Des expériences pour comprendre le changement climatique

Le changement climatique, on en est tous conscient. Et il est important d’en parler avec les élèves pour qu’ils en soient conscient eux-mêmes. Après tout, c’est à eux qu’on laissera un jour le monde, et ce serait bien qu’ils comprennent ce qu’il se passe en ce moment sur Terre de ce point de vue là. Beaucoup de phénomènes liés au changement climatiques sont liés à des points du programme de sciences, il est donc assez facile de les intégrer à nos cours à différents moments, où bien de faire un chapitre complet sur le changement climatique. De mon côté, j’ai déjà testé les deux options, et si les programmes m’en laissaient la possibilité, je ferais probablement encore un chapitre complet autour de la compréhension des phénomènes scientifiques qui participent au changement climatique. Mais malheureusement, ce n’est pas le cas pour les cours que je donne cette année.

C’est une très chouette approche pour des cours de sciences de bases, pour réaliser des expériences simples et avec du matériel qui n’est pas dangereux, tout en abordant des préoccupations des élèves. En sciences générales, c’est plus complexe de tout aborder dans un même cours puisque cela touche à plusieurs matières, mais peut-être que tu peux t’organiser avec les enseignants des autres matières pour aborder ce chapitre en parallèle en chimie, en physique et en biologie ?

Je vais t’expliquer brièvement quelques expériences à réaliser, et si tu veux les documents complets et prêts à imprimer, je te mets le lien vers le Coffre aux Trésors, si tu veux acheter ton accès.

L’effet de serre

Le point de départ pour comprendre le réchauffement de notre planète est de comprendre l’effet de serre, qui est un phénomène tout à fait naturel et qui permet d’avoir une température vivable à la surface de la Terre. Sans effet de serre, il ne ferait pas un agréable 15°C en moyenne sur Terre, mais plutôt -18°C, comme sur la lune. Ce sont certains gaz qui sont présents dans l’atmosphère, tels que la vapeur d’eau, le dioxyde de carbone, le méthane ou le protoxyde d’azote, tous présents naturellement sur Terre, qui permettent d’empêcher les rayons infrarouges de s’échapper vers l’espace, et de conserver ainsi toute leur chaleur. L’effet de serre n’a donc pas été problématique pendant très, très longtemps. Mais dernièrement, avec l’augmentation drastique de la quantité de CO2 dans l’atmosphère, celui-ci au augmenté, et avec lui la température de notre planète.

Pour montrer cet effet, on peut simplement prendre deux récipients identiques et transparents, par exemple deux verres ou deux béchers, que l’on rempli avec un peu d’eau. On en recouvre un d’un film plastique et on place le tout au soleil. On suit l’évolution de la température de l’eau, et on constate que la température s’élève plus vite dans le récipient avec un film plastique.

On peut aller plus loin et observer l’effet du CO2 sur l’effet de serre, en ajoutant un autre récipient qui contient de l’eau pétillante, et donc du CO2, recouvert également de film plastique. On verra alors la température s’élever encore plus en présence de CO2. Cela permet de faire la différence entre l’effet de serre naturel et l’effet de serre additionnel qui résulte de l’élévation du taux de CO2 dans l’atmosphère.

La fonte des glaces

Ensuite, on peut aborder une conséquence bien connue du réchauffement climatique : l’élévation du niveau des océans. Une première expérience utilise la force d’Archimède, mais ce n’est pas indispensable si tu veux réaliser cette expérience avec des élèves plus jeunes. Il s’agit de déterminer si la fonte de la banquise et la fonte de la calotte glaciaire font augmenter le niveau des océans, car il y a souvent une confusion à ce sujet chez le grand public. Petit rappel : la calotte glaciaire est de la glace qui se retrouve sur un continent solide, donc qui n’est pas directement dans les océans, alors que la banquise, c’est de la glace formée à partir de l’eau de mer qui gèle, et qui se retrouve donc à flotter sur les océans. Ce sont typiquement les icebergs. La fonte de la banquise ne participe PAS à l’élévation du niveau des mers ; c’est uniquement la fonte des calottes glaciaires qui participe à cette élévation.

On va donc simuler la banquise et la calotte glaciaire à l’aide de glaçons, soit placés directement dans de l’eau, soit déposé sur un sol solide, en dehors de l’eau. En faisant fondre les glaçons, on peut mesurer le niveau de l’eau avant et après, et constater que l’un des glaçons fait monter le niveau d’eau une fois fondu, mais l’autre pas.

Pour les élèves plus avancés, on peut réaliser un calcul qui permet d’obtenir l’élévation du niveau des mers si jamais toute la glace présente au Groenland ou en antarctique venait à fondre. On obtient alors les valeurs assez effroyable d’une élévation de 7m si toute la glace du Groenland devait fondre, mais on monte encore jusqu’à 70m si c’est tout l’antarctique qui fond.

La dilatation thermique

Une deuxième expérience permet de mettre en évidence un deuxième phénomène qui participe à l’élévation du niveau des mers : la dilatation thermique. Comme l’eau des océans se réchauffe, elle se dilate et occupe donc plus de place.

Pour illustrer ce phénomène, il faut trouver un récipient large à la base mais étroit au sommet, le remplir d’eau et ensuite chauffer cette eau. On peut observer que le niveau d’eau va monter, mais pour que cela soit bien visible, il faut vraiment que l’eau doive monter dans un tube très étroit, mais qu’il y ait une grande quantité d’eau (et donc une base large au récipient). Pour que ce soit bien visible, il ne faut pas hésiter à colorer l’eau.

Pour aller plus loin, on peut faire calculer aux élèves l’élévation des mers grâce à quelques données et à la formule de dilatation thermique, ce qui permet en plus de comparer l’effet de la fonte de la calotte glaciaire avec l’effet de la dilatation thermique. Les données que j’utilise indiquent l’élévation du niveau des mers entre 1993 et 2003, et on obtient que la dilatation thermique cause une élévation de 1,5mm/an alors que la fonte des calottes glaciaires cause une élévation de 1,6mm/an. Donc les deux effets ont globalement la même contribution, alors qu’on oublie souvent de parler de la dilatation thermique.

L’acidification des océans

Un autre sujet important est l’acidification des océans, et cela peut entrer très simplement dans un chapitre sur les acides et les bases. Une expérience toute simple permet d’observer l’effet d’une augmentation de la quantité de CO2 dissous dans l’eau : il suffit de prendre une paille, de la plonger dans de l’eau, et de souffler dedans pendant une bonne minute. En ajoutant un indicateur coloré dans l’eau, on peut rapidement observer une diminution du pH, et donc une acidification de l’eau. L’indicateur qui fonctionne le mieux d’après mes tentatives est le bleu de bromothymol, car le changement de couleur a lieu pile poile au bon pH.

La question qui revient souvent à ce moment-là, si les élèves ont bien compris ce qu’est un acide, c’est “pourquoi le CO2, qui ne contient par d’hydrogène, a un effet acidifiant?” Il faut alors expliquer aux élèves que le CO2 réagit avec l’eau pour former de l’acide carbonique, H2CO3.

Pour aller plus loin, et déterminer quels océans sont les plus impactés par l’augmentation du taux de CO2, on peut réaliser l’expérience avec de l’eau chaude et de l’eau froide. On simule ainsi les océans au niveau de l’équateur (chaud) et au niveau des pôles (froids). En soufflant durant la même durée dans les eaux qui ont une température différente, on peut observer que c’est dans l’eau froide que le pH diminue le plus. On obtient globalement une baisse du pH, qui passe de 7,5 dans l’eau initiale, à 6,8 dans l’eau à température ambiante, et qui descend encore jusqu’à 6,4 dans de l’eau glacée. Ces chiffres peuvent évidemment varier, mais ce sont ceux que j’ai relevé lors d’une expérience réalisée avec mes élèves.

Pour cette expérience, n’oublie pas de protéger les yeux de tes élèves avec des lunettes, car souffler dans de l’eau, ça envoie toujours des gouttelettes un peu partout, et comme il y a un indicateur coloré dans l’eau, il ne faudrait pas qu’il arrive dans les yeux de quelqu’un.

Effet du pH sur les organismes marins

Une fois qu’on a pu déterminer que le pH des océans diminue à cause du CO2, on peut se demander quelles seront les conséquences pour les organismes qui y vivent. Pour simuler celà, on peut prendre des coquilles d’oeufs, qui sont composées de calcaire, comme certains organismes marins, et les plonger dans une solution acide (par exemple du vinaigre). Après quelques temps, on observe des bulles et que les coquilles se ramollissent, et donc que c’est le sort que vont également subir les organismes calcaires. Les bulles sont du CO2 qui est libéré lorsque le calcaire réagit avec l’acide. On constate là qu’il y a une belle boucle de rétroaction : lorsque du CO2 est dissout dans les océans, il augmente l’acidité, ce qui crée une réaction avec le calcaire des océans, ce qui libère du CO2, qui va à son tour augmenter encore l’acidité. Et la boucle continue…

Pour aller plus loin, on peut également faire l’expérience dans du vinaigre froid et dans du vinaigre chaud, pour déterminer l’influence de la température. On observe alors qu’il y a plus de bulles lorsque le vinaigre est chaud, car la solubilité d’un gaz est plus petite lorsque la température augmente, donc il y aura plus de CO2 qui sera libéré.

La circulation thermohaline

Une autre conséquence des changements climatiques, souvent moins connue, est la perturbation des courants marins, ce qu’on appelle la circulation thermohaline.

On peut visualiser ces courants dans un grand bac d’eau transparent. Ces courants sont provoqués par deux choses : une différence de température (thermo) et une différence de salinité (haline). On peut mettre en évidence ces deux phénomène par deux petites expériences.

Pour mettre en évidence l’effet de la température, il faut plonger un récipient d’eau chaude colorée dans le grand bac d’eau froide, et placer également des glaçons en surface. En colorant l’eau chaude en rouge et les glaçons en bleu, l’effet visuel est encore plus clair. On peut rapidement observer que l’eau chaude rouge va remonter à la surface, alors que l’eau froide des glaçons va couler.

Ensuite, on peut observer la différence entre un glaçon d’eau douce et un glaçon d’eau salée. L’eau salée étant plus dense, celle-ci va couler plus vite que l’eau douce.

Ces phénomènes permettent de comprendre comment la circulation thermohaline crée les différents courants au sein de nos océans. Si la calotte glaciaire fond, l’eau des océans polaires sera moins salée et moins froide à terme, ce qui va modifier ces courants. Et un courant très important pour nous, le Gulf Stream, nous apporte de l’air chaud en Europe. C’est une des raisons pour lesquelles le climat est fort différent entre la Belgique et le Canada, alors qu’ils se trouvent à la même latitude. Si le Gulf Stream disparait, l’Europe pourrait voir son climat modifié et devenir beaucoup plus froid.

L’albedo

Une autre expérience est moins liée au contenu des programmes scolaires, mais elle permet de comprendre plus finement le phénomène d’emballement des changements climatiques actuels. Il s’agit de découvrir l’albedo, c’est-à-dire à quel point une surface absorbe ou réfléchi la lumière qu’elle reçoit.

Inconsciemment, on sait tous qu’il vaut mieux s’habiller en clair l’été plutôt qu’en noir, pour éviter d’avoir trop chaud. La couleur d’une surface influence sa capacité à absorber la lumière, et donc la chaleur. On peut réaliser une expérience simple à l’aide d’un thermomètre infrarouge pour mesurer la température de différentes surfaces soumises à la même lumière, et rapidement constater qu’elles n’ont pas toutes le même albedo. La couleur n’est pas le seul facteur qui influence l’albedo ; la texture est également importante. On peut réaliser des mesures précises de lumière absorbée et réfléchie à l’aide d’une application gratuite : Phyphox. Cette application permet d’utiliser notre Smartphone comme luxmètre et ainsi mesurer l’éclairement qui arrive sur le smartphone.

Une fois ce concept compris, on peut regarder l’albedo de différents milieux terrestres, comme la glace, la neige, la toundra ou la taïga, et discuter avec les élèves de l’influence de la disparition de certains milieux en terme de rétention de rayonnement du soleil, et de son influence sur le changement climatique. Si l’antarctique disparait, c’est une énorme surface très réfléchissante qui disparait, donc la lumière sera moins renvoyée vers l’espace, elle sera conservée dans l’atmosphère, ce qui participera à l’élévation de la température de la terre. Ce qui fera fondre encore plus de glace, et nous sommes de nouveau en présence d’une boucle de rétroaction.

Voilà, avec tout ça, tu peux aborder beaucoup de notions liées au changement climatique avec tes élèves, de manière scientifique. Tu abordes de la chimie, de la physique et de la biologie, et ce n’est pas tous les jours qu’on peut faire ça avec un seul thème. Pour aller plus loin en biologie, c’est le moment idéal pour parler d’écosystème et de réseau trophique, par exemple en abordant la disparition des ours polaires.

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