Enseignement scientifique Terminale
Durée 1h – 10 points – Thème « Science, climat et société »
Sujet n°ENSSCI3200 et n°ENSSCI3204
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« Troisième gaz à effet de serre au monde, le protoxyde d’azote (N2O) joue un rôle important dans le réchauffement du climat, à quantités égales, il contribue environ 300 fois plus au réchauffement de l’atmosphère par effet de serre que le dioxyde de carbone » (Météo France, 2020). À l’échelle mondiale, une part de sa production est d’origine naturelle (majoritairement issue des sols et dans une moindre mesure de l’océan) et l’autre part est d’origine anthropique.
On cherche à étudier l’implication du protoxyde d’azote (N2O) comme gaz à effet de serre et caractériser la part des activités humaines dans ces émissions.
1- En utilisant vos connaissances, choisir la (ou les) proposition(s) exacte(s) dans chacune des séries A), B), C) et D) puis indiquer, sur la copie, la (ou les) lettre(s) correspondante(s).
A) Le sol terrestre émet un rayonnement dans le domaine du spectre :
a- visible ;
b- infrarouge ;
c- ultraviolet.
B) Un gaz à effet de serre se caractérise par le fait qu’il :
a- absorbe une partie du rayonnement visible ;
b- réfléchit une partie du rayonnement visible ;
c- absorbe une partie du rayonnement infrarouge ;
d- réfléchit une partie du rayonnement infrarouge.
C) Les deux principaux gaz à effet de serre impliqués dans le forçage radiatif sont :
a- le dioxyde de carbone (CO2) ;
b- le dioxygène (O2) ;
c- la vapeur d’eau (H2O) ;
d- le diazote (N2) ;
e- le méthane (CH4).
D) Depuis un siècle, l’ordre de grandeur d’augmentation de la température moyenne du globe est de :
a- 0,2 °C ;
b- 1 °C ;
c- 2 °C ;
d- 5 °C ;
e- 20 °C.
1a) 2. l’infrarouge
1b) 3. absorbe une partie du rayonnement infrarouge
1c) 3. la vapeur d’eau (H2O) et 1. le dioxyde de carbone (CO2)
1d) 2. 1°C
2- Sachant que le sol émet un rayonnement de longueur d’onde comprise entre 7 et 15 µm, montrer que le protoxyde d’azote est un gaz à effet de serre, en exploitant le document 1.
Le spectre d’absorption infrarouge du protoxyde d’azote (N2O) montre plusieurs bandes d’absorption, ce qui indique que ce gaz absorbe les radiations infrarouges émises par la Terre dans la gamme de longueurs d’onde de 7 à 15 µm. Cela signifie que le protoxyde d’azote est un gaz à effet de serre qui retient la chaleur dans l’atmosphère.
Document 1 – Spectre d’absorption infrarouge du protoxyde d’azote (N2O)
Longueur d’onde (en µm)
Source : d’après la base de données du National Institute of Standard and Technologie (USA)
3- Utiliser les informations du document 2 pour :
a) exprimer les émissions totales de N2O anthropiques en tonnes d’azote pour l’année 2005 ;
b) calculer le pourcentage des émissions de N2O anthropiques par rapport aux émissions totales de N2O pour 2005.
a) Les émissions totales de N2O anthropiques en 2005 est de 6,9 TgN
6,9 TgN = $6,9 \times 10^{12}$ g d’azote
6,9 TgN = $6,9 \times 10^{6} \times 10^{6}$ g d’azote
6,9 TgN = $6,9 \times 10^{6}$ tonnes d’azote
b) Le pourcentage des émissions de $N_2O$ anthropiques par rapport aux émissions totales pour 2005 est :
Pourcentage des émissions de $N_2O$ anthropiques = $\dfrac{\text{émissions de } N_2O \text{ anthropiques}}{\text{émissions de } N_2O \text{ totales}} \times 100$
Pourcentage des émissions de $N_2O$ anthropiques = $\dfrac{6,9 \times 10^{6}}{14,5 \times 10^{6}} \times 100$
Pourcentage des émissions de $N_2O$ anthropiques = $47,6%$
4- En utilisant les documents 2, 3 et 4 suivants, expliquer en quoi certaines activités agricoles contribuent au réchauffement climatique.
L’agriculture est la principale source d’émissions de protoxyde d’azote d’origine anthropique, contribuant à 47,6 % des émissions totales de N2O.
Les principales activités agricoles responsables de ces émissions sont la fertilisation azotée des cultures, l’élevage et la gestion des déchets animaux, ainsi que la gestion des sols. La production de viande est une source importante de ces émissions car elle nécessite une grande quantité d’engrais pour la culture de céréales destinées à l’alimentation animale, ainsi que la gestion des déjections animales.
Le document 3 montre une augmentation de la production mondiale de viande de 1961 à 2009.
Le document 4 montre une augmentation de la concentration atmosphérique en N2O de 1750 à 2010.
L’utilisation excessive d’engrais azotés dans l’agriculture peut également entraîner la pollution des eaux souterraines et de surface. En outre, les émissions de N2O contribuent de manière significative au réchauffement climatique, car le N2O est un gaz à effet de serre potentiellement 300 fois plus puissant que le dioxyde de carbone.
Par conséquent, la réduction des émissions de N2O provenant de l’agriculture est cruciale pour atténuer le changement climatique et préserver l’environnement pour les générations futures.
Document 2 – Émissions mondiales de protoxyde d’azote en 2005
En 2005, la production mondiale de protoxyde d’azote, toutes origines confondues, était estimée à 14,5 millions de tonnes.
Le graphique ci-dessous présente les émissions anthropiques de N2O en 2005.
Source : d’après www.pnas.org
Les émissions de N2O d’origine agricole proviennent essentiellement de la transformation des produits azotés tels que les engrais dans les sols, les déjections des animaux d’élevage (lisier, fumier) ou les résidus de récolte.
Document 3 – Évolution de la production mondiale de viande de 1961 à 2009 en millions de tonnes
Production mondiale de viande (106 tonnes)
Source : FAOSTAT
Document 4 – Évolution de la concentration atmosphérique en N2O de 1750 à 2010
Une concentration de 1 ppb, signifie qu’une molécule sur un milliard (soit 10-9) dans un échantillon d’air est du N2O.
Source : d’après l’EEA (agence européenne pour l’environnement)
L’une des conséquences du réchauffement climatique est l’élévation du niveau des océans, causée par la dilatation thermique de l’eau. On estime la surface de l’océan Atlantique à 82 400 000 km2, et son volume à 323 600 000 km3.
On rappelle la définition du coefficient de dilatation thermique :
avec
- α : le coefficient de dilatation thermique de l’eau égal à 1,5.10-4 °C-1 ;
- ΔV : la variation de volume exprimée en m3 ;
- ΔT : la variation de température exprimée en °C ;
- VT0 : le volume initial exprimé en m3.
Le scénario le plus pessimiste du GIEC prévoit une augmentation de température égale à 5 °C d’ici à l’an 2100.
5- Calculer la variation du volume de l’océan associée à cette variation de température.
$$\alpha=\frac{\Delta V}{V_{T0} \times \Delta T}$$
$$\frac{\Delta V}{V_{T0} \times \Delta T}=\alpha$$
$$\Delta V=\alpha \times V_{T0} \times \Delta T$$
$$\Delta V=1,5 \times 10^{-4} \times 323\ 600\ 000 \times 5$$
$$\Delta V=242\ 700\ km^3$$
La variation du volume de l’océan associée à cette variation de température est de 242 700 km3.
6- En déduire la valeur de l’élévation du niveau de l’océan Atlantique dans ce cas de figure pessimiste.
$$\Delta V=\Delta H \times S$$
$$\Delta H \times S=\Delta V$$
$$\Delta H=\frac{\Delta V}{S}$$
$$\Delta H=\frac{242\ 700}{82\ 400\ 000}$$
$$\Delta H=3,0 \times 10^{-3}\ km$$
Dans ce cas de figure pessimiste, la valeur de l’élévation du niveau de l’océan Atlantique serait de 3,0 m.