oce_etape1
Mise en place d'un modèle mettant en jeu les échanges entre l'atmosphère et l'hydrosphère
Un problème est posé
Les émissions de CO2 d'origine anthropique sont connues : sur 150 ans (depuis 1850), l ’apport est estimé à 282 Gt de Carbone. Ces émissions se sont en partie accumulées dans le réservoir atmosphérique dont la capacité a été estimée à 600 Gt en 1850. Des études révèlent que sur les 10 dernières années, sur les 64 Gt de Carbone d'origine anthropique qui ont été dispersés dans l'atmosphère il n’en reste qu’environ 50%.
Où est allée l'autre moitié des émissions anthropiques de CO2 ?
Des hypothèses sont émises
Peut -on mettre en évidence l'existence un transfert de CO2 de l'atmosphère vers l'océan?
Les données de terrain
Le document ci-dessous, disponible sur le site de l'université de Columbia http://ingrid.ldeo.columbia.edu/SOURCES/.LDEO/.Takahashi/.dataset_documentation.html (Takahashi, et al.) traduit le bilan net des échanges entre l'atmosphère et l'océan de surface au cours de l'année 1990.
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Flux annuel de carbone entre l'atmosphère et l'océan de surface
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On constate qu'il existe des régions océaniques importatrices de CO2 plutôt situées aux hautes latitudes et des régions exportatrices, essentiellement aux basses latitudes.
Peut-on établir un bilan global des échanges ?En comptabilisant le nombre de pixels des différentes zones de la carte des échanges, on peut espérer en avoir une idée approximative.
Le logiciel Mesurim développé par JF Madre (académie d'Amiens) permet cette comptabilité : |
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Par ailleurs une bonne corrélation existe entre le sens des échanges océan/atmosphère et la latitude. Les régions océaniques exportatrices de CO2 sont très majoritairement situées au faibles latitudes. La température est probablement un facteur influant fortement sur les importations de CO2 par l'océan.
Cette hypothèse doit être éprouvée par l'expérience. Cette étude expérimentale sur l'influence de la température prend tout son intérêt dans le cadre du réchauffement climatique : l'océan va t-il continuer à absorber une partie du CO2 d'origine anthropique ?
Étude en laboratoire
Le modèle analogique
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Dans une enceinte hermétiquement fermée et remplie à moitié par de l'eau de mer, deux sondes enregistrent la concentration en CO2, l'une dans l'air, l'autre dans l'eau de mer. On augmente progressivement la teneur en CO2 de l'atmosphère en soufflant régulièrement (et pas trop fort) de l'air expiré dans un récipient qui communique avec l'enceinte (ce récipient intermédiaire évite de trop grandes turbulences et fluctuations dans l'enceinte).
Deux expériences sont menées à 10°C et 30°C. L'eau de mer est préalablement mise à ces températures avant introduction dans l'enceinte. Pour maintenir constante la température tout au long de l'expérience, l'enceinte est placée dans un bain thermostatique. On s'efforce de maintenir une évolution identique de la teneur en CO2 dans l'atmosphère pour les deux expériences en jouant sur l'expiration. |
Résultats
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L'augmentation de la concentration en CO2 dans l'air est suivie d'une augmentation de la teneur en CO2 de l'eau, quelle que soit la température, et provoque donc un flux air-->eau de gaz. On comprend ainsi qu'une partie du CO2 d'origine anthropique puisse passer dans l'océan.
Mais le transfert est moins important dans une eau à 30°C que dans une eau à 15°C.Avec le réchauffement du climat et donc de l'océan de surface, la capacité de l'océan à absorber les rejets anthropiques de CO2 va donc diminuer.
Un refroidissement favorise donc le transfert du CO2 vers l'océan, une élévation de température a l'effet inverse.
L'enseignant précise que la température et la salinité influent sur la solubilité du CO2 dans l'eau (consulter la rubrique ressources pour plus de renseignements): la solubilité diminue quand la salinité et la température augmentent |
Dans le cadre d'une politique volontariste de réduction des émissions de CO2 qui aboutirait à une baisse de son taux atmosphérique, quelle serait la réaction de l'océan ?
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L'eau de mer importe du CO2 lorsque sa teneur augmente dans l'atmosphère. Le flux est inversé lorsque sa teneur diminue. L'eau de mer restitue du CO2 à l'atmosphère. Les échanges entre l'atmosphère et l'océan dépendent de la différence de concentration en CO2 entre l'air et l'eau.
Si l'on parvenait à diminuer le taux de CO2 dans l'atmosphère, l'océan restituerait du CO2
emmagasiné.
Bilan : Les études sur le terrain et en laboratoire ont montré que les échanges de CO2 entre l'atmosphère et l'océan dépendaient de la différence de concentration en ce gaz dans les deux milieux. Si l'océan est pour l'instant globalement importateur, des flux inverses peuvent s'observer dans certaines régions. La température qui modifie la solubilité du CO2 pouvant en partie expliquer les variations géographiques de flux.
(Les régions exportatrices sont également des régions où de l'eau riche en CO2 remonte des profondeurs.) |
On peut, à cette étape de la démarche, modéliser les échanges océan -atmosphère sous forme d'un schéma.
Modélisation des échanges :
On introduit ici les notions de modèle à compartiments et de flux.
Le CO2 dissous ne constitue qu'une faible proportion (~ 1%) du total des espèces carbonatées (TCO2) dans l'eau de mer, un apport supplémentaire de CO2 dans l'océan déplace l'équilibre chimique entre les espèces ioniques et l'augmentation relative concomitante de TCO2 est considérablement plus faible que celle en CO2 dissous.
Cet équilibre entre les différences espèces de carbone inorganique peut se traduire sous la forme suivante :
CO2 + CO32- + H2O <==> 2 HCO3-
On peut alors utiliser le modèle construit pour tenter de résoudre le problème suivant :
Étape suivante : le modèle numérique