Enseignement scientifique Terminale
Durée 1h – 10 points – Thème « Science, climat et société »
Sujet n°ENSSCI3195
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À l’aube de nouvelles mesures prises pour la circulation des véhicules dans plusieurs grandes villes françaises, visant à limiter les émissions de gaz à effet de serre, nous allons nous interroger sur l’impact de différents gaz sur le réchauffement climatique. Le dioxyde de carbone et le méthane ont toujours été considérés comme les principaux responsables mais l’impact d’un autre gaz, le protoxyde d’azote, n’a-t-il pas été sous-estimé ?
« Troisième gaz à effet de serre au monde, le N2O (protoxyde d’azote) 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, société scientifique nationale, 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 à caractériser la part des activités humaines dans ces émissions.
Partie 1 – Implication du protoxyde d’azote comme gaz à effet de serre
D’après le site de Météo France, cité en introduction, le protoxyde d’azote est le troisième gaz à effet de serre.
1- Citer les deux premiers gaz à effet de serre.
Les deux principaux gaz à effet de serre sont :
- La vapeur d’eau (H₂O)
- Le dioxyde de carbone (CO₂)
2- Utiliser vos connaissances pour choisir la (ou les) proposition(s) correcte(s) dans chacune des séries a), b) et c). Indiquer sur votre copie le (ou les) numéro(s) correspondant(s).
a) Le sol terrestre émet un maximum de rayonnement dans le domaine du spectre :
1. visible ;
2. infrarouge ;
3. ultraviolet.
b) Un gaz à effet de serre se caractérise par le fait qu’il :
1. absorbe une partie du rayonnement visible ;
2. réfléchit une partie du rayonnement visible ;
3. absorbe une partie du rayonnement infrarouge ;
4. réfléchit une partie du rayonnement infrarouge.
c) Depuis un siècle, l’ordre de grandeur d’augmentation de la température moyenne du globe est de :
1. 0,1 °C ;
2. 1 °C ;
3. 10 °C.
2a) 2. l’infrarouge
2b) 3. absorbe une partie du rayonnement infrarouge
2c) 2. 1°C
Document 1 – Spectre d’absorption du protoxyde d’azote (N2O) dans le domaine des infrarouges
Longueur d’onde (en µm)
Source : d’après la base de données du National Institute of Standard and Technologie (USA)
Le sol émet principalement un rayonnement sur une plage de longueurs d’onde comprises entre 7 et 15 µm.
3- Montrer que le protoxyde d’azote est un gaz à effet de serre en vous appuyant sur 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 2 – Impact des différents gaz sur le forçage radiatif et conséquences sur le réchauffement climatique
L’effet des différents gaz sur le réchauffement climatique dépend :
- de leur concentration dans l’atmosphère ;
- de leur « pouvoir de réchauffement global » (PRG), qui correspond à la puissance radiative qu’une masse d’un kilogramme de gaz à effet de serre renvoie vers le sol sur une durée de 100 ans. On attribue la valeur 1 au PRG du dioxyde de carbone.
| CO2 Dioxyde de carbone | CH4 Méthane | N2O Protoxyde d’azote | HFC Hydrofluorocarbures | PFC Perfluorocarbures | |
| Concentration atmosphérique en 2022 (en 2005 entre parenthèses) | 412 ppm (379 ppm) | 1 912 ppb (1 774 ppb) | 336 ppb (319 ppb) | 255 ppt (> 49 ppt) | 92,8 ppt (> 4,1 ppt) |
| PRG (cumulé sur 100 ans) | 1 | 28 | 265 | [1,4 ; 14 800] selon les gaz | [6 630 ; 11 100] selon les gaz |
| Origine des émissions anthropiques | Combustion d’énergie fossile, procédés industriels et déforestation tropicale | Décharges, agriculture, élevage et procédés industriels | Agriculture, procédés industriels, utilisation d’engrais | Sprays, réfrigération, procédés industriels | |
Note : ppm = partie par million ; ppb = partie par milliard ; ppt = partie par millier de milliard.
Sources : GIEC (Groupe d’experts intergouvernemental avec comité scientifique de relecture) 2014,
AGAGE (organisme sous tutelle de la NASA, USA) 2021,
NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration, Agence gouvernementale américaine, USA) 2023
Dans la citation de l’introduction, Météo France indiquait que le protoxyde d’azote contribue environ 300 fois plus au réchauffement de l’atmosphère par effet de serre que le dioxyde de carbone.
4- Indiquer si le document 2 permet de confirmer cette affirmation.
Le document 2 indique que le protoxyde d’azote (N₂O) a un Pouvoir de Réchauffement Global (PRG) de 265, ce qui signifie qu’un kilogramme de N₂O contribue 265 fois plus au réchauffement climatique qu’un kilogramme de dioxyde de carbone (CO₂) sur une période de 100 ans.
De plus, la concentration en protoxyde d’azote (N₂O) étant similaire à celle en dioxyde de carbone (CO₂), on peut dire que le protoxyde d’azote contribue environ 300 fois plus au réchauffement de l’atmosphère par effet de serre que le dioxyde de carbone.
Ainsi, l’affirmation de Météo France est donc confirmée par le document 2.
Météo France est l’agence nationale française de météorologie et participe à ce titre à la recherche au sein de laboratoires mixtes avec des universités et avec le CNRS.
5- Expliquer avec deux arguments différents pourquoi Météo France et les différentes sources citées dans le document 2 sont des sources fiables pour répondre à un questionnement sur le climat.
Deux arguments montrant que Météo France et les autres sources du document 2 sont fiables pour répondre à un questionnement sur le climat :
- Ce sont des organismes scientifiques reconnus : Météo France, le GIEC, la NOAA et l’AGAGE sont des institutions officielles et spécialisées dans l’étude du climat, de l’atmosphère et de l’environnement. Leurs travaux sont réalisés par des experts et validés par des comités scientifiques.
- Leurs données sont fondées sur des mesures rigoureuses et régulièrement mises à jour : Ces institutions utilisent des réseaux de surveillance mondiaux, des satellites, des stations d’observation et des modèles climatiques avancés pour fournir des informations précises, objectives et actualisées sur les gaz à effet de serre et leur impact.
Partie 2 – Évolution des concentrations en protoxyde d’azote et origines
Document 3 – Émissions mondiales de protoxyde d’azote en 2005
En 2005, la production mondiale de protoxyde d’azote, toutes origines confondues (anthropiques et naturelles), était estimée à 14,5 millions de tonnes.
Le graphique ci-dessous présente les différentes contributions anthropiques (dues à l’activité humaine) aux émissions totales de N2O en 2005 :
avec 1 TgN = 1 million de tonnes d’azote
Source : d’après les comptes rendus de l’Académie nationale des sciences américaine
[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.
6- Utiliser les informations du document 3 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 pour 2005 ;
c) calculer le pourcentage des émissions de N2O liées aux activités agricoles par rapport aux émissions totales anthropiques 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 = $47,6%$
6c) Le pourcentage des émissions de N2O liées aux activités agricoles par rapport aux émissions totales pour 2005 est :
Pourcentage des émissions de $N_2O$ liées aux activités agricoles
= $\dfrac{\text{émissions de } N_2O \text{ liées aux activités agricoles}}{\text{émissions de } N_2O \text{ totales}} \times 100$
Pourcentage des émissions de $N_2O$ liées aux activités agricoles = $\dfrac{5,2 \times 10^{6}}{14,5 \times 10^{6}} \times 100$
Pourcentage des émissions de $N_2O$ liées aux activités agricoles = $35,8\ %$
Les émissions de N₂O d’origine anthropique ont augmenté de 30 % au cours des trois dernières décennies. Les croissances les plus importantes se produisent dans les économies émergentes, en particulier du Brésil, de la Chine et de l’Inde.
Au cours des dernières décennies, la production végétale et le nombre de têtes de bétail ont également augmenté rapidement (Source CEA).
Document 4 – Évolution de la production mondiale de viande de 1961 à 2009
Source : FAOSTAT
La croissance des émissions de protoxyde d’azote et celle de la production de viande sont donc concomitantes, c’est-à-dire qu’elles se sont produites en même temps.
7- Justifier s’il est rigoureux scientifiquement de conclure qu’il existe une relation entre deux phénomènes à partir de leur concomitance. Vous pourrez vous appuyer sur les caractéristiques de la démarche permettant d’établir un fait scientifique.
La démarche scientifique demande de vérifier qu’un lien de causalité existe par des expériences, des observations répétées et l’analyse de mécanismes explicatifs.
Le fait que les émissions de N₂O et la production de viande augmentent ensemble ne prouve pas que l’un cause l’autre.
Il faut montrer, par exemple, que l’élevage (via les déjections animales ou l’utilisation d’engrais pour produire leur alimentation) est bien à l’origine directe des émissions de N₂O.
Corrélation n’est pas causalité.
Ainsi, il n’est pas rigoureux scientifiquement de conclure qu’il existe une relation entre deux phénomènes à partir de leur concomitance.
8- Développer deux arguments permettant ici d’établir un potentiel lien de causalité entre l’évolution montrée dans le document 4 et l’augmentation de la production de protoxyde d’azote anthropique.
Deux arguments qui permettant d’établir un potentiel lien de causalité entre l’augmentation de la production de viande (document 4) et l’augmentation des émissions de protoxyde d’azote (N₂O) d’origine anthropique :
- L’élevage intensif utilise massivement des engrais azotés pour produire l’alimentation animale (comme le maïs ou le soja). Ces engrais libèrent du N₂O dans l’atmosphère par des réactions chimiques dans les sols. Plus la production de viande augmente, plus il faut produire de nourriture pour les animaux, ce qui entraîne une augmentation de l’usage des engrais azotés, donc des émissions de N₂O.
- Les déjections animales issues de l’élevage libèrent du N₂O. En grandissant, les animaux produisent des excréments riches en azote.