Utiliser en routine des banques de données en ligne pour traiter des notions du thème 2 du programme de Seconde

Contexte

En classe de Seconde, le thème « Enjeux planétaires contemporains : énergie, sol » constitue un terrain propice à la quête par les élèves de données en ligne. Si les banques de données en ligne, parfois complexes à interroger, sont avant tout conçues par et pour la communauté scientifique, leur utilisation en classe constitue un défi tout à fait relevable.
Cet article contient deux propositions d’activité exploitant l’interrogation de banque de données en ligne : l’une en vue de jauger l’importance de la photosynthèse, l’autre destinée à discuter de l’impact de l’utilisation des combustibles fossiles sur l’évolution de la teneur en CO2 atmosphérique.
Au-delà des notions qu’elles permettent de construire, les activités proposées exigent de savoir paramétrer une requête, traiter les données issues d’une requête et communiquer les résultats de la requête sous la forme d’un document approprié. On mobilise ainsi un certain nombre de compétences en vue de l’obtention du B2i lycée.

Déroulement des activités

1. Enquêter sur l’importance de la photosynthèse

Cette activité représente une séance complète de TP (1h30).

Place dans le programme

Les ressources mises à disposition des élèves pour cette activité

—> Banque Fluxnet : http://cdiac.esd.ornl.gov/programs/ameriflux/data_system/aamer.html#BorNSAOBS
—> Serveur d’images satellitales de la Nasa : site NEO (Nasa Earth Observations) : http://neo.sci.gsfc.nasa.gov/
—> Tutoriels : Fiches techniques d’aide à l’interrogation de la banque Fluxnet et du site NEO
Fiche technique interrogation banque FluxNet
Fiche technique interrogation serveur d’images site NEO/NASA

L’énoncé du travail donné aux élèves

Un énoncé possible
A partir de requêtes pertinentes menées auprès des différentes banques de données, mettez en évidence l’importance de la photosynthèse à différentes échelles : échelle planétaire, échelle de l’écosystème.
Quelques directives de travail

[on aura préalablement demandé aux élèves de se familiariser avec l’interface d’interrogation et le contenu de chacune des deux banques, en utilisant la documentation technique].

Consignes techniquesCompétences B2iConsignes de production
1. En choisissant la banque appropriée, générer des images de cartes mondiales de productivité primaire nette d’une part dans les océans (mois de juillet 2010), d’autre part sur les continents (mois de janvier 2010 puis juillet 2010). L.1.1 « Je sais choisir les services, matériels et logiciels adaptés à mes besoins » ; L.4.1 « Je sais interroger les bases documentaires à ma disposition »)
L.3.1 « Je sais créer et modifier un document numérique composite transportable et publiable »
Composer un document Word propre et lisible en présentant les unes sous les autres, dans une même page, les trois cartes obtenues. Enregistrer ensuite ce travail dans le répertoire de travail. Tirer des informations de ces cartes.
2. En choisissant la banque appropriée, générer des graphiques indiquant, à deux saisons différentes en un même endroit du globe, le flux de CO2 (« FC CO2flux ») entre l’atmosphère et l’écosystème. Vous choisirez l’écosystème "Great Mountain Forest of Connecticut »), pour la période du 19 au 27 juillet 2000 puis pour la période du 01 ou 08 février 2000. L.1.1 « Je sais choisir les services, matériels et logiciels adaptés à mes besoins » ; L.4.1 « Je sais interroger les bases documentaires à ma disposition » ; L.3.1 Je sais créer et modifier un document numérique composite transportable et publiable Composer un document Word propre et lisible en présentant l’un sous l’autre, dans une même page, les deux graphiques obtenus. Enregistrer ensuite ce travail dans le répertoire de travail. Tirer des informations de ces graphiques.
Des exemples de productions pouvant être réalisées par les élèves

Premier temps : choix du serveur NEO et quête de données sur la photosynthèse planétaire
- Une carte générée à l’aide du serveur NEO en ce qui concerne la photosynthèse dans les océans pour le mois de juillet 2010  :

(Dans les océans, on quantifie la productivité primaire nette en mesurant au moyen de satellites les variations de concentration en chlorophylle)

On observe qu’en domaine océanique, la productivité primaire est plus importante près des côtes (on peut imaginer que cela correspond à des endroits où l’apport de sels minéraux est plus important) ainsi qu’à certaines latitudes (on peut là imaginer que cela correspond aux latitudes où l’ensoleillement est plus important).

- Des cartes générées à l’aide du serveur NEO en ce qui concerne la photosynthèse continentale :

en juillet 2010
(Sur les continents, on quantifie la productivité primaire nette en mesurant au moyen de satellites un indice de végétation continentale)
en janvier 2010

On observe que la productivité primaire est plus importante dans l’hémisphère Nord en juillet qu’en janvier. C’est le contraire dans l’hémisphère Sud, en relation avec l’inversion des saisons donc de l’ensoleillement.

Deuxième temps : choix de la banque Fluxnet et quête de données sur la photosynthèse à l’échelle de l’écosystème

-  Le graphique généré à l’aide de la banque Fluxnet pour dix jours de l’été 2010 :

On observe des variations cycliques et quotidiennes du flux de CO2. Cela correspond à l’alternance d’un flux photosynthétique (le jour) et d’un flux respiratoire (la nuit). On peut proposer aux élèves d’annoter le graphique :

- Le graphique généré à l’aide de la banque Fluxnet pour dix jours de l’hiver 2010 :

Le flux photosynthétique est peu perceptible l’hiver, saison où de nombreux végétaux de la forêt sont dépourvus de feuilles.

L’interrogation successive des deux banques aura donc permis –au passage- de réactiver quelques connaissances autour des conditions de la photosynthèse.

2. Enquêter sur les variations d’origine humaine de la teneur en dioxyde de carbone atmosphérique

Cette activité représente une séance complète de TP (1h30).

Place dans le programme

Démarche de résolution

On part du constat que les combustibles fossiles sont utilisés par l’homme depuis la révolution industrielle, qui a débuté en 1750 et s’est accélérée au 19ème et 20ème siècle. On cherche alors à discuter de l’impact de l’utilisation de combustible fossile sur l’évolution de la teneur en CO2 atmosphérique. Pour cela, on propose aux élèves d’exploiter différentes banques de données donnant accès aux variations de la teneur en CO2 atmosphérique à différentes échelles de temps (le quaternaire récent, le millénaire et l’échelle séculaire). On découvrira ainsi que si des variations cycliques de la teneur en CO2 atmosphérique sont observées depuis au moins 400 000 ans, elles sont sans commune mesure avec l’augmentation importante plus récemment observée et que cette augmentation récente est elle-même concomitante de l’accélération de la révolution industrielle. On aura donc démontré que l’utilisation de combustible fossile restitue du dioxyde de carbone à l’atmosphère et ceci de manière rapide.

Les ressources mises à disposition des élèves pour cette activité

—> Banque de données du site NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) de Paléoclimatologie : http://www.ncdc.noaa.gov/paleo/
—> Banque de données du WDCGG (World Data Centre for Greenhouse Gases) : http://gaw.kishou.go.jp/wdcgg
—> Tutoriels : Fiches techniques d’aide à l’interrogation des deux banques : site NOAA et banque de données du WDCGG
Fiche technique interrogation banque NCDC du site NOAA
Fiche technique interrogation banque WDCGG
—> Fichier « CO2_2200ans.xls » donnant la teneur en CO2 de l’atmosphère au cours des 2200 dernières années

Les étapes du travail

Premier temps : Enquête sur les variations passées de la teneur en dioxyde de carbone atmosphérique
Ressource à utiliserManipulations informatiques [et compétences B2i]Suggestions d’exploitation
banque NOAA Mener sur le site NOAA une requête permettant d’obtenir les résultats d’un forage réalisé à Vostok (Antarctique) concernant la mesure de la teneur en CO2 des bulles d’air hébergées par la glace -révélatrices des atmosphères passées- depuis 420000 ans.
[L.4.1 « Je sais interroger les bases documentaires à ma disposition »]
Enregistrer le fichier .txt dans le répertoire de travail puis formater ce fichier en vue de son traitement avec le logiciel tableur/grapheur.
Enregistrer le fichier .xls obtenu dans le répertoire de travail
logiciel Tableur/grapheur À partir du fichier obtenu, construire le graphe donnant l’évolution de la teneur en CO2 de l’atmosphère en fonction du temps depuis 420000 ans.
[L.3.5 « Je sais produire une représentation graphique à partir d’un traitement de données »]
Annoter le graphique en montrant les variations naturelles de la teneur en CO2 au cours des 420000 dernières années (périodicité ? amplitude des variations ?)
Quelques exemples de productions obtenues :

- Le fichier .txt brut extrait du site NOAA : CO2nat.txt


- Le fichier.xls généré à partir du fichier .txt  : CO2nat.xls


- Ci-dessous, le graphique confectionné à partir du fichier CO2nat.xls et annoté :
CO2_420000ans
L’analyse de la composition des bulles d’air hébergées par les glaces indique que les très grandes variations de la teneur en dioxyde atmosphérique ont lieu tous les 100 000 ans et que leur amplitude est d’environ 100 ppmv (parties par million de volume).

Deuxième temps : Enquête sur les variations de la teneur en dioxyde de carbone atmosphérique à d’autres échelles de temps

Dans ce deuxième temps, on explore le passé récent (étape 1), avant et après le début de la révolution industrielle, puis on explore le présent (étape 2).

—> Etape 1 :
Ressources à utiliserManipulations informatiques [et compétences B2i]Suggestions d’exploitation
Logiciel tableur-grapheur et fichier « CO2_2200ans.xls » Construire le graphe donnant l’évolution de la teneur en CO2 de l’atmosphère au cours des 2200 dernières années.
[L.3.5 « Je sais produire une représentation graphique à partir d’un traitement de données » ]
Après avoir situé sur le graphe les dates « repère » concernant l’utilisation par l’Homme des combustibles fossiles, donner des arguments en faveur de la responsabilité de l’Homme dans l’évolution de la teneur en CO2 atmosphérique. Chiffrer l’évolution liée à l’Homme et la comparer aux variations naturelles enregistrées dans le passé.
—> Etape 2 :
Ressources à utiliserManipulations informatiques [et compétences B2i]Suggestions d’exploitation
Banque de données du WDCGG Mener sur le site du WDCGG des requêtes permettant d’obtenir, pour des endroits différents du globe, des graphiques de l’évolution très récente (la dernière décennie) de la teneur en CO2 atmosphérique.
[L.4.1 « Je sais interroger les bases documentaires à ma disposition »]
À partir de la comparaison de l’ensemble des données à différentes échelles de temps, expliquer en quoi la situation actuelle est préoccupante.
Quelques exemples de productions obtenues :
—> Pour l’étape 1, le graphique annoté et commenté des variations de la teneur au CO2 au cours des 2200 dernières années :

On observe une élévation très importante de la teneur en CO2 de l’atmosphère à partir du moment où l’Homme a utilisé massivement des combustibles fossiles (accélération de la révolution industrielle). Cette corrélation est un argument en faveur de la responsabilité de l’Homme dans l’évolution de la teneur en CO2 atmosphérique.
Entre les années 1750 et 2000, la teneur en CO2 de l’atmosphère a augmenté de 280 à 370 ppmv soit une amplitude de variation d’environ 100 ppm en 250 ans. Cette augmentation est beaucoup plus rapide et plus importante que les variations enregistrées dans le passé.

—> Pour l’étape 2, les différents graphiques extraits de la banque du WDCGG afin de quantifier l’évolution très récente de la teneur en CO2 :


Aux iles Crozet (océan Indien), la teneur en CO2 atmosphérique s’est élevée de 365 ppm à 385 ppm entre les années 2000 et 2010.


À Halley Bay (Antarctique), la teneur en CO2 atmosphérique s’est élevée de 365 ppm à 385 ppm entre les années 2000 et 2010.


À Heimaey (Islande), la teneur en CO2 atmosphérique s’est élevée de 374 ppm à 396 ppm entre les années 2000 et 2010.

L’ordre de grandeur de l’augmentation de la teneur en CO2 mesurée au cours des dix dernières années est d’environ 20 ppm. En seulement une décennie, on assiste donc à une augmentation de la teneur en CO2 dont l’amplitude est supérieure à celle réalisée de manière naturelle tous les 100000 ans, et dont la vitesse est supérieure à celle survenue lors des deux derniers siècles écoulés.
L’idée qu’actuellement du dioxyde de carbone est rapidement restitué à l’atmosphère est ainsi renforcée.

D’autres ressources sur les mêmes sujets :

- Un didacticiel très complet à propos du serveur d’images NEO

- Une liste riche des banques en ligne utilisables au lycée

- Voir aussi les autres ressources pour le programme de 2de sur ce site

Auteur de cet article : Anne FLORIMOND, lycée Richelieu, Rueil-Malmaison

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