Enseignement scientifique Terminale
Durée 1h – 10 points – Thème « Science, climat et société »
Sujet n°ENSSCI3214 et n°ENSSCI3215
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Avec plus de 60 % de la population mondiale vivant à moins de 150 km d’une côte (source INSEE), les littoraux sont un espace majeur des activités humaines.
Cependant, partout dans le monde, ils sont actuellement sous la menace des conséquences du dérèglement climatique. Sont-ils tous exposés aux mêmes dangers ?
Partie 1 – Zones littorales tropicales et ouragans : l’exemple de Béryl
L’ouragan Béryl a dévasté les petites Antilles le 1er Juillet 2024, entraînant décès et destructions. Classé très dangereux, de catégorie 5 (sur 5) sur l’échelle de Saffir- Simpson, il « est tout simplement extraordinaire du point de vue de la climatologie et de l’histoire des ouragans atlantiques » selon Météo France qui le qualifie « d’anomalie climatologique ».
Document 1 – Température moyenne des eaux de surface en Atlantique de 1979 à 2024
Source : d’après University of Maine, Climate change institute
Document 2 – Mécanisme de formation d’un ouragan
L’eau chaude est la source d’énergie des cyclones tropicaux.
Au-dessus des eaux plus froides ou des terres, ils faiblissent rapidement.
Source : d’après meteo-express.com
1- Identifier, en justifiant, un paramètre physique dont la valeur hors norme est probablement un élément à l’origine du caractère exceptionnel de l’ouragan Béryl.
Un paramètre physique dont la valeur hors norme est probablement à l’origine du caractère exceptionnel de l’ouragan Béryl est la température moyenne des eaux de surface en Atlantique.
D’après le document 1, cette température a atteint un niveau records en juillet 2024.
Le document 2 précise que l’eau chaude est la source d’énergie des cyclones tropicaux.
Ainsi, des eaux très chaudes fournissent davantage d’énergie aux ouragans, ce qui explique la violence exceptionnelle de Béryl.
2- Identifier les deux conséquences de l’arrivée d’un ouragan sur une zone littorale.
Deux conséquences de l’arrivée d’un ouragan sur une zone littorale :
- Destructions d’infrastructures, de bâtiments, de routes etc.
- L’ouragan provoque une élévation anormale du niveau de la mer qui inonde les zones côtières.
Afin de se préparer à ces phénomènes très destructeurs et protéger les populations, les scientifiques cherchent à anticiper l’intensification de ces ouragans.
Document 3 – Écarts de température par rapport à la situation pré-industrielle (1850) observés (avant 2015) ou calculés par différents modèles (GIEC)
Source : d’après GIEC
3- Analyser l’effet d’une augmentation de la concentration en dioxyde de carbone dans l’atmosphère sur la température moyenne mondiale.
L’analyse du document 3, montre qu’une augmentation de la concentration en dioxyde de carbone (CO₂) dans l’atmosphère entraîne une élévation de la température moyenne mondiale.
Document 4 – Spectres infrarouges en transmission de CO2 et de l’air
Plus la transmission à une longueur d’onde donnée est élevée, moins le rayonnement correspondant est absorbé par les gaz.
Note : 1 micron = 1 micromètre.
Source : planet-terre.ens-lyon.fr
4- En comparant les deux spectres proposés, expliquer pourquoi le dioxyde de carbone est qualifié de gaz à effet de serre.
En comparant les deux spectres infrarouges (document 4) — celui du dioxyde de carbone (CO₂) et celui de l’air — on observe que le spectre du CO₂ présente une transmission beaucoup plus faible autour de certaines longueurs d’onde, notamment autour de 4,5 micromètres, ce qui signifie qu’à ces longueurs d’onde, le CO₂ absorbe fortement ce rayonnement.
Or quand le CO₂ absorbe ce rayonnement., il l’empêche de s’échapper vers l’espace et la restitue partiellement vers la surface terrestre, contribuant ainsi au réchauffement de l’atmosphère.
C’est pourquoi le dioxyde de carbone est qualifié de gaz à effet de serre.
5- Montrer que les scénarios proposés par le GIEC sont en accord avec cette propriété du dioxyde de carbone et indiquer la conséquence résultante pour la formation d’ouragans en zone tropicale.
Les scénarios du GIEC montrent qu’une hausse de la concentration de CO₂ entraîne une augmentation de la température moyenne mondiale.
Ainsi les scenarios proposés par le GIEC sont en accord avec cette propriété́ du dioxyde de carbone d’être un gaz à effet de serre.
Ce réchauffement chauffe les océans. Or L’eau chaude est la source d’énergie des cyclones tropicaux. Ainsi, les ouragans tropicaux deviennent plus fréquents et plus intenses en zone tropicale.
Partie 2 – Zones littorales tempérées : l’exemple des Pays-Bas
Géographiquement, les Pays-Bas disposent de caractéristiques uniques, possédant l’une des altitudes moyennes les plus faibles au monde : environ un quart du territoire de ce pays d’Europe est situé sous le niveau de la mer et un cinquième est couvert d’eau. Au fil des siècles, des digues ont été construites et des terres gagnées sur le delta de la Meuse et du Rhin.
Document 5 – Carte simplifiée des altitudes aux Pays-Bas
Superficie des Pays-Bas : 41 530 km2
Source : d’après cartograf.fr
6- Évaluer la perte de territoire (en km2) que subiraient les Pays-Bas si le niveau de la mer s’élevait d’un mètre, en l’absence de solutions compensatoires.
20% du territoire des Pays-Bas est compris entre 0 et 1 m au-dessus du niveau de la mer.
26% du territoire des Pays-Bas est sous le niveau de la mer.
Si le niveau de la mer s’élevait d’un mètre, 46% (20%+26%) du territoire des Pays-Bas serait sous l’eau.
Or la superficie des Pays-Bas est de 41 530 km2.
$$S_{\text{perdue}}=\frac{46}{100} \times 41\ 530$$
$$S_{\text{perdue}}=19\ 104\ km^2$$
Ainsi, si le niveau de la mer s’élevait d’un mètre 19 104 km2 du territoire des Pays-Bas serait perdu en l’absence de solutions compensatoires.
Pour comprendre les conséquences d’une élévation de la température sur le niveau des océans, on étudie le comportement d’une tonne d’eau, placée dans un récipient cylindrique de base de surface 𝑆 = 0,100 m2.
On rappelle que le volume 𝑉 du cylindre d’eau vaut 𝑉 = ℎ × 𝑆 avec ℎ la hauteur d’eau.
Document 6 – Volume occupé par une tonne d’eau en fonction de la température
Source : auteur du sujet
7- Montrer que la hauteur de liquide dans le récipient cylindrique à 15,5 °C vaut environ 10,01 m.
On étudie le comportement d’une tonne d’eau, placée dans un récipient cylindrique de base de surface 𝑆 = 0,100 m2.
Graphiquement, à 15,5 °C, V =1,001 m3.
$$V=h \times S$$
$$h \times S=V$$
$$h=\frac{V}{S}$$
$$h=\frac{1,001}{0,100}$$
$$h=10,01\ m$$
Un scénario pessimiste prévoit une élévation de la température moyenne de la Terre de 5,5 °C.
8- Montrer qu’une augmentation de 5,5 °C provoque une élévation d’environ 0,1 % du niveau de liquide.
Graphiquement, pour une élévation de 5,5°C soit une température de 21°C (15,5+5,5), V =1,002 m3.
$$h’=\frac{V’}{S}$$
$$h’=\frac{1,002}{0,100}$$
$$h’=10,02\ m$$
Calculons le pourcentage de cette élévation :
$$P=\frac{h’-h}{h}$$
$$P=\frac{10,02-10,01}{10,01}$$
$$P=0,001$$
$$P=0,1\ %$$
Ainsi, une augmentation de 5,5 °C provoque une élévation d’environ 0,1 % du niveau de liquide.
La profondeur moyenne des océans sur Terre est de 3 800 m.
9- Montrer que l’approche expérimentale précédente permet de prévoir que l’augmentation de 5,5 °C de la température aurait pour conséquence une élévation de 3,8 m du niveau de la mer.
La profondeur moyenne des océans sur Terre est de 3 800 m. Calculons une élévation de 0,1% :
$$\Delta h=\frac{0,1}{100} \times 3\ 800$$
$$\Delta h=3,8\ m$$
Ainsi, l’approche expérimentale précédente permet de prévoir que l’augmentation de 5,5 °C de la température aurait pour conséquence une élévation de 3,8 m du niveau de la mer.
La modélisation à partir de l’expérience précédente néglige notamment la salinité de l’eau de mer ou encore les variations de température.
10- Justifier la nécessité pour les scientifiques de créer en laboratoire des modèles simplifiés, malgré leurs limites, pour étudier les phénomènes naturels.
Les scientifiques créent des modèles simplifiés en laboratoire pour mieux comprendre et analyser des phénomènes naturels complexes comme la montée du niveau de la mer.
En isolant certains paramètres (comme la température), on peut observer leurs effets directs.
Bien que ces modèles simples ne tiennent pas compte de toutes les variables réelles (comme la salinité ou encore les variations de température), ils fournissent des bases pour établir des prévisions.
Ils servent aussi à tester des hypothèses, à affiner les modèles utilisés dans les projections climatiques afin d’évaluer les impacts potentiels du changement climatique.