Science, climat et société

À l’aide du diagramme d’état (P, T) de l’eau, déterminer l’état physique de l’eau à la pression de 1{,}0 × 10⁵ Pa pour les températures −10 °C, +25 °C et +150 °C. Justifier ensuite, à partir des spectres d’absorption fournis, pourquoi la couche d’ozone protège l’ADN des rayonnements ultraviolets.

1. 01Se placer à la bonne pression

   On trace la droite horizontale P = 1{,}0 × 10⁵ Pa (≈ 1 atm) sur le diagramme, puis on lit le domaine traversé en augmentant la température.

2. 02Lire chaque état

   À −10 °C le point est dans le domaine SOLIDE (glace) ; à +25 °C il est dans le domaine LIQUIDE ; à +150 °C il est dans le domaine VAPEUR. Les frontières franchies à 0 °C et 100 °C sont les changements d’état (fusion puis vaporisation).

3. 03Comparer les spectres UV

   Le spectre d’absorption de l’ozone et celui de l’ADN se recouvrent fortement dans l’UV, autour de 250–290 nm, l’ADN absorbant au maximum vers 260 nm.

4. 04Conclure sur la protection

   Les UV de cette bande sont très énergétiques et provoquent des lésions de l’ADN (mutations). Comme l’ozone absorbe ces mêmes UV avant qu’ils n’atteignent la surface, il agit comme un filtre protecteur du vivant.

Résultat : À 1 atm : glace à −10 °C, eau liquide à +25 °C, vapeur à +150 °C. L’ozone absorbe les UV dans la bande où l’ADN absorbe (≈ 260 nm) : il protège donc le matériel génétique des UV mutagènes.

On dispose de la courbe de teneur en O₂ atmosphérique (en % de la valeur actuelle) sur les 3,5 derniers milliards d’années et d’un axe d’événements : fers rubanés (≈ 2,4 Ga), faune d’Édiacara (≈ 0,6 Ga), explosion cambrienne (≈ 0,54 Ga). Décrire les étapes de l’oxygénation, citer les indices géologiques et discuter le lien avec la diversification du vivant.

1. 01Décrire la courbe

   La teneur en O₂ reste quasi nulle jusqu’à ≈ 2,4 Ga, puis monte une première fois (Grande Oxygénation) et se stabilise autour de 10–12 %, avant une seconde montée vers ≈ 0,6 Ga jusqu’à la valeur actuelle. L’évolution se fait par paliers.

2. 02Relier aux indices géologiques

   Les fers rubanés (≈ 2,4 Ga) attestent l’oxydation des océans et coïncident avec la première montée ; les premiers « lits rouges » continentaux marquent l’oxydation ultérieure de l’atmosphère.

3. 03Mettre en relation avec la biodiversité

   La seconde montée du O₂ (≈ 0,6 Ga) précède la faune d’Édiacara puis l’explosion cambrienne : la respiration aérobie, plus rentable, et la formation de l’ozone rendent possibles des organismes complexes et la sortie des eaux.

4. 04Distinguer corrélation et causalité

   La concordance temporelle (O₂ ↑ puis diversité ↑) est une corrélation ; le lien causal s’appuie sur des mécanismes (énergie de la respiration aérobie, protection par l’ozone), pas sur la seule simultanéité.

Résultat : Oxygénation en deux grandes étapes (≈ 2,4 Ga puis ≈ 0,6 Ga) attestée par les fers rubanés et les lits rouges ; elle accompagne et, par des mécanismes identifiés, favorise la diversification du vivant — une corrélation étayée par une causalité.

On donne les ordres de grandeur des stocks de carbone : atmosphère ≈ 870 Gt C, biosphère continentale ≈ 600 Gt C, sols ≈ 1{,}5 × 10³ Gt C, océan ≈ 3{,}8 × 10⁴ Gt C, roches et combustibles fossiles ≈ 10⁷–10⁸ Gt C. Les émissions liées aux combustibles fossiles représentent un flux d’environ 10 Gt C·an⁻¹. Comparer les stocks, situer ce flux et expliquer pourquoi il fait monter le CO₂ atmosphérique.

1. 01Comparer les stocks

   Les roches (carbonates + matière organique fossile) constituent de très loin le plus grand réservoir (≈ 10⁷–10⁸ Gt C), puis l’océan (≈ 3{,}8 × 10⁴ Gt C). L’atmosphère (≈ 870 Gt C) est l’un des plus petits réservoirs : sa teneur est donc sensible à de faibles flux.

2. 02Situer le flux anthropique

   Un flux d’émission de ≈ 10 Gt C·an⁻¹ rapporté au stock atmosphérique de ≈ 870 Gt C représente plus de 1 % du stock ajouté chaque année — sans compensation, le stock croîtrait vite.

3. 03Faire le bilan du réservoir atmosphérique

   L’océan et la biosphère absorbent une partie de ce CO₂ supplémentaire, mais pas la totalité : il reste un flux net entrant dans l’atmosphère. Le cycle, autrefois équilibré, ne l’est plus.

4. 04Conclure

   La combustion des fossiles transfère, en quelques décennies, du carbone resté piégé des millions d’années. Comme l’atmosphère est un petit réservoir et que les puits n’absorbent qu’une partie du surplus, sa teneur en CO₂ augmente — d’où le forçage radiatif additionnel.

Résultat : Les roches puis l’océan dominent les stocks ; l’atmosphère est un petit réservoir sensible. Le flux anthropique (≈ 10 Gt C·an⁻¹), incomplètement compensé par les puits océanique et biosphérique, fait croître le CO₂ atmosphérique : le cycle est déséquilibré et l’effet de serre additionnel s’installe.

Les spectres d’absorption infrarouge montrent que le méthane (CH₄) absorbe plus efficacement, par molécule, dans la fenêtre infrarouge terrestre que le dioxyde de carbone (CO₂). Pourtant le CO₂ contribue davantage au réchauffement actuel. En croisant spectres et abondances (CO₂ ≈ 420 ppm, CH₄ ≈ 1{,}9 ppm), expliquer ce paradoxe apparent.

1. 01Condition spectrale

   Un gaz n’agit comme gaz à effet de serre que s’il absorbe dans la gamme de longueurs d’onde du rayonnement infrarouge émis par la Terre. CO₂ et CH₄ remplissent tous deux cette condition (ils possèdent des bandes d’absorption dans l’IR terrestre).

2. 02Pouvoir absorbant par molécule

   À l’échelle de la molécule, le méthane est un gaz à effet de serre plus puissant que le CO₂ : il absorbe davantage par molécule dans la fenêtre infrarouge.

3. 03Prendre en compte l’abondance

   La contribution totale dépend du produit pouvoir absorbant × abondance. Le CO₂ est ≈ 420/1{,}9 ≈ 2,2 × 10² fois plus abondant que le CH₄.

4. 04Conclure

   Malgré un pouvoir absorbant par molécule plus faible, le CO₂ est tellement plus abondant que sa contribution totale au forçage actuel dépasse celle du méthane. La capacité d’un gaz à influencer l’effet de serre se juge en croisant spectre ET abondance.

Résultat : Les deux gaz absorbent dans l’IR terrestre ; le CH₄ est plus absorbant par molécule, mais le CO₂, ≈ 220 fois plus abondant, contribue davantage au réchauffement actuel. Conclusion : effet de serre = pouvoir absorbant × abondance.

On modélise la couche superficielle de l’océan par une colonne d’eau de hauteur H = 1{,}0 × 10³ m, de coefficient de dilatation thermique β = 2{,}0 × 10⁻⁴ K⁻¹. Estimer l’élévation Δh du niveau marin due à la seule dilatation thermique pour un réchauffement ΔT = 1{,}0 °C de cette couche.

1. 01Écrire la dilatation

   La variation relative de volume vaut ΔV/V = β·ΔT. Pour une colonne de section constante, la hauteur varie dans la même proportion : Δh/H = ΔV/V.

2. 02Application numérique de la variation relative

   ΔV/V = (2{,}0 × 10⁻⁴) × 1{,}0 = 2{,}0 × 10⁻⁴, soit 0{,}02 % de variation de volume.

3. 03En déduire l’élévation

   Δh = H·β·ΔT = (1{,}0 × 10³) × (2{,}0 × 10⁻⁴) × 1{,}0 = 0{,}20 m.

4. 04Interpréter

   Pour ce seul modèle de couche de 1 000 m réchauffée de 1 °C, la dilatation thermique élève le niveau de ≈ 20 cm. C’est une contribution majeure, à laquelle s’ajoute la fonte des glaces continentales ; cela illustre pourquoi le GIEC envisage une montée pouvant atteindre ≈ 1 m en 2100.

Résultat : Δh = H·β·ΔT ≈ 0{,}20 m, soit ≈ 20 cm d’élévation du niveau marin par dilatation thermique seule pour ce modèle (couche de 1 000 m, +1 °C).

On fournit une courbe lissée de la concentration en CO₂ depuis 1958 et deux sorties de modèle pour la température moyenne globale : (A) facteurs naturels seuls (volcanisme, activité solaire), (B) facteurs naturels + activités humaines. La courbe d’observations est aussi tracée. Décrire l’évolution du CO₂, montrer comment ces simulations permettent d’attribuer le réchauffement à l’activité humaine, et expliquer pourquoi la corrélation CO₂–température ne suffirait pas à elle seule.

1. 01Décrire l’évolution du CO₂

   La concentration en CO₂ passe de ≈ 315 ppm en 1958 à ≈ 418 ppm vers 2023, avec une croissance qui s’accélère : la pente augmente au fil du temps.

2. 02Comparer les deux simulations

   La simulation (A), avec les seuls facteurs naturels, reste presque plate et ne reproduit pas le réchauffement observé. La simulation (B), incluant les activités humaines, suit la courbe d’observations.

3. 03Attribuer le réchauffement

   Comme seule la prise en compte des émissions humaines permet de reproduire les observations, on attribue le réchauffement récent à l’activité humaine. L’écart entre (B) et (A) mesure la part anthropique.

4. 04Corrélation vs causalité

   La seule montée conjointe du CO₂ et de la température est une corrélation. Le lien causal est établi par un mécanisme physique (forçage radiatif du CO₂) ET par l’expérience d’attribution (le modèle ne « marche » qu’avec le terme humain) : c’est cette double démonstration qui transforme la corrélation en causalité.

Résultat : Le CO₂ croît de ≈ 315 à ≈ 418 ppm (1958→2023) en s’accélérant ; seules les simulations incluant les activités humaines reproduisent le réchauffement observé : on l’attribue donc aux émissions humaines. La corrélation seule ne suffit pas — il faut un mécanisme (forçage radiatif) et un test d’attribution.