Introduction à l'enseignement pluridisciplinaire de sciences

C O U R S D ' E N S E I G N E M E N T S C I E N T I F I Q U E – T e r m i n a l e ( n o t i o n s d e S V T ) | 1

La science augmente nos connaissances à l'aide d'observations tangibles, répétables et mesurables. La science se rapproche de la vérité car elle est basée sur la recherche systématique de l'erreur.

Introduction à l'enseignement pluridisciplinaire de sciences

Que cherche-t-on ? Avoir raison ou chercher la vérité pour comprendre notre environnement complexe ?

Comment raisonner de façon correcte au quotidien ?

système Méthode intuitive Méthode analytique

processus inné acquis

rapidité rapide et simpliste lent et complexe

fiabilité peu fiable très fiable

émotion vs raison émotion ( indignation - peur - envie ... ) raison - réflexion

jugement jugement sollicité suspension de jugement

Faits ou opinions ? Basé sur des convictions préétablies Basé sur les faits

Pensée biaisée Dissonance cognitive et biais de confirmation Absence de biais

Pour résumer : "Je veux croire" "analysons objectivement et rigoureusement"

Quelques citations utiles dans la compréhension des sciences

Ce qui est affirmé sans preuve, peut être nié sans preuve Euclide Définir, c'est limiter Oscar Wilde Le plus grand ennemi de la connaissance n'est pas l'ignorance mais l'illusion de la connaissance. Stephen Hawking La science est un ensemble d'erreurs rectifiées Gaston Bachelard La science est l'asymptote de la vérité Victor Hugo



Évaluation des compétences en Sciences

- Restituer et mobiliser les connaissances exigibles, expliquer leur mode de construction et leur

évolution au cours de l'histoire des sciences ( synthèse / vie courante )

ex. comment est-on arrivé à comprendre l'évolution des espèces et quel est le lien avec la résistance des

bactéries aux antibiotiques ? Comment fonctionne la vaccination ? Comment peut-on dater des roches ?

- Rechercher, extraire et exploiter l'information utile ( analyse de documents / vie courante )

ex. comment comprendre comment agit une drogue sur l'organisme humain ? La Lune possède-t-elle une

influence sur le corps humain ? Quelles sont les causes de cette maladie ? Comment chercher sur internet ?

- Raisonner, argumenter, démontrer en exerçant un regard critique ( analyse de docs / vie courante )

Ex de propos lus sur internet : la Lune agit sur la qualité du sommeil. Les vaccins sont dangereux.

L'acupuncture est utilisée comme anesthésiant général pour des opérations à cœur ouvert . Le curcuma est

un aliment miracle qui soigne le cancer. La cure détox vous permettra de perdre des kilos après les fêtes. On

peut utiliser la géothermie en Franche-Comté pour s'affranchir du nucléaire. Un produit naturel est bon. La

Terre a 5000 ans.

- Communiquer à l'écrit et à l'oral en utilisant un langage rigoureux et des outils pertinents pour une

argumentation péremptoire ( analyse de documents / synthèse / vie courante )

ex. Débattre en classe , sur les réseaux sociaux ou dans un devoir sur un sujet de société. Qu'est ce que la

GPA ? la vaccination ? le SIDA se transmet-il par la salive ? Et pourquoi pas ? Le cannabis n'est pas

dangereux, vrai ou faux ? Qu'est ce qu'un pharmakon ? le rasoir d'Ockham ? un biais de perception ?

Quelle est la différence entre science et croyance ? Le monde est complexe, vous devez en saisir les subtilités

pour le comprendre.

- Analyser un problème et concevoir un protocole ( TP / analyse de documents )

ex. Comment capter des émissions à ultrasons de chauve-souris ? Comment mettre en évidence la présence de

pigments chlorophyllien au sein d'une espèce végétale ? Comment tester l'efficacité de bouchons d'oreille ?

- Valider ou invalider une hypothèse , un résultat d'expérience via un raisonnement rigoureux ( TP /

analyse de documents / vie courante )

ex. Le réchauffement climatique est-il réel ? Les écosystèmes coralliens sont-ils en danger ? La Terre est-elle

plate ? La Terre a-t-elle 5000 ans ? Le Wifi est-il dangereux ? La tisane detox agit-elle vraiment sur nous ?

Ne cessez jamais d'être PLOC dans votre raisonnement ! Cédric Soulier



Rappels de philosophie issus de cours d’enseignement scientifique à impérativement savoir :

- Un dogme est une affirmation établie comme une vérité fondamentale, incontestable. Le doute n’est alors pas permis. La science, elle, remet régulièrement son contenu en doute.

- Une science, contrairement à une croyance, se base sur des faits vérifiables. Autrement dit, la science peut se justifier (via la démarche expérimentale) contrairement à la croyance.

En d’autres termes : La science permet de construire un savoir plus fiable qu’une croyance ou qu’un dogme. C’est le critère de réfutabilité qui oppose la théorie scientifique et le dogme. Les nouvelles observations avec les nouvelles technologies, en employant la méthode scientifique (observations, expérimentations reproductibles et mesurables, déduction ) permettent d’affiner ou de corriger les théories formulées dans le passé. En effet, c’est grâce au processus d’autocorrection permanent que le savoir augmente. Si les scientifiques savent de plus en plus, c’est parce que justement, ils savent qu’ils ne savent pas tout.

Rappels des cours de 1ère



Ens. Scientifique - SVT TThhèèmmee 11 : SScciieennccee,, cclliimmaatt eett ssoocciiééttéé



I ) L’atmosphère terrestre et la Vie 1) L’atmosphère primitive et son évolution

Observation : La composition actuelle de l’atmosphère permet la respiration. Elle est composée de 21% de dioxygène, de 78% de diazote et 0,03% de dioxyde de carbone. Comment l’atmosphère terrestre s’est-elle-formée ? Il y a environ 4,6 Ga ( Ga = milliards d’années ), la Terre s’est formée, simultanément à l’ensemble du système solaire, par accrétion d’astéroïdes. Une atmosphère primitive s’est créée, alimentée notamment par le dégazage du manteau de la Terre lors d’éruptions volcaniques. Cette atmosphère, essentiellement composée d’eau (80 à 90 %) avec une grande quantité de dioxyde de carbone (10 à 20%) et peu d’azote (1 à 3%) était impropre à la Vie. Or, l’énergie mécanique de l’accrétion de matériaux rocheux s’est convertie en énergie thermique. La température était tellement élevée (+ de 1500°C) que l’eau ne pouvait exister que sous forme de vapeur d’eau. Par la suite, avec la dissipation de la chaleur, l’atmosphère riche en eau s’est refroidie en même temps que sa surface. Lorsque la température de l’atmosphère est descendue en-dessous de 100°C, l’eau est passée de l’état gazeux à l’état liquide (liquéfaction) entrainant l’apparition des océans dans lesquels a pu se développer la Vie. L’étude de zircons (le zircon est un minéral très résistant, le plus vieux matériau terrestre connu à ce jour) de 4,4 Ga permet de déterminer que ces minéraux se sont formés dans un environnement riche en eau liquide. L’ensemble de l’eau disponible sur Terre représente l’hydrosphère. Elle comprend les océans, les rivières, les lacs, les nappes phréatiques, les glaciers …. La biosphère représente l’ensemble des êtres vivants. Elle est en interaction permanente avec l’atmosphère et l’hydrosphère. La géosphère représente la partie solide du globe terrestre et l’atmosphère l’enveloppe gazeuse qui l’entoure.

Savoir-faire : déterminer les états physiques de l’eau en fonction de différents paramètres



2) La Vie et l’apparition du dioxygène Observation : L’atmosphère actuelle comprend 21% de dioxygène alors que l’atmosphère primitive n’en comportait pas. Comment est apparu le dioxygène atmosphérique ? a) Un témoin de la présence de dioxygène

On observe de grands gisements de fer oxydé en Australie, en Afrique du Sud et au Canada (Labrador) entre 2 et 3 Ga. Comment se sont-ils formés ? Les fers rubanés ou BIF (Banded Iron Formation) sont des roches sédimentaires marines constituées essentiellement d’hématite (Fe2O3) dans laquelle le fer est à l’état ferrique Fe3+ En effet, le fer existe sous deux formes :

- Le fer ferrique Fe3+ , caractéristique d’un milieu oxydant (il est insoluble dans une eau à pH neutre) - Le fer ferreux Fe2+ , caractéristique d’un milieu réducteur (il est soluble dans une eau à pH

neutre ou légèrement acide) Le fer ne peut donc circuler que sous sa forme réduite Fe2+ , en solution dans l’eau Or, les enveloppes fluides de la Terre (atmosphère et hydrosphère) sont en interaction permanente avec la biosphère et la lithosphère. Le passage du fer solide de l’état Fe2+ (réduit) à l’état Fe3+ (oxydé) est une oxydation qui témoigne de l’apparition de dioxygène dans les océans. Cela s’est produit entre 3,5 et 3 Ga. En effet, dans les océans, le fer, issu de l’altération des roches continentales, est sous forme Fe2+. Au contact de l’O2, il se précipite sous forme d’oxyde de fer insoluble dans l’eau : l’hématite Fe2O3. Équation simplifiée de l’oxydation du fer en hématite : 4Fe + 3O2 2Fe2O3 b) L’origine du dioxygène

A cette même date ( 3,5 Ga ), on observe des formations calcaires liée à une forte activité biologique : les stromatolithes. Par leur métabolisme photosynthétique ( 6CO2 + 12H2O + lumière C6H12O6 + 6O2 + 6H2O ), des algues chlorophylliennes appelées cyanobactéries ont produit du dioxygène qui a oxydé les espèces chimiques réduites de l’océan. c) Une atmosphère désormais oxydante

Avant 1,8 Ga, la présence de dépôts continentaux d’uranium sous sa forme réduite témoigne de l’absence d’oxygène dans l’atmosphère. Après 2,2 Ga, on trouve, non seulement de l’uranium oxydé mais aussi des paléosols (sols anciens) continentaux rouges riches en fer oxydé. Ces éléments nous montrent qu’entre -1,8 Ga et -2,4 Ga, l’atmosphère s’est considérablement enrichie en dioxygène. En effet, l’oxygène dissous dans les océans s’est diffusé dans l’atmosphère. L’atmosphère devient oxydante et le sol oxydé. Cette période appelée « grande oxydation » a eu des conséquences sur l’érosion des continents, la composition chimique des océans, le climat et l’évolution de la Vie. Savoir-faire : ajuster des équations de réactions chimiques d’oxydation du fer



hydroxyde ferrique oxyde ferrique



Documents utiles pour comprendre l’évolution du taux de dioxygène dans l’hydrosphère

Doc. 1 : évolution de la concentration en O2 d’une suspension de cyanobactéries à 20°C à l’obscurité et à la lumière en fonction du temps et de la présence dans le milieu en ions ferreux. Doc. 2 : structure et composition en pigments de cyanobactéries



Doc. 3



3) L’élément oxygène dans notre atmosphère Observation : l’activité métabolique des premiers êtres vivants modifie l’atmosphère. Comment l’élément oxygène permet-il le développement de la Vie ? a) Les sources et puits de dioxygène

Il y a 1,5 Ga, apparaissent les premières cellules eucaryotes (possédant un noyau) mais c’est vers -600 Ma qu’on assiste à une considérable diversification de la Vie dans les océans avec la faune d’Édiacara puis avec la faune de Burgess il y a 500 Ma ( début de l’ère primaire ). A cette période, l’atmosphère atteint sa concentration actuelle en dioxygène (21%) Les organismes eucaryotes pratiquent la respiration qui consiste en une oxydation de la matière organique en présence de dioxygène. Matière organique + O2 CO2 + H2O + énergie ( dont thermique ) cf cours année dernière. La respiration peut être représentée par la même équation que la combustion de la matière organique. Respiration et combustion sont donc des puits de dioxygène. Outre la pratique de la respiration, les organismes chlorophylliens réalisent la photosynthèse qui libère du dioxygène. On en déduit que la photosynthèse est une source de dioxygène. Jusqu’à de nos jours, le taux de dioxygène dans l’air était en équilibre car les sources de dioxygène (activité respiratoire) compensaient les puits de dioxygène (activité photosynthétique). On peut noter que, contrairement à ce qu’on peut penser, l’Amazonie n’est pas LE poumon vert de la planète. En effet, en produisant plus de la moitié du dioxygène de la planète, le phytoplancton (organismes chlorophylliens en suspension dans l’eau) des océans est le premier recycleur de dioxygène dans l’air que nous respirons. Il est toutefois important de ne pas négliger le rôle important des forêts équatoriales non seulement pour sa contribution dans la production de dioxygène mais aussi pour sa forte biodiversité.

Néanmoins, autant il existe des combustions naturelles (comme certains feux de forêt) mais il existe également des combustions anthropiques, c’est-à-dire qui résulte de l’intervention humaine. On peut citer la combustion du bois ou l’utilisation des énergies fossiles tels que le gaz, le charbon, le pétrole (cf thème 2 sur les défis énergétiques) ou les incendies d’origine humaine tels que ceux réalisés dans la forêt amazonienne, en Indonésie ou la forêt du bassin du Congo, afin d’agrandir les surfaces de cultivables. Un déséquilibre entre puits et source de O2 s’amorce.

b) La couche d’ozone protectrice

Vers -400 Ma, le dioxygène atmosphérique commence à se transformer, sous l’effet du rayonnement solaire, en ozone O3. D’après l’étude du spectre d’absorption de l’ozone (gaz surtout présent à 30 km d’altitude), on s’aperçoit qu’une partie des rayons ultraviolets sont absorbés, notamment les UV-C. Or, l’absorption des UV-C par l’ADN implique de graves mutations pouvant être létales. La présence de la couche d’ozone limite ainsi l’effet mutagène délétère des UV et protège les êtres vivants qui peuvent alors coloniser tous les milieux terrestres. En 1987, l’accord international intitulé « protocole de Montréal » proscrit la production et l’usage de CFC (chlorofluorocarbones) à l’origine de la résorption de la couche d’ozone (apparition du trou de la couche d’ozone en 1985) responsable de l’augmentation des cancers de la peau et dégâts oculaires par mutation. Dans un contexte de changement climatique global, nous ne pouvons cependant savoir avec certitude, si la couche d’ozone se reconstituera totalement.

Savoir-faire : interpréter des spectres d’absorption de l’ozone et de l’ADN dans les UV



4) Le cycle du carbone et l’atmosphère Observation : Il existe de nombreux réservoirs naturels de carbone Quelle est l’influence des activités humaines sur le cycle du carbone ? a) Les stocks de carbone ( = réservoirs naturels de carbone ) A l’échelle de la planète, le carbone est stocké dans différents réservoirs : - L’atmosphère principalement sous forme de CO2 et à moindre mesure de méthane CH4 - La biosphère sous forme de biomasse. En effet, la matière organique, fabriquée par les

êtres vivants est constituée principalement des atomes CHO - L’hydrosphère sous forme de carbonates dissous ( ion hydrogénocarbonate HCO3

- ) - La lithosphère sous forme de roches carbonatées comme le calcaire ( CaCO3 ou carbonate

de calcium ) ou de biomasse fossilisée sous forme d’hydrocarbures comme le charbon , le pétrole ou le gaz naturel.

b) Les échanges entre réservoirs ( = le cycle du carbone ) Entre ces différents réservoirs s’effectuent des échanges qui peuvent être quantifiés en Gt/an Le carbone circule entre l’atmosphère et la biosphère :

- la respiration et la fermentation (source de CO2) libèrent du CO2 - la photosynthèse (puits de CO2) capture du CO2 sous forme de matière organique

Ainsi, tous les êtres vivants présents dans la forêt (arbres compris) respirent et par définition consomment du dioxygène et rejettent du dioxyde de carbone dans l’atmosphère. Le dioxyde de carbone et le dioxygène sont alors constamment régénérés dans l’atmosphère. Les forêts âgées sont des écosystèmes équilibrés : la libération par respiration de CO2 dans l’atmosphère est égale à la consommation de CO2 atmosphérique par photosynthèse. En revanche, les forêts jeunes, par conséquent en croissance, fixent plus de CO2 qu’elles n’en libèrent car elles produisent énormément de matières organiques. Elles agissent comme de véritables puits de carbone en piégeant le CO2 atmosphérique. Dans l’océan, le CO2 dissous est en équilibre avec le HCO3

- selon la réaction :

CO2 + 2H2O H3O+ + HCO3-

Une diminution de la température favorise la dissolution du CO2. Ainsi, les eaux polaires captent le CO2 atmosphérique, tandis que les eaux équatoriales en rejettent. Lors de la formation des roches carbonatées, le carbone passe de l’océan à la lithosphère selon la réaction :

2 ( HCO3-) + Ca2+ CO2 + CaCO3 + H2O

Enfin, du CO2 est rejeté par la lithosphère dans l’atmosphère via les volcans.



Schéma-bilan du cycle du carbone

( méthane ) ( biomasse )

( calcaire ) ( charbon / pétrole )

c) Les combustibles fossiles : l’exemple du charbon

Les combustibles fossiles ont tous une origine biologique : ils sont tous issus d’une biomasse ( concentration élevée en carbone ). Le charbon de la plupart des bassins miniers français ( St Etienne , Le Creusot, les bassins miniers du nord de la France) a pour origine le bois des forêts tropicales marécageuses datant de plus de 300 millions d'années. Le charbon résulte de la décomposition dans l'eau, à l'abri de l'air, de débris de végétaux terrestres (feuilles, tronc, branches...), autrement dit, de la décomposition de la biomasse végétale. Habituellement quand les végétaux d'une forêt meurent, les longues molécules organiques qui les constituent sont décomposées par l'action des organismes décomposeurs. Ces transformations chimiques consomment du dioxygène. C'est pourquoi, lorsqu'une grande quantité de végétaux se trouve noyée dans une couche d'eau peu profonde, celle-ci s'appauvrit en dioxygène. Une partie des végétaux morts peut alors échapper à la dégradation par ces organismes. Grâce à l’érosion, les cours d’eau entraînent des sédiments (sable, argiles) qui recouvrent peu à peu la couche du futur charbon. Dans ces conditions, sous l'action de bactéries vivant en l'absence de dioxygène et sous l'effet d'une augmentation lente de la pression et de la température, liée à l'enfouissement très lent et progressif des débris, les molécules organiques végétales évoluent : les



molécules volatiles (O2, H2 et N2) sont libérées et le carbone se concentre (houille : 55 à 75 % de Carbone, lignite : 75 à 90 % de C, anthracite : + de 90 % de C). L’enfoncement du bassin sédimentaire (autrement appelé subsidence) permet d’assurer une accumulation de sédiments sur des épaisseurs importantes et donc une évolution du charbon de plus en plus concentré en carbone. Ce processus dure plusieurs millions d'années et conduit à la transformation des végétaux morts en charbon que l'on trouve le plus fréquemment en de nombreuses couches (= veines) superposées. Le charbon est par conséquent une ressource naturelle qui s'épuise et qui est non renouvelable à court terme. Le pétrole quant à lui résulte de l’enfouissement lent du plancton marin dans les mêmes conditions. La combustion d’une énergie fossile restitue à l’atmosphère du CO2 prélevé par photosynthèse et piégé durant des millions d’années dans la roche. ( cf cycle du carbone )

Schéma-bilan de la formation du charbon

Développement d’une forêt

marécageuse au bord de l’eau.

Destruction et immersion de la forêt.

Enfoncement du bassin : subsidence

Des sédiments se déposent au fur et à

mesure : la subsidence continue.

La subsidence continue :

La biomasse se transforme en charbon.

Une nouvelle forêt apparaît au bord de l’eau.



d) Le CO2 atmosphérique d’origine anthropique

Depuis le début de l’ère industrielle, la corrélation entre les activités humaines et l’augmentation du taux de CO2 atmosphérique est établie scientifiquement. La combustion de la biomasse fossile qui permet de produire de l’énergie en est la principale cause. Or, les réserves de combustibles fossiles sont utilisées beaucoup plus rapidement que le temps nécessaire à leur formation. Elles sont, pour cette raison, considérées comme des sources d’énergie non renouvelables. La combustion de ces hydrocarbures (comme tout combustion) libère du dioxyde de carbone dans l’atmosphère et modifie le cycle naturel du carbone. e) La déforestation et ses conséquences

Les arbres absorbent et stockent du CO2 grâce à la photosynthèse, et les forêts sont de formidables puits de carbone. Ainsi, la déforestation réduit non seulement cette capacité à stocker du CO2, mais pire encore, elle est, elle-même, une cause majeure de la crise climatique : d’après le GIEC, la déforestation serait à l’origine de 12% des émissions de CO2. Ces perturbations du cycle du carbone sont considérées comme d’origine anthropique. Savoir-faire : comparer des stocks de carbone et identifier des flux de carbone entre réservoirs



5) Schéma-bilan



II) La complexité du système climatique 1) La notion de climat

Observation : c’est à partir des mesures météorologiques, à l’échelle régionale et sur une période de 30 ans, qu’il est possible d’estimer la température moyenne de la Terre. a) La Climatologie est la science des climats

Le climat d’une région se définit par l’ensemble des conditions météorologiques que l’on y rencontre à chaque saison. Les grandeurs atmosphériques observées pour définir un climat sont principalement :

- La température - La pression atmosphérique - Le degré d’hygrométrie - La pluviométrie - La nébulosité - La vitesse et la direction des vents

La climatologie étudie les variations du climat local ou global, à moyen ou long terme (sur plusieurs années, siècles, millénaires, etc.). b) La météorologie est une science de prévision à court terme (cf ci-contre) La météorologie, fondée sur les lois de la physique des gaz et des fluides, étudie les phénomènes atmosphériques sur des périodes courtes ( de quelques jours à quelques semaines) et pour des régions géographiques limitées, dans un but prévisionnel. Savoir-faire : distinguer la climatologie de la météorologie



2) Le climat à différentes échelles de temps

Observation : Au cours de l’histoire de la Terre, le climat a subi des variations que l’on peut reconstituer grâce à des indicateurs climatiques. a) Les indicateurs climatiques La température est un indicateur majeur du climat. Elle peut être mesurée in situ ou depuis l’espace par des satellites. Les températures mesurées permettent de calculer une température moyenne à l’échelle d’une région ou de la Terre. La température globale à la surface de notre planète est actuellement de 15°C (elle était de 14°C le siècle dernier) Les températures du passé sont connues indirectement, en établissant une relation avec une autre grandeur comme la date des vendages qui recule, la fonte des glaciers ou la vitesse de croissance des arbres. L’analyse des glaces polaires et des grains de pollen piégés dans des tourbières ou des marais permettent également de reconstituer des climats passés. b) Les variations du climat à l’ère Quaternaire Les glaces polaires (arctiques et antarctiques) comportent des bulles de glace emprisonnées. On peut alors estimer les teneurs en CO2 atmosphérique selon les glaces formées à des périodes différentes. Or, le CO2 est un gaz à effet de serre impliqué dans les changements climatiques. Ainsi, la période du Quaternaire ( période allant de -2,6 Ma à l’actuel ) se caractérise par une forte oscillation climatique. Ainsi, lors du dernier million d’années, le climat oscille entre des périodes glaciaires plus froides et longues (environ 90 000 ans) et des périodes interglaciaires plus chaudes et beaucoup plus courtes (entre 10 000 et 40 000 ans). L’amplitude maximale de la température globale terrestre atteint 10°C (les glaciers alpins étaient aux portes de Lyon il y a 180 000 ans !) c) Les variations du climat lors du dernier millénaire Au cours du dernier millénaire, la température globale de la Terre est assez stable. Elle montre de faibles variations (moins de 1°C), avec une tendance au refroidissement pendant la période dite du « petit âge glaciaire » entre 1350 et 1900. (A Lyon, on pouvait marcher sur la Saône gelée en hiver !) Depuis 150 ans, on observe, au contraire, un réchauffement climatique global rapide d’environ 1°C. Ainsi, si l’on remonte sur plusieurs centaines de milliers d’années, on constate que l’augmentation de la température globale de la Terre et de la concentration atmosphérique en CO2 n’a jamais été aussi rapide que ces 150 dernières années (depuis la révolution industrielle qui débute vers 1850) Savoir-faire : identifier des traces géologiques de variations climatiques dans le passé



1941 2004

Doc.a : Glacier Muir en Alaska



3) Les effets de gaz à effet de serre

Observation : le réchauffement climatique est lié au déséquilibre du bilan radiatif terrestre induit par l’Homme lors de la période industrielle. a) Les indicateurs du réchauffement climatique L’augmentation de la température moyenne globale a débuté vers 1850 mais s’est accentuée après 1900. Le niveau marin, indicateur du réchauffement climatique, a augmenté d’environ 20 cm depuis 1900. En effet, avec la chaleur, l’eau se dilate et augmente de volume (dilatation thermique) Ces augmentations de la température et du niveau des océans peuvent être mises en parallèle avec celles des teneurs de l’atmosphère en gaz à effet de serre. (GES) :

- Le dioxyde de carbone : CO2 - Le méthane : CH4 - L’oxyde nitreux : N2O - La vapeur d’eau : H2O

Les teneurs en GES ont fortement augmenté en raison des émissions engendrées par les activités humaines depuis l’époque industrielle. b) Augmentation de la concentration atmosphérique en gaz à effet de serre Même si le rayonnement solaire incident (reçu à la surface de l’atmosphère) est partiellement absorbé et réfléchi par les aérosols et la vapeur d’eau, l’atmosphère se comporte pour l’essentiel comme une couche transparente . Ainsi, la majorité du rayonnement solaire incident est absorbé par la surface de la Terre (océans et continents) avant d’être réémis avec une longueur d’onde différent, sous forme de rayons infrarouges (IR) cf cours de l’année dernière. Or, les gaz à effet de serre absorbent la plus grande partie des rayons infrarouges. Ainsi piégés par l’atmosphère, les rayons IR ne sont pas réémis dans l’espace mais participent au réchauffement de l’atmosphère. Ils peuvent alors être réémis vers le sol. Un gaz à effet de serre est un gaz qui, en piégeant les infra-rouges, participe à l’augmentation de la température atmosphérique. c) Augmentation du forçage radiatif Avant l’ère industrielle, la Terre était en équilibre radiatif, c’est-à-dire qu’elle absorbait autant de rayonnement (et donc d’énergie) qu’elle en renvoyait dans l’espace. Son bilan radiatif était nul. Néanmoins, l’augmentation de la teneur atmosphérique des gaz anthropiques a modifié cet équilibre radiatif. On parle de forçage radiatif anthropique. Le système Terre/atmosphère absorbe toujours 240 W/m2 mais n’en émet que 239 W/m2 vers l’espace (1% est absorbé) Le forçage radiatif est défini comme la différence entre l’énergie radiative reçue et l’énergie radiative émise. Ce déséquilibre s’explique en raison de l’absorption par les océans, les continents et l’atmosphère, de davantage de rayonnements infrarouges émis par la surface de la Terre. Savoir-faire : déterminer les capacités d’un gaz à influencer l’effet de serre



240 W.m-2

240 W.m-2

en équilibre



4) L’augmentation de la température de l’atmosphère

Observation : la dynamique du réchauffement climatique résulte des interactions entre les différentes enveloppes externes du globe. a) Notion de rétroaction climatique Le système climatique est un système complexe au sein duquel l’atmosphère, l’océan, les continents, la cryosphère (ensemble des glaces) et la biosphère interagissent en échangeant notamment de l’eau, du CO2 et de l’énergie. Toute perturbation de l’une de ces enveloppes externes va agir sur les autres enveloppes. Une rétroaction est une action en retour par rapport à un effet qui lui a donné naissance. Dans le cas du réchauffement climatique, le forçage radiatif positif va donner lieu à des rétroactions qui vont amplifier le réchauffement (rétroactions positives) ou au contraire l’atténuer (rétroactions négatives). b) Les phénomènes amplificateurs du réchauffement climatique (rétroactions positives) Le réchauffement climatique provoque :

- Une évaporation plus importante à la surface du globe d’où une augmentation de la concentration atmosphérique en vapeur d’eau, gaz à effet de serre qui réchauffe le climat

- Une diminution de l’albedo terrestre et donc une augmentation de l’absorption du rayonnement (avec augmentation du rayonnement infrarouge émis par la Terre) à cause de la diminution de la surface couverte par les glaces de mer ou continentales

- Un dégel partiel du permafrost qui renferme de grandes quantités de méthane, gaz à effet de serre au potentiel de réchauffement 28 fois supérieur à celui du CO2 (le permafrost ou pergélisol est un sol gelé en permanence situé en altitude et dans les hautes latitudes)

- Une diminution de la solubilité du CO2 dans les océans. Le CO2 s’accumule alors dans l’atmosphère participant à une nouvelle augmentation de la température Ceci montre que l’augmentation de la température moyenne terrestre renforce davantage l’effet de serre et entraine l’emballement du système climatique. c) Les phénomènes modérateurs du réchauffement climatique (rétroactions négatives) Néanmoins, l’océan exerce une double rétroaction négative : - il constitue un principal puits de CO2 mais sa capacité de réabsorption n’est pas aussi rapide que les rejets anthropiques. - Il absorbe une partie de l’énergie thermique atmosphérique provenant de l’augmentation de l’augmentation de l’effet de serre. Néanmoins, cette accumulation d’énergie thermique excédentaire dans les océans rend le changement climatique irréversible à une échelle des temps de plusieurs siècles. D’autre part, l’élévation de la température de l’eau entraîne une dilatation thermique de l’eau et une élévation globale du niveau marin. La végétation terrestre, grâce à la photosynthèse, est un puits de CO2. Or, avec les augmentations de la température globale terrestre et de la teneur en CO2 atmosphérique, la photosynthèse est plus efficace. Cependant, cet effet modérateur se fait à court terme. Si la végétation et les océans sont des puits de CO2, ils ne sont pas suffisamment importants pour compenser les émissions anthropiques. Savoir-faire : déterminer les causes et conséquences du réchauffement climatique

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