L’étude des sources et des puits de carbone (Marc Jamous, IPSL (France )

Phoun - Shayes

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L’étude des sources et des puits de carbone (Marc Jamous, IPSL (France)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 m édia 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’atmosph ère 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 saisonni ères et journali ères de la concentration carbonée. Il nous para ît intéressant de faire expérimenter les élèves afin qu’ils supposent euxm êmes l’existence de ces variations.Les questions de d épart peuvent donc être :1. D’où provient le gaz carbonique de l’atmosph ère ?2. Comment la concentration en gaz carbonique de l’atmosph ère peutelle être relativement constante ?3. Pourquoi la concentration en gaz carbonique dans l’atmosph ère augmentetelle ?4. Estce que la concentration en gaz carbonique dans l’atmosph ère augmente en permanence ?5. Comment la concentration en gaz carbonique dans l’atmosph ère évoluetelle dans une journée ?6. Estce que la concentration en gaz carbonique dans l’atmosph ère est la même selon les saisons, selon le lieu géographique ?7. Estce que la concentration en gaz carbonique dans l’atmosph ...

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Extrait

L’étude des sources et des puits de carbone (Marc Jamous, IPSL (France)

L’augmentation de l’effet de serre est un phénomène relativement bien connu par lesélèves 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 lesélèves afin qu’ils supposent eux-mêmes l’existence de ces variations.

Les questions de départ peuvent doncêtre :

1. D’oùprovient le gaz carbonique de l’atmosphère ? 2. Comment la concentration en gaz carbonique de l’atmosphère peut-elleêtre relativement constante ? 3. Pourquoi la concentration en gaz carbonique dans l’atmosphère augmente-t-elle ? 4. Est-ce que la concentration en gaz carbonique dans l’atmosphère augmente en permanence ? 5. Comment la concentration en gaz carbonique dans l’atmosphèreévolue-t-elle dans une journée ? 6. Est-ce que la concentration en gaz carbonique dans l’atmosphère est la même selon les saisons, selon le lieu géographique ? 7. Est-ce que la concentration en gaz carbonique dans l’atmosphère est la même selon que nous soyons proches ouéloignés d’une source polluante ? 8. Est-il possible de discriminer entre la production de gaz carbonique « naturelle » et la production dueàl’homme (anthropique) ?

Pour répondreàces questions, le LSCE propose auxélèves 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. Lesélèves pourront aussi explorer leur environnement,équipés de capteursàCO2, afin de repérer des variations dues au lieu géographique,àl’heure de l’observation (matinée ou soirée),àun plus ou moins grandéloignement 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, lesélèves se déplaceront, munis de capteursàCO2. Ils pourront ainsi observer, entre autres, les variations locales et temporelles dues aux activités humaines (promenade près de routesàdifférentes circulations,àdifférentes 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 réalisébougies (pour enrichir l’air en gazes doivent pouvoir contenir des plantes, des carbonique), des récipients d’eau de mer, différents types de sols… Elles connaîtront ensuite

différentes phases d’éclairements et d’obscuritéet 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 libertéauxélèves pourélaborer 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 lesélèves se tromper, par exemple, ils peuvent ne pas s’attendreàce que les plantes respirent.

Il s’agira d’étudier d’abord deséchanges simples : la présence de plantes exposéesàla lumière fait augmenter la concentration d’oxygèbaisser la concentration de gaz carbonique, puis d’arriverne et à deséchanges plus compliqués : un sol riche en microorganisme « respire » (produit une augmentation de la concentration en gaz carbonique) ;àpartir de quelle quantitéde biomasse, un sol riche, produit une baisse de la concentration en gaz carbonique ? Par l’étude de ceséchanges, il serait intéressant d’arriver peuàpeuàla 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 plusélevée dans nos latitudes en hiver qu’enété. Le cycle journalier du carbone est dûauxéchanges gazeux de la respiration et de la photosynthèse. Mais il est influencé, sous nos latitudes, par les activités humaines, plus importantes la journée.

Après cesétudes, lesélèves seront capables de déduire de leurs observations les cycles journaliers et saisonniers du carbone. Ce serait alors le bon moment pour que lesélèves 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 expé: deux serres identiques mais dont l’une a unerimentaux concentration de gaz carbonique plusélevée 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 tempérapport de l’IPCC (Intergovernement Panel on Climaterature globale, Change), documents de vulgarisation…

Documents

http://acces.inrp.fr/acces/equipes/modelisation/travaux/CCCIC/html/ccc/html/html/accueil.html Ensemble de travaux réalisés par 7 enseignants du SVT sur le sujet dans l’académie d’Orléans-Tours. Dossier trètoujours facile, mais qui donne un grand nombre des riche, dont la navigation n’est pas renseignements pratiques et d’informations théoriques, permet de faire travailler lesélèves 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 deséchanges 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 déjàsentir : l’acidification des océans. Le LSCE estime qu’il est important de faire travailler desélèves sur ce sujet.

Les questions de départ possibles sont :

1. Existe-t-il deséchanges gazeux entre l’atmosphère et les océans ? 2. Est-ce que ceséchanges gazeux sont dépendants de la température ? 3. Est-ce que ceséchanges gazeux sont les mêmes en tout point du globe ? 4. Existe-t-il des conséquences sur les océansàl’augmentation de la concentration en gaz carbonique de l’atmosphère ?

Protocole

En remplissant plus ou moins un réde mer, en modifiant la concentration en gazcipient avec de l’eau carbonique de cette eau ou de l’air la recouvrant, puis en isolant hermétiquement ce récipient, il est possible d’étudier leséchanges carbonél’eau de mer. Un pot de confiture, un bs entre l’air et écher est suffisant. Les concentrations en gaz carbonique dans les deux milieux peuventêtre mesurées par des sondes, mais ce n’est pas nécessaire. Il est plus intéressant de placer une sondeàpH dans l’eau de mer.

Comme premier montage, nous proposons ceci : un pot de confiture rempliàmoitiéd’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’oxygèpH de l’eau de mer est ensuite mesurne. Le érégulièrement, ou aprècertain temps, si on n’a pas rs un éussiàobtenir un système permettant une mesure tout en gardant le récipient herméOn remarque alors que l’eau s’acidifie rtique. égulièrement.

Ainsi, l’eau de mer absorbe bien le gaz carbonique en excès dans l’atmosphère, mais ce phénomène est limité(l’utilisation d’une sondeàgaz carbonique est alors conseillée) et provoque surtout une acidification. Les conséquences de cette acidification peuvent aussiêtre explorées en ajoutant des coquilles d’organismes marins (palourdes, coques…) ou du corail (plus difficileàtrouver) dans l’eau de mer. Une coquille de coque laissée dans une eau de mer maintenueàun pH légèrement acide (pendant le protocole décrit ci-dessus, par exemple) se décalcifie et cette décalcification est observableàl’œil nu après une semaine.

CO2

L’eau de mer

coquille

Il est ensuite intéressant de réaliser le protocole citéen exempleàdifférentes températures. Mais comme pour les pistes précédentes, il est important que l’idée vienne desélèves et non du professeur. Ces montages simples permettent d’élaborer un grand nombre de protocoles différents. Lesélèla voie inverse : on enrichit l’eau de mer en gaz carbonique (parves peuvent aussi explorer 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 deséchanges dépend de la température.

Prolongements

Lesélèves pourront chercher des articles dans la presse sur l’acidification des océans et les conséquences sur les chaînes alimentaires.