 1991 en ajoutant la valeur de troisième colonne 354,2 + 3,77 = 357,97 puis de même pour 1992 avec 357,97 + 3,67 = 361,64 et ainsi de suite.
Enfin en cinquième colonne, sont indiquées les valeurs réelles de concentration en CO2 telles qu'elles sont mesurées par les capteurs.
Année
Émissions humaines (millions de tonnes de CO2/an)
Émissions humaines en ppmv/an si tout le CO2 émis par l'homme restait dans l'atmosphère
ppmv théorique calculé
ppmv mesuré par les capteurs
1990
28747
3.69
-
354.20
1991
29407
3.77
357.97
355.62
1992
28600
3.67
361.64
356.36
1993
28563
3.66
365.30
357.10
1994
29040
3.72
369.02
358.86
1995
29517
3.79
372.81
360.90
1996
29993
3.85
376.66
362.58
1997
30543
3.92
380.58
363.84
1998
30360
3.89
384.47
366.58
1999
30287
3.88
388.35
368.30
2000
30763
3.94
392.29
369.47
2001
31167
4.00
396.29
371.04
2002
31827
4.08
400.37
373.08
2003
33073
4.24
404.61
375.61
2004
34613
4.44
409.05
377.43
2005
35347
4.53
413.58
379.97
2006
36117
4.63
418.21
381.93
A l'aide d'un tableur, traçons l'évolution des valeurs théoriques calculées par notre modèle mathématique et les mesures réelles enregistrées par les capteurs.

Les deux courbes partent du même point, car nous étudions ce qui se passe entre 1990 et 2006. Comme notre année de base est 1990, notre modèle part de la valeur observée cette année-là.

Nous voyons rapidement que notre modèle est faux par rapport à l'observation, il ne nous permet donc pas de prévoir le futur.

Donc, tout le CO2 émis par l'Homme ne se retrouve pas dans l'atmosphère ; nous nous demandons alors quelles sont les variables qui n'ont pas été prises en compte lors de nos calculs.
Après recherche, nous découvrons qu'une part importante est absorbée par la nature (végétation, sols et océans) dans ce que l'on appelle les puits naturels. Nous obtenons un modèle assez proche de l'observation si nous estimons que seulement 45% du CO2 émis par l'Homme se retrouve dans l'atmosphère et que donc 55% est absorbé par les puits naturels:


c) Interprétation :

L'efficacité de ce modèle mathématique:
Ce modèle permet ainsi de prévoir l'évolution du CO2 pour le prochain siècle selon les différents scénarios d'émissions envisagés. Cependant, des inquiétudes existent sur la capacité des puits naturels. Jusqu'à présent, ils se sont maintenus à un taux assez constant (depuis 1958, nous avons toujours eu, en moyenne, 55% du CO2 émis par l'Homme par an absorbé) mais ils annoncent une baisse d'efficacité (par exemple, la végétation est moins efficace pendant les canicules ; avec le réchauffement climatique, ces épisodes risquent de devenir de plus en plus fréquents). Les modèles envisagent donc une baisse lente de l'efficacité des puits de carbone. Cependant, le facteur principal de l'augmentation du CO2 atmosphérique reste l'importance des émissions humaines. N'oublions pas que ce facteur n'est pas scientifique (contrairement à l'efficacité des puits naturels) mais dépend plutôt de décisions individuelles, politiques et économiques (et sans doute philosophiques).
Voici les différents scénarios d'émissions, avec l'évolution du CO2 atmosphérique envisagée pour chaque scénario:
Évolution des émissions fossiles entre 2000 et 2100 selon cinq types de scénarios d'émissions,

avec, en dessous, évolution de la concentration atmosphérique en CO2

(source : 4ème rapport du GIEC, février 2007)
Attention, les émissions sont exprimées en milliards de tonnes de carbone par an, alors que tous nos calculs se sont faits en millions de tonnes de CO2 par an.

 

Les effets des puits naturels sur le cycle du carbone
Les puits naturels sont des réservoirs qui participent activement à deux types d'échanges entre eux : les échanges biologiques et les échanges physico-chimiques. La dynamique globale d'échange de carbone entre les réservoirs crée un cycle du carbone. Les échanges physico-chimiques se produisent entre les 4 enveloppes terrestres (biosphère, lithosphère, hydrosphère et atmosphère).
Les végétaux chlorophylliens et certaines bactéries peuvent transformer le carbone minéral du CO2 en carbone organique du glucose grâce à des mécanismes de photosynthèse en utilisant l'énergie solaire. La biosphère peut également transformer le carbone organique en carbone minéral : la respiration et la fermentation produisent du CO2 recueilli par l'atmosphère.
Le carbone contenu dans l'atmosphère sous forme de CO2 se dissout lentement dans l'hydrosphère (océans, mers, nappes phréatiques). Il y réagit avec le calcium pour former du carbonate de calcium CaCO3 qui précipite et se dépose au fond des océans. Les roches sédimentaires calcaires ainsi créées sont intégrées dans la lithosphère (croûte + partie superficielle du manteau supérieur).
La lithosphère relâche du carbone selon deux processus : le volcanisme qui libère brutalement une quantité importante de carbone sous forme de CO2, et l'érosion qui libère constamment le carbone contenu dans les roches.
Les feux de forêts (combustion de matière organique) et le chauffage urbain par combustion de matière organique fossile (pétrole, gaz, charbon) participent activement à l'apport de CO2 dans le réservoir atmosphérique.

Modification du cycle du carbone par l'industrialisation
Un réchauffement anormalement élevé du climat est très net depuis 1975. L'augmentation de la concentration des gaz à effet de serre dans l'atmosphère, créée par les activités anthropiques (industries, chauffage urbain, transports), en est la cause la plus probable puisque les simulations qui ne prennent pas en compte l'augmentation de la concentration des gaz à effet de serre liées aux activités humaines ne parviennent pas à reproduire correctement le climat observé durant les 100 dernières années. Un habitant de pays développé rejette jusqu'à 20 tonnes de CO2 par an. Un habitant de pays peu industrialisé rejette moins de 2 tonnes de CO2 par an. Cette production de dioxyde de carbone excède la capacité d'absorption de la nature. La quantité de carbone émise annuellement par l'économie mondiale représente environ le double de ce que les écosystèmes (océans, sols, végétation) sont capables d'absorber, le cycle naturel en équilibre étant proche de la saturation, ses capacités déjà occupées par le recyclage normal des émissions volcaniques et érosives. En s'accumulant dans l'atmosphère, le surplus provoque une intensification de l'effet de serre naturel, donc un réchauffement de la surface de la planète.

Conclusion

Le climat est naturellement variable comme en témoigne l'irrégularité des saisons d'une année sur l'autre. Cette variabilité est normale, et tient aux éruptions volcaniques, au rayonnement solaire et à d'autres composantes du système climatique. De plus, notre climat aussi a ses extrêmes (comme les inondations, sécheresses, grêle, tornades et ouragans) qui peuvent devenir dévastateurs.
Cependant, le réchauffement observé ces dernières années est anormalement élevé. Il est du aux gaz à effet de serre d'origine humaine et plus particulièrement au CO2. Il existe une nette corrélation entre le taux de CO2 et la température moyenne terrestre car les courbes de concentration de CO2 atmosphérique et de variation de la température moyenne à la surface du globe sont synchronisées. Au cours des 425 000 dernières années, des périodes froides ont coïncidé avec des périodes pendant lesquelles la concentration de CO2 dans l'atmosphère était inférieure.

On peut dire que l'homme est responsable du réchauffement climatique observé ces dernières années puisqu'il est à l'origine de l'excédant de CO2 que la nature ne peut réguler grâce aux puits naturels. Notre hypothèse est donc validée.

Le cycle du carbone est un processus lent et même si on arrêtait immédiatement de rejeter des gaz à effet de serre, il faudrait plusieurs centaines d'années avant que l'océan, le sol et les végétaux puissent absorber le dioxyde de carbone excédentaire. Pour stopper le réchauffement, il faudrait pouvoir éliminer le CO2 déjà rejeté dans l'atmosphère depuis plus de deux siècles ce qui est impossible, il faut donc se contenter de limiter son augmentation croissante, ce qui serait déjà bien!

Pour faire face au réchauffement de la planète, le protocole de Kyoto propose de renforcer ou mettre en place des politiques nationales de réduction des émissions. En effet aujourd'hui, on tente de privilégier les énergies renouvelables qui pourraient nous permettre de limiter notre dépendance envers la combustion du pétrole et de ses dérivés. Les États signataires du protocole de Kyoto se sont engagés à réduire leurs émissions de gaz à effet de serre d'au moins 5 % par rapport aux niveaux de 1990 durant la période 2008-2012.
Malgré les pressions, les pays en développement, même les plus émetteurs de CO2 (Inde, Chine...) ne sont astreints à aucun objectif de réduction afin que leur développement ne soit pas remis en cause. Les États-Unis ont refusé de ratifier le protocole de Kyoto. Les émissions américaines représentent pourtant 25 % des émissions mondiales. Les experts s'accordent sur le fait que les objectifs du protocole sont totalement insuffisants pour enrayer le processus de réchauffement.
L'énergie produite par les éoliennes, les capteurs solaires, les barrages et plus récemment les hydroliennes, sont les sources d'énergie renouvelables les plus répandues, ne contribuant pas à l'effet de serre. L'énergie nucléaire peut aussi être utilisée comme alternative aux combustibles fossiles.

Il existe également des carburants d'origine végétale qui produisent peu ou pas de dioxyde de carbone puisque les plantes dont ils sont issus en ont absorbé l'équivalent par photosynthèse au cours de leur croissance. Le remplacement du pétrole par le gaz naturel ou l'hydrogène est actuellement à l'essai dans plusieurs pays.

Enfin, pour faire diminuer le taux de dioxyde de carbone atmosphérique, l'idéal serait de pouvoir stimuler les puits naturels de carbone. La prévention de la déforestation, l'augmentation des surfaces forestières et la fertilisation de surfaces océaniques pourraient permettre d'augmenter le stockage naturel du carbone.

A présent, il est de la responsabilité de chacun d'entre nous de modifier nos attitudes pour réagir face à l'augmentation de l'effet de serre : faire des économies d'énergie dans les actes de la vie quotidienne, en particulier utiliser des modes de transports qui ne rejettent pas, ou le moins possible, de gaz à effet de serre. Les gestes au quotidien capables de faire bouger les choses sont nombreux et souvent anodins mais il ne faut pas sous-estimer leur efficacité qui peut être énorme si chacun y met du sien. La survie de notre planète et de tous ses habitants en dépend.

Bibliographie :
Science et vie hors série sur le réchauffement climatique
GEO : le réchauffement climatique
Livre de terminale SspéSVT, Belin
http://www.taraexpeditions.org
http://www.mission-polaire.ac-versailles.fr
http://www.meteo.fr/
http://www.effet-de-serre.gouv.fr/
http://www.inra.fr
http://www.science.gouv.fr
http://www.actu-environnement.com