10 Inspirations Périmètre - 10 e année : Des preuves des changements climatiques DÉMARCHE D'INVESTIGATION - AQPC
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10
Inspirations Périmètre
10 e a n n ée : Des preuves d es
cha ngem ents cl i matiq u es
D É M A R C H E D ’ I N V E S T I G AT I O N
S C I E N T I F I Q U E E T M AT H É M AT I Q U E
Table des matières
L’Institut Périmètre 2
Introduction 3
Utilisation de cette trousse en classe 3
Contexte pour l’enseignant 4
Livres 9
Ressources Web 9
Activité 1 : Le dioxyde de carbone 10
SCIENCES
Activité 2 : Modélisation du climat 18
Activité 3 : Un monde qui se réchauffe 24
Activité 4 : L’impact des transports 31
Activité 5 : Combien y a-t-il de carbone dans cet arbre? 38
MATH
Activité 6 : À quel moment est-il raisonnable de faire un
changement? 48
Défi de conception : Le climat dans un contenant 53
Réponses 58
Annexe A : Courbes de Keeling 63
Annexe B : Graphes de l’évolution du climat selon divers facteurs
de forçage 65
Annexe C : Graphes modifiés de l’évolution du climat selon divers
facteurs de forçage 67
Annexe D : Prédictions et observations, tous facteurs
combinés 69
Annexe E : Fiches de données climatiques 70
Annexe F : Fiches sur des moyens de transport 72
Annexe G : Calculs de l’empreinte carbone annuelle 74
Évaluation 75
Auto-évaluation 76
Glossaire 77
Sources 78
Contributions 79
Des preuves des changements climatiques
L’Institut Périmètre
L’Institut Périmètre de physique Inspirations Périmètre
théorique Cette série de trousses d’activités pédagogiques à effectuer en
L’Institut Périmètre est le plus grand centre de recherche en classe a pour but d’aider les enseignants à inspirer les élèves en
physique théorique au monde. Fondé en 1999, cet institut leur dévoilant les mystères et la force des mathématiques, des
indépendant vise à favoriser les percées dans la compréhension sciences et de la technologie par le moyen de leçons qui sont
fondamentale de notre univers, des plus infimes particules axées sur le programme scolaire de l’Ontario et font appel à une
au cosmos tout entier. Les recherches effectuées à l’Institut démarche d’investigation. Les leçons intègrent des compétences
Périmètre reposent sur l’idée que la science fondamentale fait générales — esprit critique et résolution de problèmes;
progresser le savoir humain et catalyse l’innovation, et que la innovation, créativité et esprit d’entreprise; auto-apprentissage;
physique théorique d’aujourd’hui est la technologie de demain. collaboration; communication; participation citoyenne — qui
Situé dans la région de Waterloo, cet établissement à but non aideront l’élève à faire des contributions constructives à la
lucratif met de l’avant un partenariat public-privé unique en société à mesure qu’il apprendra, grandira et avancera en âge.
son genre avec entre autres les gouvernements de l’Ontario et Inspirations Périmètre est le fruit d’une vaste collaboration
du Canada. Il facilite la recherche de pointe, forme la prochaine entre des enseignants d’expérience et l’équipe de diffusion
génération de pionniers de la science et communique le pouvoir des connaissances de l’Institut. Conçue de façon à convenir
de la physique grâce à des programmes primés d’éducation et de aux enseignants chevronnés comme aux moins expérimentés,
vulgarisation. cette trousse a été soumise à des essais approfondis en classe.
Elle contient les fiches à distribuer aux élèves et une variété
d’outils d’évaluation dans un format que l’on peut modifier pour
répondre aux besoins de chaque élève.
2
Des preuves des changements climatiques
Introduction
L’activité humaine a des effets négatifs sur le climat. Les preuves précises d’adaptation des activités pour répondre à un vaste
scientifiques de cela sont solides, et il y a un large consensus à éventail de besoins assurent un apprentissage inclusif.
ce sujet chez les scientifiques. Alors pourquoi y a-t-il encore des
La trousse comprend également une courte vidéo dynamique,
débats dans les médias et chez les étudiants?
étroitement liée aux leçons, à montrer en classe. Elle fait appel
Ces activités pratiques fondées sur une démarche à l’imagerie thermique pour illustrer, dans une expérience
d’investigation visent à aborder une partie de la science contrôlée, comment les gaz à effet de serre absorbent la lumière
fondamentale et les preuves les plus claires des changements infrarouge, puis elle étend ce résultat aux mesures de notre
climatiques. Les élèves étudieront entre autres comment atmosphère effectuées par satellite.
le dioxyde de carbone interagit avec la lumière infrarouge,
Toutes les activités offrent aux élèves une expérience
comment l’eau augmente de volume lorsqu’elle est chauffée et
intéressante et pratique. Cette trousse comprend de
comment fonctionne la modélisation climatique. Ils devront
l’information pour les enseignants, du matériel d’évaluation
aussi relever le défi de réfléchir à la manière dont ils pourraient
et des conseils précis afin que les élèves bénéficient de cours
changer les choses.
mémorables qui leur donneront les moyens et l’intérêt de
Cette trousse propose des activités à faire en classe, dont s’attaquer à des problèmes liés au climat.
les enseignants peuvent se servir pour enrichir le volet
Fruit d’une année de travail, avec la participation d’enseignants
Sciences de la Terre et de l’espace du programme de sciences de
et d’élèves du secondaire, de chercheurs en physique, du
10e année (cours théorique et appliqué). Elle aide également
personnel de diffusion des connaissances de l’Institut Périmètre,
à l’enseignement des principes de mathématiques (cours
de climatologues de l’Université de Waterloo ainsi que de
théorique et appliqué) en 10e année. Les aptitudes à la recherche
professionnels des médias, ce module encourage les élèves à
scientifique, les choix de carrière possibles et des éléments de
poser des questions, à travailler en collaboration et à faire des
culture financière sont inclus dans les leçons. Des suggestions
liens alors qu’ils abordent ce problème crucial et urgent.
Utilisation de cette trousse en classe
Enchaînement des activités Structure des activités
Cette trousse comprend une vidéo, 6 activités et un défi de Chaque activité du module, qui peut être complétée en 1 heure
conception. L’activité 1 aborde les effets du dioxyde de carbone environ, comprend 2 parties pour les élèves :
sur l’atmosphère et les océans. Les activités 2 et 3 portent
1. Activité proprement dite : Suite de tâches pratiques à
respectivement sur le fonctionnement des modèles climatiques
accomplir et de questions connexes à discuter.
et les preuves des changements climatiques. Ces activités sont
indépendantes les unes des autres et peuvent s’effectuer dans 2. Consolidation de l’apprentissage : Série de questions
n’importe quel ordre. Dans l’activité 4, les élèves réfléchissent conçues pour aider les élèves à solidifier le contenu
à leurs propres habitudes et aux conséquences de leurs choix appris au cours de l’activité (évaluation formative, pour
en matière de transports sur les changements climatiques. l’apprentissage). Vous pouvez aussi choisir des questions
Cette activité aura plus d’impact sur les élèves s’ils ont pour faire un test (évaluation sommative, de l’apprentissage).
d’abord réfléchi aux causes et aux preuves des changements
Des documents modifiables viennent à l’appui des activités. On
climatiques. Les activités 5 et 6 sont conçues pour des cours de
vous encourage à les adapter aux besoins particuliers des élèves
mathématiques et peuvent être effectuées indépendamment ou
de votre classe.
en conjonction avec les activités de sciences. Dans l’activité 5,
les élèves utilisent la trigonométrie pour connaître la quantité
de carbone stockée dans les arbres. L’activité 6 porte sur les
aspects économiques des choix environnementaux, au moyen
de l’analyse d’équations linéaires. Le défi de conception
regroupe tous les aspects de cette trousse sur les changements
climatiques et permet d’y réfléchir au-delà des sujets abordés.
3
Des preuves des changements climatiques
Favoriser un travail en équipe efficace méthode, les élèves qui seraient tentés de demeurer
passifs se sentiront motivés à jouer leur rôle et à fournir
Les activités ont été conçues pour de petites équipes d’élèves. une contribution utile à leur équipe.
Faites savoir aux élèves ce que vous attendez de leur travail en
équipe. En se concentrant sur ces objectifs, ils participeront 2. Attitude positive : Si vous suscitez un milieu positif et
mieux et apprendront plus en profondeur. Voici 2 composantes favorable, les élèves s’encourageront et se stimuleront les
essentielles d’un travail en équipe efficace. uns les autres de façon constructive. Amenez les élèves
à définir un but clair et significatif pour leur activité,
1. Responsabilité individuelle : Veillez à ce que chaque ou donnez-leur un objectif commun. Veillez à ce que
élève ait un rôle important et précis à jouer (p. ex. chaque élève ait un rôle qui lui est propre et insistez sur
expérimentateur, rapporteur), afin qu’il se sente l’importance du rôle de chacun dans l’atteinte des objectifs
responsable de son propre apprentissage. Avec cette de son équipe.
Contexte pour l’enseignant
Le contenu qui suit est conçu pour vous fournir des d’énergie entrante ou sortante s’appellent facteurs de
connaissances détaillées sur le climat et les changements forçage. Les modifications qui amplifient ou diminuent
climatiques. Ces connaissances vont au-delà du programme les effets des changements climatiques s’appellent
scolaire, afin que vous compreniez en profondeur les concepts mécanismes de rétroaction.
qui sous-tendent les leçons.
L’atmosphère nous protège
L’atmosphère terrestre est formée d’un mélange de
« Ils sont réels. gaz qui créent les conditions nécessaires à la vie. La
Ils sont dus à notre activité. haute atmosphère protège la Terre contre le dangereux
rayonnement ultraviolet du Soleil et les puissants
Les changements climatiques créent une rayons cosmiques. Les molécules de gaz, les nuages et
situation sérieuse. les aérosols (particules minuscules en suspension dans
Et la fenêtre ouverte pour prévenir l’air) renvoient directement dans l’espace environ 23 % de
l’énergie entrante. Un autre 23 % de l’énergie est absorbé
des conséquences dangereuses se ferme par l’atmosphère. La lumière qui traverse l’atmosphère
rapidement. » atteint la surface de la Terre, où elle est soit réfléchie,
soit absorbée. La lumière réfléchie traverse l’atmosphère
— Katharine Hayhoe, Université Texas Tech
dans l’autre sens pour retourner dans l’espace. La
lumière absorbée chauffe la surface de la planète, qui
irradie de l’énergie dans la partie infrarouge du spectre
Quelles sont les causes des électromagnétique. Le rayonnement infrarouge interagit
avec plusieurs gaz, appelés gaz à effet de serre (GES).
changements climatiques? Les GES les plus importants, illustrés à la figure 1, sont
La Terre baigne constamment dans l’énergie irradiée par la vapeur d’eau, le dioxyde de carbone, le méthane et
le Soleil. Cette énergie est réfléchie, absorbée, ou bien l’oxyde nitreux. Les chlorofluorocarbones (CFC) sont aussi
irradiée de nouveau dans l’espace. À l’échelle régionale d’importants gaz à effet de serre.
et à court terme, elle produit les courants océaniques, les
vents et les conditions météorologiques. À une échelle
plus vaste et à plus long terme, des méthodes statistiques H
définissent le climat. Si la quantité d’énergie qui arrive O N
O H H
sur la Terre (énergie entrante) était égale à la quantité C
C N
qui en part (énergie sortante), nous aurions quand même H H
des variations météorologiques, mais le climat fluctuerait O H O
autour d’une valeur moyenne. Toute modification de la
Vapeur d’eau Dioxyde de carbone Méthane Oxyde nitreux
quantité d’énergie réfléchie, absorbée ou irradiée crée
(H2O) (CO2) (CH4) (N2O)
un déséquilibre entre les quantités d’énergie entrante
et sortante. À long terme et à l’échelle mondiale, ce Figure 1 – Les gaz à effet de serre
déséquilibre provoque des changements climatiques
observables. Les variables qui affectent la quantité
4
Des preuves des changements climatiques
Pourquoi le dioxyde de carbone absorbe-t-il la lumière est due à l’activité humaine, qui extrait du carbone de la
infrarouge? lithosphère pour l’envoyer dans l’atmosphère à un rythme
Selon la manière dont elles vibrent, les molécules absorbent sans précédent. De fait, les émissions de dioxyde de carbone
et réémettent des longueurs d’onde précises de lumière. anthropiques, c’est-à-dire dues à l’activité humaine, ont
Une molécule de dioxyde de carbone comporte un atome quadruplé depuis 1960. Les effets de ces émissions sont
de carbone relié par des liaisons doubles à 2 atomes augmentés par la déforestation, qui diminue le stockage du
d’oxygène situés de chaque côté de l’atome de carbone. Si dioxyde de carbone dans la biosphère.
l’on représente les liaisons par des ressorts, on voit que le
dioxyde de carbone possède au moins 3 modes vibratoires
(voir la figure 2). Si la vibration modifie la symétrie de la Preuves et effets des changements
molécule, elle absorbe de l’énergie. Les molécules de dioxyde climatiques
de carbone absorbent la lumière infrarouge parce que celle-ci
correspond aux fréquences de vibration de la molécule. Ces Des milliers d’indicateurs prouvent que notre climat est en train
fréquences sont déterminées par la masse des atomes et la de changer. Depuis les 150 dernières années, la température
force des liaisons. Les molécules d’oxygène et d’azote (O2 atmosphérique moyenne a monté de plus de 1 °C, le niveau des
et N2) n’interagissent pas avec la lumière infrarouge, parce océans est monté d’environ 20 cm, les glaciers reculent partout
que leur seul mode vibratoire est symétrique. D’autres gaz à dans le monde, et la glace polaire est en déclin. Les événements
effet de serre, p. ex. la vapeur d’eau (H2O), le méthane (CH4) météorologiques extrêmes deviennent encore plus extrêmes,
et l’oxyde nitreux (N2O), possèdent plus de 2 atomes et des le pergélisol fond, des systèmes écologiques sont perturbés,
modes vibratoires asymétriques qui permettent davantage et la chimie des océans se modifie. Ces changements sont
d’interactions. observés, mesurés, étudiés et expliqués par les climatologues.
Ils sont également rapportés par les Inuits et d’autres peuples
autochtones, qui subissent de plein fouet l’impact des
changements climatiques.
Les changements climatiques ont également des répercussions
économiques. Par exemple, l’incendie incontrôlé de Fort
McMurray a coûté plus de 9 milliards de dollars. Le Programme
national américain d’assurance contre les inondations était
en déficit de plus de 25 milliards de dollars avant même les
dommages dus aux ouragans Harvey, Irma et Maria. Même
si les efforts d’atténuation créent de nouveaux emplois et
investissements, les projections d’impacts économiques
sont généralement sombres : si l’on ne s’attaque pas aux
changements climatiques, cela coûtera des milliers de milliards
de dollars.
Comment mesure-t-on la température mondiale?
Figure 2 – Trois modes vibratoires du dioxyde de carbone La température se mesure localement; un même jour, il peut
faire −20 °C à Montréal et +12 °C à Vancouver. Pour déterminer
la température à l’échelle mondiale, il faut faire la moyenne
D’où vient le dioxyde de carbone? de milliers de mesures locales. Les climatologues utilisent
La Terre possède une quantité fixe de carbone. Le cycle des logiciels perfectionnés appelés modèles climatiques
du carbone décrit la manière dont le carbone se déplace pour effectuer ce calcul. Chaque modèle utilisé fait appel à
sous différentes formes, mais la quantité totale de carbone des données et à des méthodes légèrement différentes, mais,
ne change pas. Le carbone séjourne dans l’atmosphère comme l’illustre la figure 3, tous les modèles montrent que
sous forme de dioxyde de carbone, dans la biosphère sous la température mondiale a monté d’environ 1 °C au cours
forme de matière organique, dans les océans sous forme de des 150 dernières années. Puisque la température fluctue
carbonates, et dans la lithosphère sous forme de carburants énormément, les scientifiques ne parlent en général pas
fossiles. La plus grande partie du carbone de la Terre est directement de la température. Ils s’intéressent plutôt aux
contenue dans la lithosphère, parce qu’une fois qu’un anomalies de température. Les anomalies de température
atome de carbone atteint la lithosphère, il y reste pendant sont déterminées par rapport à la température moyenne à
une longue période. Au bout de millions d’années, le cycle un endroit et à une époque de l’année donnés au cours d’une
du carbone a atteint un équilibre stable entre le carbone période historique de référence. Dans la figure 3, qui donne une
contenu dans l’atmosphère, l’hydrosphère, la biosphère et la comparaison des modèles les plus importants, les anomalies
lithosphère. Des événements naturels ont périodiquement moyennes de température sont exprimées en utilisant comme
perturbé cet équilibre, ce qui s’est traduit par des cycles référence la période 1880–1899. Les modèles sont validés au
climatiques antérieurs. Nous faisons maintenant face à regard de données historiques et sont rigoureusement analysés
un défi considérable, parce que la perturbation actuelle à l’aide de modèles concurrents.
5
Des preuves des changements climatiques
Comparaison de modèles climatiques dans une consommation ne font pas déborder le verre. Par
contre, la fonte de la glace terrestre, notamment celle des calottes
Berkeley Earth (mondial) glaciaires et des glaciers, affecte le niveau de la mer en ajoutant de
(°C, par rapport à la période 1880–1899)
Cowtan et Way (mondial)
GISTEMP (mondial)
l’eau dans les océans. Les 2 plus grandes calottes glaciaires sont
1,0 NCEI (grille restreinte) celles du Groenland et de l’Antarctique. Des mesures effectuées
Anomalie de température
HadCRUT4 (grille restreinte)
par des satellites de la NASA montrent que le Groenland et
l’Antarctique ont perdu près de 6 000 Gt (gigatonnes) de glace
depuis 2002. Cela représente plus que la masse totale de l’eau
0,5
contenue dans les lacs Huron et Ontario.
0,0
1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020
Année
Source : Message Twitter de Gavin Schmidt daté du 20 sept. 2017; @ClimatofGavin
Figure 3 – Comparaison de modèles climatiques
Hausse du niveau de la mer
L’eau recouvre environ 70 % de la surface de la Terre. Comme la
capacité calorifique de l’eau est supérieure à celle de l’air, les
océans ont absorbé plus de 90 % de la chaleur supplémentaire Source : Ministère de l’Environnement du gouvernement du Nunavut –
www.gov.nu.ca/environment
captée par les gaz à effet de serre. Cette chaleur supplémentaire
n’a pas entraîné une hausse importante de la température, mais Figure 4 – La fonte de la glace de mer pose des problèmes aux
même une faible hausse entraîne une dilatation thermique. À Inuits.
mesure qu’elles se réchauffent, les molécules d’eau vibrent de
plus en plus, de sorte qu’elles prennent plus de place. Le volume
de l’eau augmente, et le niveau de la mer monte. L’altimétrie par « À cause des changements climatiques dus
satellite fait appel à des radars pour mesurer la distance exacte
entre le satellite et la surface des océans. La gravimétrie consiste au réchauffement de la planète, les Inuits
à mesurer les modifications de masse et de densité de l’eau pour font peut-être face au commencement de
déterminer l’évolution du niveau de la mer. Comme environ 40 %
de la population mondiale vit à moins de 100 km des côtes, la
la fin d’un mode de vie qui leur a permis
hausse du niveau de la mer aura des conséquences importantes. de s’épanouir pendant des millénaires […]
Que restera-t-il de notre culture si ce mode
Déclin de la glace
de vie disparaît? » [traduction]
Deux types de glace ont des effets importants sur le climat
mondial. La glace de mer se forme de manière saisonnière — Sheila Watt-Cloutier, présidente du Conseil
lorsque la surface des océans gèle. La glace terrestre se forme circumpolaire inuit
lentement sur des milliers d’années lorsque la neige qui tombe est
compactée sous l’action de son propre poids. Le réchauffement
du climat fait fondre les 2 types de glace à un rythme accéléré, Conséquences sur les chaînes alimentaires marines
ce qui modifie l’albédo de surface de la Terre. L’albédo d’une Si la surface de l’océan est plus chaude, cela diminue la remontée
surface est le rapport de la quantité de lumière réfléchie par cette des eaux qui amènent des nutriments du fond de l’océan à la
surface sur la quantité de lumière qui arrive sur cette surface. surface. La diminution de la quantité de nutriments affecte la
Comme la quantité de glace diminue, la quantité d’énergie croissance du phytoplancton, importante source de nourriture à
réfléchie diminue alors que l’énergie absorbée augmente, et ce la base de la chaîne alimentaire des océans. Une quantité réduite
mécanisme de rétroaction a pour effet d’accélérer davantage de phytoplancton entraîne une diminution de l’absorption
la fonte. Le déclin de la glace de mer affecte déjà les espèces de dioxyde de carbone à partir de l’atmosphère, d’où un
qui dépendent d’une glace de mer stable pour se nourrir, se réchauffement accru et une diminution encore plus importante
reproduire et se déplacer. Par exemple, les êtres humains qui de la quantité de phytoplancton. Les scientifiques continuent de
dépendent d’une glace de mer stable pour chasser et voyager sont découvrir des conséquences et des boucles de rétroaction liées à
affectés, comme le montre la figure 4. La fonte de la glace de mer de tels écosystèmes. Mentionnons aussi les impacts écologiques
n’a pas d’effet direct sur le niveau de la mer, puisque cette glace suivants : désertification, extinction d’espèces, modification de la
est déjà dans l’océan, tout comme des cubes de glace qui fondent biodiversité et développement de pathogènes.
6
Des preuves des changements climatiques
Le dioxyde de carbone et la chimie de l’eau des océans
Irradiance annuelle
Le mélange de l’eau (H2O) et du dioxyde de carbone (CO2) Indice d’éruption solaire
Observations de taches solaires
entraîne une réaction et la formation d’acide carbonique 1367
Irradiance solaire (W/m2)
Flux radio à 10,7 cm
(H2CO3), un acide faible. Les océans ont absorbé environ
25 % du dioxyde de carbone produit par l’humanité depuis la
révolution industrielle et se sont par conséquent acidifiés. De 1366
fait, le pH des océans a chuté d’environ 8,2 à 8,1. Et l’on prévoit
qu’il pourrait diminuer encore de 0,2 d’ici 2100 (cinquième
Rapport d’évaluation du GIEC). Une diminution de 0,1 du pH
peut sembler minime, mais il faut savoir que l’échelle du pH 1365
est logarithmique, de sorte qu’une différence de 0,1 représente
un changement d’environ 25 %. Si le pH des océans chutait 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010
encore de 0,2, leur acidité serait la plus forte depuis au moins Année
20 millions d’années. Des océans plus acides signifient que les
Source : Robert A. Rohde et Creative Commons
organismes marins ont moins de carbonate à leur disposition
pour fabriquer leur coquille. À mesure que les océans se Figure 5 – Le cycle de 11 ans du Soleil
réchaufferont à cause des changements climatiques, ils
absorberont moins de dioxyde de carbone, puisque la solubilité
Les éruptions volcaniques n’influencent-elles pas le climat?
dépend de la température, de sorte que davantage de dioxyde
de carbone restera dans l’atmosphère — autre mécanisme La Terre est une planète dynamique qui possède une croûte
de rétroaction. solide flottant sur une couche de magma chaud. Pendant une
éruption volcanique, le magma perce un point faible de la
croûte terrestre. Ces violentes éruptions projettent de la cendre
D’autres substances que le dioxyde et des sulfates dans la haute atmosphère, où ils dispersent le
de carbone causent-elles des rayonnement solaire. La cendre et les sulfates qui n’atteignent
pas la haute atmosphère augmentent la formation de nuages.
changements climatiques? L’effet des éruptions volcaniques est de courte durée, car
Des gens se demandent parfois pourquoi on insiste tant sur les les matériaux éjectés retombent sur la surface de la Terre.
émissions de dioxyde de carbone à propos des changements Mais comme il y a régulièrement des éruptions, leur effet de
climatiques. Quel est le rôle d’autres facteurs? refroidissement est continu, avec des pointes d’un an ou deux
après des éruptions importantes.
Qu’en est-il de la vapeur d’eau?
La vapeur d’eau est le principal responsable de l’effet de serre Qu’est-ce que la pollution par les aérosols?
naturel, mais elle n’est pas considérée comme un facteur de La pollution par les aérosols est formée de petites particules
forçage, parce que l’évolution de la quantité de vapeur d’eau de matière en suspension dans la troposphère. Ces petites
fait partie du cycle de l’eau, qui assure son autorégulation. particules reflètent la lumière du Soleil dans l’espace et
Une hausse de la température augmente la quantité de vapeur ensemencent des nuages, ce qui contribue à refroidir la planète.
d’eau présente dans l’air, et donc la quantité de nuages, ce Les aérosols ne restent pas éternellement dans l’atmosphère.
qui abaisse la température et provoque de la pluie. La vapeur Ils retombent sur terre sous forme de pluies acides ou de
d’eau constitue un important mécanisme de rétroaction qui suie, modifiant l’albédo de surface. L’effet global des aérosols
est inclus dans tous les modèles climatiques. Elle amplifie les fait encore l’objet d’études, mais les scientifiques croient
effets d’autres facteurs, mais elle n’entraîne pas de hausse de la que les aérosols jouent un rôle de refroidissement dans les
température mondiale. changements climatiques.
Et le rayonnement solaire? Comment l’utilisation des sols affecte-t-elle le climat?
La quantité d’énergie rayonnante libérée par le Soleil change L’utilisation des sols affecte le climat en modifiant l’albédo
légèrement au cours d’un cycle d’activité solaire de 11 ans (voir de surface, le cycle de l’eau et les transferts de chaleur. La
la figure 5). De plus, la Terre oscille lentement autour de son déforestation et l’urbanisation sont des exemples d’utilisation
axe, ce qui modifie son inclinaison et donc les équinoxes selon des sols qui affectent le climat. Le type de matériau qui
un cycle de 41 000 ans. À l’heure actuelle, la Terre est le plus couvre le sol modifie la quantité d’énergie rayonnante qui est
près du Soleil en janvier, alors que l’hémisphère Nord est incliné absorbée ou réfléchie. L’utilisation des sols affecte le cycle de
en direction opposée du Soleil. Dans 13 000 ans, la Terre sera l’eau en modifiant le taux d’évaporation et le ruissellement.
le plus près du Soleil lorsque l’hémisphère Nord sera incliné La nature de la surface affecte aussi la quantité de chaleur
vers le Soleil. Cette combinaison d’inclinaison et de distance irradiée vers l’atmosphère. Par exemple, un terrain de
entraînera des étés plus chauds et des hivers plus froids, peut- stationnement asphalté absorbe de l’énergie rayonnante et se
être assez froids pour déclencher une autre glaciation, mais cela réchauffe. Il n’absorbe pas les précipitations et modifie donc
n’aura lieu que dans des milliers d’années. le cycle de l’eau.
7
Des preuves des changements climatiques
Comment l’appauvrissement de la couche d’ozone
affecte-t-elle le climat?
L’ozone joue un rôle important dans l’absorption de la lumière
ultraviolette de grande énergie dans la haute atmosphère. Des
produits chimiques anthropiques tels que les CFC réagissent
avec l’ozone et le décomposent en oxygène diatomique, qui
laisse passer plus de lumière de grande énergie. La production
et la libération de la plupart des CFC sont stables ou diminuent
depuis 1989, année de l’entrée en vigueur du Protocole de
Montréal. Mais les CFC persistent pendant des décennies dans
la stratosphère, de sorte que ce facteur continuera d’affecter
le climat.
Le climat ne change-t-il pas constamment?
La paléoclimatologie est l’étude du climat à l’aide d’indicateurs
tels que les carottes de glace, les anneaux de croissance des
arbres, les coraux et les sédiments. Un indicateur climatique
est un processus physique que l’on peut utiliser pour
reconstituer les températures du passé. Une récente analyse de
ces indicateurs montre que la Terre a connu antérieurement
des cycles de périodes chaudes et froides, mais notre situation
actuelle ne s’inscrit pas dans ces cycles. Comme le montre la
figure 6, les taux de dioxyde de carbone dans l’atmosphère
sont plus élevés maintenant qu’à toute autre époque depuis Source : Jesse Allen (Observatoire de la Terre de la NASA)
800 000 ans.
Figure 7 – Image satellitaire composée des ouragans Madeline et
Lester, 29 août 2016
Concentration de dioxyde de carbone (ppm)
400 Moyenne de 2016
350
Concentration antérieure
la plus élevée
300
250
200
150
800 000 600 000 400 000 200 000 0
Années avant aujourd’hui
Source : NOAA et NCEI
Figure 6 – Taux de dioxyde de carbone au cours des
800 000 dernières années
Et la suite?
Nos modèles climatiques continuent d’évoluer et de s’améliorer,
mais leurs prédictions demeurent dramatiques; il faut agir
maintenant. Tout retard nous entraîne plus loin dans des
scénarios inédits, et peut-être imprévisibles, marqués par la
hausse des températures et du niveau de la mer, la diminution
Source : Maria Strack, Département de géographie et de gestion de l’environnement,
du couvert de glace, des événements météorologiques de Université de Waterloo
plus en plus extrêmes (figure 7) et des perturbations des
Figure 8 – Une chercheuse étudiante mesure la biomasse d’un
écosystèmes. La collecte et l’analyse de données climatiques
arbre près de Peace River, en Alberta. Ces données serviront à
(figure 8) peuvent nous aider à comprendre comment atténuer déterminer les effets des routes d’accès sur le stockage du carbone
notre impact sur le climat et à nous préparer pour l’avenir. dans les tourbières boréales.
8Des preuves des changements climatiques
Livres
Les références qui suivent sont des ressources de grande qualité Pour les adultes
dont la lecture est recommandée. Avec le bibliothécaire de votre
école, vous pourriez créer un présentoir d’ouvrages sur le climat • Halte à la surchauffe! Des solutions à la crise du climat, par David
et les changements climatiques. Suzuki et Ian Hanington (Boréal, 2017)
• Suzuki : le guide vert, par David Suzuki (Boréal, 2008)
Pour les élèves • Are We Screwed? How a New Generation Is Fighting to Survive
Climate Change, par Geoff Dembicki (Bloomsbury Publishing,
• Les changements climatiques, par John Woodward (Gallimard
2017) (en anglais)
jeunesse, 2008)
• Climate Change: What the Science Tells Us, par Charles Fletcher
• Biofuels: Sustainable Energy in the 21st Century, par Paula
(Wiley, 2013) (en anglais)
Johanson (Rosen Publishing, 2010) (en anglais)
• The Climat Crisis: An Introductory Guide to Climate Change, par
• Environmentalists from Our First Nations, par Vincent Schilling
David Archer et Stefan Rahmstorf (Presses de l’Université de
(Second Story Press, 2011) (en anglais)
Cambridge, 2009) (en anglais)
• Hybrid and Electric Vehicles, par L.E. Carmichael (ABDO
• Unstoppable: Harnessing Science to Change the World, par Bill
Publishing, 2013) (en anglais)
Nye (St. Martin’s Press, 2015) (en anglais)
• Making Good Choices About Nonrenewable Resources: Green
Matters, par Paula Johanson (Rosen Publishing, 2010)
(en anglais)
Ressources Web
Les sites Web ci-dessous contiennent des données et des Bureau météorologique du Royaume-Uni : Températures à la
analyses sur les changements climatiques, de même que surface du globe (en anglais)
différentes perspectives, entre autres autochtones, sur les https://www.metoffice.gov.uk/research/monitoring/climate/
changements climatiques. surface-temperature
Canada : Changements climatiques Carbon Brief (en anglais)
https://www.canada.ca/fr/services/environnement/meteo/ https://www.carbonbrief.org
changementsclimatiques.html
Centre national d’analyse et de synthèse écologiques des
CRDI : Changements climatiques États-Unis (en anglais)
https://www.idrc.ca/fr/program/changements-climatiques https://www.nceas.ucsb.edu/science/climate
Fondation David Suzuki : Les changements climatiques au-delà Chaîne YouTube Global Weirding (en anglais)
des manchettes https://www.youtube.com/channel/
https://fr.davidsuzuki.org/blogues/changements-climatiques- UCi6RkdaEqgRVKi3AzidF4ow
dela-manchettes/
NASA : Signes vitaux de la planète — Les changements
Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat climatiques (en anglais)
http://www.ipcc.ch/home_languages_main_french.shtml https://climate.nasa.gov/
Le changement climatique : Voyez ce que vous pouvez faire… National Geographic : Environnement (en anglais)
https://www.ontario.ca/fr/page/changement-climatique http://www.nationalgeographic.com/environment/
Nunavut — Centre sur les changements climatiques : Voix Savoir inuit et changements climatiques (vidéo) (en anglais)
du pays http://www.isuma.tv/inuit-knowledge-and-climate-change
https://www.climatechangenunavut.ca
Skeptical Science (également disponible sous forme d’appli pour
téléphone multifonctionnel)
https://www.skepticalscience.com/translation.php?lang=12
9Des preuves des changements climatiques
Activité 1 : Le dioxyde de carbone
Plan de cours
Activité 1
Introduction Instructions à l’enseignant
Dans cette activité, les élèves font des liens entre la 1. Visionnez à l’avance les vidéos qui accompagnent ce module.
concentration croissante de dioxyde de carbone et ses effets sur Pourquoi l’atmosphère se réchauffe-t-elle? constitue une
l’atmosphère et les océans. Ils étudient comment l’interaction introduction à l’ensemble du module. L’autre est une version
du dioxyde de carbone avec le rayonnement infrarouge a de la même vidéo qui permet aux élèves d’élaborer les idées
entraîné la récente hausse de la température mondiale. Ils de la partie 1 de l’activité à partir d’observations.
analysent le taux actuel de dioxyde de carbone et le comparent
2. Photocopiez les courbes de Keeling (voir l’annexe A) sur une
avec ses valeurs antérieures. Ils réfléchissent aux causes de
seule feuille, en mettant les courbes 5 à 8 au verso. Préparez
la hausse de la température mondiale. D’autres discussions
une feuille par équipe. Découpez les feuilles de manière à
abordent l’effet du dioxyde de carbone sur le pH de l’eau.
supprimer l’en-tête et le bas de page. Pliez les feuilles le
Durée suggérée : 100 minutes long de la ligne pointillée comme cela est indiqué. Au début,
seules les courbes 1 et 2 devraient être visibles.
Objectifs 3. Pour commencer, demandez aux élèves de prédire les effets
du dioxyde de carbone sur l’environnement. Prenez en note
• Présenter des preuves de l’interaction entre le dioxyde de ces prédictions et servez-vous-en pour guider l’apprentissage
carbone et le rayonnement infrarouge. des élèves.
• Comprendre comment des données réelles montrent une 4. Distribuez les courbes de Keeling avant que les élèves
hausse de la température mondiale. commencent à travailler sur la question 5. Aidez les élèves à
• Montrer comment la concentration de dioxyde de carbone interpréter les courbes dans les questions 5 à 13, afin de faire
affecte l’acidité des océans. ressortir les idées appropriées.
5. Dans la discussion sur la forte augmentation récente du taux
de dioxyde de carbone, à la question 13, veillez à ce que les
CONNAISSANCES ET COMPÉTENCES PRÉALABLES élèves fassent le lien avec les sources anthropiques telles que
• Les élèves doivent comprendre le rôle des les transports, l’électricité, l’industrie et l’agriculture.
données probantes empiriques dans l’investigation
scientifique. 6. Pour la partie 2, mesurez 1 L d’eau et 30 mL de sel marin.
• Les élèves doivent savoir trouver des tendances Mélangez bien pour former une solution d’eau de mer, puis
fondamentales à partir de graphes et interpréter les demandez aux élèves de remplir à moitié 2 béchers avec
étiquettes des axes. cette solution.
• Les élèves doivent comprendre le cycle du carbone.
7. Les élèves testeront le pH des 2 échantillons avec du
bleu de bromothymol. Remettez aux élèves l’équipement
de protection avant toute manipulation du bleu de
bromothymol.
Matériel
8. Demandez aux élèves de souffler doucement avec une paille
• 2 versions de la vidéo de l’Institut Périmètre sur l’absorption
dans l’un des échantillons pendant 30 à 60 s. Dites-leur de
du rayonnement infrarouge : Pourquoi l’atmosphère se
prendre une respiration avant de mettre la paille dans la
réchauffe-t-elle?
bouche, afin qu’ils n’aspirent pas de liquide.
• Courbes de Keeling (1 exemplaire par équipe; voir l’annexe A)
9. Une fois qu’ils auront recueilli leurs données, les élèves
• Bleu de bromothymol peuvent communiquer à toute la classe les pH qu’ils
auront mesurés. Demandez-leur ensuite de faire part des
• Pailles
conséquences qu’ils prévoient par suite du changement
• Béchers ou erlenmeyers de 250 à 500 mL de pH.
• Solution d’eau de mer (30 mL de sel marin dans 1 L d’eau)
10Des preuves des changements climatiques
CONSEIL D’INVESTIGATION
ATTENTION ! Investigation ouverte : Laissez aux élèves le temps
Les élèves doivent porter des gants jetables, des d’examiner les données brutes récentes du site Web de
Activité 1
lunettes étanches et des vêtements protecteurs tels l’Institut Scripps. Dans la seconde moitié de la partie 1,
qu’un tablier de laboratoire lorsqu’ils utilisent du bleu au lieu d’utiliser les courbes déjà préparées, laissez
de bromothymol, qui peut irriter les yeux et la peau. les élèves tirer des conclusions quant aux tendances
Pour diminuer les éclaboussures, fabriquez un écran en examinant les courbes tracées à partir des données
en pratiquant une ouverture dans une petite assiette en brutes. Une investigation semblable peut se faire pour
papier. Demandez aux élèves de mettre cet écran sur la courbe du pH de la partie 2 (voir ces données).
le bécher et de faire passer la paille dans l’ouverture
avant de commencer à souffler. Rappelez aux élèves
qu’ils ne doivent pas aspirer de liquide dans la paille.
SOUTIEN DIFFÉRENCIÉ
Aide : Supprimez les questions 6 et 8 de la partie 1
pour simplifier cette activité. La partie 2 peut aussi être
Conseils à l’enseignant omise.
• Pour susciter les prédictions des élèves au début de la leçon,
divisez une page en 4 quarts, en mettant dans les coins les
prédictions « Aucun effet », « Baisse de la température », Extension
« Hausse de la température », « Autres effets ». Les élèves
Demandez aux élèves d’examiner plus attentivement les
pourront ensuite noter leurs prédictions sur leur fiche
données de l’observatoire du Mauna Loa, afin de trouver les
d’activité.
facteurs à l’origine du cycle annuel. Trois facteurs principaux
• La partie 1 de cette activité fait beaucoup appel aux courbes font en sorte que la concentration de dioxyde de carbone dans
de Keeling. Ce pourrait être très intéressant pour les élèves l’atmosphère atteint un sommet en mai : (1) pendant les mois
d’analyser les données les plus récentes disponibles. Tous d’hiver, la plupart des plantes n’absorbent pas de dioxyde de
les 2 ou 3 jours, l’Institut Scripps d’océanographie actualise carbone et se décomposent; (2) c’est en mai qu’est atteint le
la courbe de Keeling de l’observatoire du Mauna Loa (voir seuil où la photosynthèse croissante du printemps compense
la figure 1 à la page suivante). Vous pouvez aussi utiliser un l’effet accumulé de la diminution d’absorption de dioxyde de
projecteur pour montrer les courbes de Keeling affichées carbone pendant l’hiver; (3) il y a davantage de terres émergées
dans le site Web de cet institut. Cela permettra d’orienter la dans l’hémisphère Nord que dans l’hémisphère Sud.
discussion lorsque vous passerez en revue les réponses des
élèves à ces questions.
• Si vous n’utilisez pas les données les plus récentes Liens avec les STSE
disponibles, faites imprimer les graphes sur du carton et Les scientifiques utilisent la propriété d’absorption
faites-les laminer pour pouvoir les réutiliser. Distribuez les des rayons infrarouges par le dioxyde de carbone
cartons un à la fois pour maintenir le suspense. pour mesurer sa concentration dans l’atmosphère. Ils
pompent de l’air entre 2 vitres, puis y projettent de la
• Pour en savoir plus sur les raisons pour lesquelles le cycle
lumière infrarouge qui atteint un détecteur placé de
annuel de la concentration de dioxyde de carbone a son
l’autre côté. C’est grâce à ce mécanisme d’absorption, par
sommet en mai, voir la page Why Does Atmospheric CO₂ Peak
lequel le dioxyde de carbone contribue au réchauffement
in May?.
planétaire, que l’on a détecté pour la première fois
• ATTENTION : Rappelez aux élèves les consignes l’augmentation de sa concentration et que, espère-t-on,
d’utilisation sécuritaire du bleu de bromothymol. C’est le on constatera sa diminution dans l’avenir. (Voir une
meilleur indicateur pour cette expérience, parce qu’il est description de la mesure du taux de dioxyde de carbone
sensible dans la fourchette de pH en question. On peut au Mauna Loa.)
aussi utiliser un indicateur universel, avec une observation
attentive et les conseils appropriés.
• Il y a un risque de faire des dégâts si l’on souffle trop fort
dans les pailles plongées dans les béchers ou les erlenmeyers.
Fournissez des contenants assez grands pour diminuer le
risque de débordement.
11Des preuves des changements climatiques
Pour en savoir plus ►
Quelles sont les dernières découvertes à Pour vous renseigner davantage sur l’évolution de la
propos du dioxyde de carbone? concentration mondiale de dioxyde de carbone avant d’animer
Les changements climatiques anthropiques constituent cette activité, vous pouvez consulter les sites Web suivants :
Activité 1
probablement le plus grand défi auquel l’humanité ait été Océan pour le climat : Tout ce qu’il faut savoir sur l’acidification
confrontée. Si l’on ne fait rien, la vie et l’environnement des océans
terrestres et marins subiront des modifications majeures. http://oceanclimat.blog.lemonde.fr/2015/11/18/tout-ce-quil-faut-
La compréhension des données probantes sur les savoir-sur-lacidification-des-oceans/
changements climatiques est une composante cruciale de
la citoyenneté planétaire. La hausse des concentrations Institut Scripps d’océanographie : Leçons sur les courbes de
de dioxyde de carbone dans l’atmosphère et les océans Keeling (en anglais)
est un moteur important de ces changements. L’année http://scrippsco2.ucsd.edu/history_legacy/keeling_curve_lessons
2015 est la dernière au cours de laquelle on a enregistré King’s Centre for Visualization of Science : Absorption
à un moment donné une concentration de dioxyde de de différentes longueurs d’onde de lumière par les CFC
carbone inférieure à 400 ppm. Nous avons récemment (en anglais)
franchi un seuil symbolique dans une évolution que http://www.kcvs.ca/site/projects/JS_files/CFC/CFC.html
seule une combinaison de pression sociale collective,
d’activisme, de politiques, de modifications du mode de Musée national Smithsonian d’histoire naturelle : Acidification
vie et de technologies peut inverser. des océans (en anglais)
http://ocean.si.edu/ocean-acidification
Source : John Bortniak, capitaine de frégate (à la retraite), NOAA, collection NOAA At the Ends of the Earth
Figure 1 – L’observatoire du Mauna Loa, photographié en 1982. La concentration de dioxyde de carbone était alors d’environ 340 ppm.
Elle a augmenté de plus de 20 % au cours des 35 dernières années.
12Des preuves des changements climatiques
Nom : ___________________________________________ Date : _______________________________________________
Activité
Activité 1
Le dioxyde de carbone
Partie 1 : Le dioxyde de carbone dans l’atmosphère
Comment le dioxyde de carbone présent dans l’atmosphère affecte-t-il le climat? Pour étudier cette question,
analysez les courbes de Keeling, créées à partir de données recueillies par l’observatoire du Mauna Loa à Hawaï.
1. D’après vous, quels effets le dioxyde de carbone a-t-il sur l’atmosphère de la Terre? Comment
ressentons-nous ces effets?
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2. Visionnez la brève vidéo et indiquez où l’énergie thermique (la chaleur) est absorbée, réfléchie ou irradiée.
Indiquez si ces flux d’énergie sont sous forme de lumière visible, de lumière infrarouge, ou les deux.
3. Quel effet le dioxyde de carbone a-t-il sur l’énergie transmise du Soleil à la Terre? Et sur l’énergie irradiée
de la Terre dans l’espace?
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4. Comment la quantité d’énergie irradiée du Soleil à la Terre évoluera-t-elle si la quantité de dioxyde de carbone
dans l’atmosphère continue d’augmenter? Et la quantité d’énergie irradiée de la Terre dans l’espace?
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13Vous pouvez aussi lire
