Enseignement scientifique Terminale
Durée 1h – 10 points – Thème « Science, climat et société »
Sujet n°ENSSCI3218 et n°ENSSCI3192
Télécharger l’exercice en PDF :
Le permafrost est une couche de sol gelé en permanence. D’après les climatologues, il est considéré aujourd’hui comme une « bombe climatique à retardement ». Il s’agit ici de s’interroger sur la validité scientifique de cette expression.
Partie 1 – L’évolution du permafrost arctique
Document 1 – Répartition mondiale du permafrost actuel
« Un cinquième de la surface terrestre est congelé. Ce sol mêlé de glace, nommé […] permafrost, se trouve surtout en Arctique ; il représente 25 millions de kilomètres carrés, soit deux fois et demie la superficie de l’Europe. »
Source : extrait d’un article scientifique publié dans Pour la Science, n° 390, Avril 2010
Figure 1 – Carte de l’Arctique
Source : d’après Brown et al, 1997 in International Permafrost Association, 2020
Figure 2 – Évolution de la température du permafrost en Alaska (lieu A) à 20 mètres de profondeur en fonction du temps
Source : d’après leau-vive.ca/Societe/pergelisol-et-impacts-sur-les-communautes-nordiques, 2018
1- Indiquer la localisation géographique principale actuelle du permafrost.
Le permafrost se situe principalement en Russie, Alaska et Canada.
Les chercheurs ont étudié l’évolution du permafrost à deux endroits situés en Alaska et près de la baie d’Hudson au Canada, où se trouvent deux centres d’études météorologiques. Ces lieux sont notés A et B sur la carte du document 1.
2- En utilisant la figure 2 du document 1, décrire l’évolution globale de la température du permafrost dans le lieu A au cours du temps.
La figure 2 montre qu’au lieu A (Alaska), la température du permafrost à 20 mètres de profondeur a augmenté de façon progressive entre 1988 et 2018, passant de -8,3 °C à -6,5 °C.
3- En déduire si l’état physique de l’eau du permafrost en Alaska, dans le lieu A, a changé suite à cette évolution.
La température du permafrost au lieu A est passée de -8,3 °C à -6,5 °C, ce qui reste en dessous de 0 °C (température de fusion de l’eau). Ainsi, l’eau contenue dans le permafrost reste à l’état solide, l’état physique de l’eau du permafrost en Alaska, dans le lieu A, n’a donc pas changé suite à cette évolution.
Partie 2 – Conséquences sur le paysage de l’évolution du permafrost
Document 2 – Structure du sol au lieu B
Près de la baie d’Hudson (lieu B), la température du permafrost peut devenir positive au cours de l’année. Une coupe permet d’observer les différentes couches qui constituent le sol.
Source : The layers of permafrost. Photographie : Benjamin Jones, USGS
4- Recopier la proposition correcte si la température du permafrost devient positive :
a) Le permafrost fond.
b) La glace fond.
c) Le permafrost n’est pas modifié.
d) L’état physique de la glace ne change pas.
Si la température du permafrost devient positive : b) La glace fond.
Document 3 – Vues aériennes du lieu B en 1959 et 2006
Le « thermokarst » désigne la structure du paysage associée au réchauffement d’un permafrost riche en glace, ce qui provoque notamment l’affaissement de la surface du sol et la formation de mares ou de lacs dans les dépressions produites.
L’eau liquide apparaît de couleur noire sur les photographies.
Les légendes K1, K2, K6 et K20 indiquent la localisation de thermokarsts.
Source : d’après Bouchard et al, 2012
5- Identifier les changements observés sur les paysages en comparant les photographies aériennes du lieu B et proposer une explication.
Entre juillet 1959 et juillet 2006, on observe :
- Une diminution de la surface occupée par le permafrost
- Une augmentation du nombre et de la taille des zones noires, correspondant à des mares ou des lacs, notamment autour des zones K1, K2, K6 et K20. Cela indique un affaissement du sol et une accumulation d’eau en surface.
Ces modifications du paysage s’expliquent par le réchauffement du permafrost : la glace qu’il contient fond, provocant l’apparition des thermokarst.
6- Indiquer une conséquence que peut avoir le dégel du permafrost sur les infrastructures et les activités humaines dans cette région.
Le dégel du permafrost peut entraîner l’affaissement ou l’effondrement des infrastructures (routes, bâtiments etc.), rendant les constructions instables et dangereuses.
Partie 3 – Dioxyde de carbone et méthane, des gaz à effet de serre du permafrost
Le méthane et le dioxyde de carbone sont naturellement émis par les sols comme produits de différents processus, principalement biologiques. La fermentation de matière organique produit ainsi du méthane en l’absence de dioxygène (conditions anaérobie). Le méthane peut être oxydé en dioxyde de carbone en présence de dioxygène (conditions aérobie). Les émissions sont habituellement faibles, mais le dégel du permafrost s’accompagne de variations de ces émissions.
7- Identifier, sur la coupe de sol du document 2, la source de matière organique à l’origine de la fermentation qui se produit dans les thermokarsts.
Sur la coupe de sol du documentument 2, la source de matière organique à l’origine de la fermentation est située dans la couche active (active layer), qui dégèle chaque été. Cette couche contient des restes de végétaux et d’organismes morts accumulés au fil du temps, et qui, en se décomposant en l’absence de dioxygène (conditions anaérobie), produisent du méthane.
Figure 3 – Flux de CO2 et CH4 (en mmol de gaz par m2 et par jour) libérés par les thermokarsts dans l’atmosphère en fonction de leur surface
Source : d’après ASLO 2020
8- Comparer les ordres de grandeur des flux de dioxyde de carbone et de méthane.
La figure 3 montre que les flux de dioxyde de carbone (CO₂) sont compris entre 40 et 1000 mmol.m–²d-1, tandis que ceux de méthane (CH₄) sont compris entre 0,1 et 100 mmol.m–²d-1.
Les flux de CO₂ sont donc environ beaucoup plus élevés que ceux de CH₄ en termes de quantité émise par mètre carré et par jour.
9- Indiquer si les graphiques de la figure 3 permettent de proposer un lien simple entre la surface d’un thermokarst et les variations des flux de dioxyde de carbone (CO2) d’une part et de méthane (CH4) d’autre part.
Les points sont dispersés et ne suivent pas une tendance : pour des surfaces similaires, les flux varient fortement.
Ainsi, les graphiques de la figure 3 ne permettent pas de proposer un lien simple entre la surface d’un thermokarst et les flux de CO₂ et CH₄.
Document 4 – Pouvoir de réchauffement global (PRG) du dioxyde de carbone et du méthane
Le pouvoir de réchauffement global d’un gaz (PRG) se définit comme le forçage radiatif (c’est-à-dire la puissance radiative que 1 kilogramme de gaz renvoie vers le sol), cumulé sur une durée de 100 ans. Cette valeur se mesure relativement au CO2. Par convention, le PRG est fixé à 1 pour le CO2.
| Gaz | Dioxyde de carbone CO2 | Méthane CH4 |
| PRG | 1 | 21 |
| Durée de séjour moyenne dans l’atmosphère | 100 ans | 12 ans |
Figure 3 – Spectres d’absorption du CO2 et du CH4
Source : d’après Terminale, spécialité SVT, éd. Magnard
10- Comparer les conséquences des flux de CH4 et de CO2 sur la température moyenne globale atmosphérique.
Bien que les flux de CO₂ soient environ plus élevés que ceux de CH₄, le méthane a un pouvoir de réchauffement global (PRG) 21 fois supérieur à celui du CO₂ : le CH₄ émis contribue plus au réchauffement climatique que le CO₂.
Ainsi, même de faibles émissions de CH₄ issues du dégel du permafrost peuvent avoir un impact significatif sur la température moyenne globale.
11- Expliquer que le permafrost arctique puisse être considéré comme « une bombe climatique à retardement » par les climatologues à l’aide de l’ensemble de l’étude menée dans cet exercice.
Le permafrost contient de grandes quantités de matière organique gelée depuis des milliers d’années.
Avec le réchauffement climatique, sa température augmente (document 1) et entraîne le dégel progressif du sol (document 3). Ce dégel provoque des modifications du paysage (thermokarsts) et libère de la matière organique qui fermente en milieu anaérobie, produisant du méthane (CH₄) et du dioxyde de carbone (CO₂).
Bien que les flux de CH₄ soient plus faibles, son pouvoir de réchauffement global est 21 fois plus élevé que celui du CO₂ (document 4).
Ainsi, le dégel du permafrost peut relâcher massivement ces gaz à effet de serre, accélérant encore le réchauffement climatique.
C’est pourquoi les climatologues parlent d’une « bombe climatique à retardement ».