Exercice 2 · Bac Sciences de la Vie et de la Terre Centres étrangers (Afrique) 2023 (jour 1)
Thème : Reconstituer et comprendre les variations climatiques passées · Tiré du sujet Jour 1 (2023)
Énoncé
Exercice 2 (9 points): LES CLIMATS DE LA TERRE
Les coccolithophoridés, amplificateurs des variations climatiques
Des études scientifiques suggèrent que les coccolithophoridés auraient, au cours du Quaternaire, amplifié les variations climatiques liées aux paramètres astronomiques.
Consigne
Expliquer comment les coccolithophoridés ont pu contribuer à amplifier les variations du climat au cours du quaternaire.
Vous organiserez votre réponse selon une démarche de votre choix intégrant des données issues des documents et les connaissances complémentaires nécessaires.
Document 1: Les coccolithophoridés, organismes planctoniques des écosystèmes marins
1a.
Les coccolithophoridés sont des algues unicellulaires photosynthétiques. À un certain stade de leur développement, elles produisent des plaques de carbonate de calcium () cristallisées sous forme de calcite et appelées coccolithes. Ces plaques forment une protection autour de la cellule: la coccosphère.
1b.
Les coccolithophoridés sont présents dans tous les océans actuels. Ils sont connus à l'état fossile depuis le début du Mésozoïque, il y a 215 millions d'années. Ces organismes se développent en abondance sur d'immenses zones, couvrant jusqu'à plusieurs centaines de milliers de .
Document 2: Métabolisme des coccolithophoridés et propriétés physico-chimiques des nuages
Le phytoplancton produit un composé soufré, le diméthylsulfoniopropionate (DMSP), impliqué dans les réactions de défense contre les prédateurs et les pathogènes. Les coccolithophoridés sont les principaux producteurs océaniques de DMSP.
2a.
Les DMSP diffusent dans l'atmosphère où ils forment des aérosols qui condensent l'eau. Cela permet la formation des gouttes d'eau qui composent les nuages.
2b.
2c.
Relation entre l'albédo des nuages et le rayon des gouttes d'eau: L'albédo des nuages est d'autant plus élevé que le rayon des gouttes d'eau est petit.
Document 3: Métabolisme des coccolithophoridés et flux de carbone à l'interface océan/atmosphère
Les coccolithophoridés réalisent deux réactions métaboliques qui impliquent le :
1. Pompe à liée à la photosynthèse en surface suivie de la sédimentation en profondeur: Pendant le processus de photosynthèse, les coccolithophoridés utilisent la lumière comme source d'énergie lors de la synthèse de composés organiques à partir du dioxyde de carbone dissous dans l'eau. Après la mort des cellules, une partie de la matière organique formée par les coccolithophoridés sédimente en profondeur, ce qui conduit au piégeage du carbone atmosphérique.
2. Contre-pompe liée à la calcification de la coccosphère: Les coccolithophoridés forment des coccolithes en calcite ce qui conduit à une libération de dans l'océan qui diffuse ensuite dans l'atmosphère.
Document 4: Index d'efficacité de la pompe biologique déterminé à partir de sédiments d'âge quaternaire
Les teneurs en carbone organique et minéral de sédiments marins issus de l'activité des coccolithophoridés permettent d'estimer l'importance relative des processus de pompe et de contre-pompe et de déterminer un index au cours du temps. Plus l'index est élevé plus le piégeage du carbone a été important.
Sur le graphique ci-dessous, les périodes glaciaires correspondent aux zones sur fond blanc et les périodes interglaciaires correspondent aux zones sur fond gris. Leur alternance est contrôlée par les paramètres orbitaux de la Terre.
Corrigé
Corrigé proposé par AprenAI (non officiel)
Expliquer comment les coccolithophoridés ont pu contribuer à amplifier les variations du climat au cours du quaternaire.
Réponse : Introduction : Au Quaternaire, le climat alterne entre périodes glaciaires et interglaciaires. Ces variations sont déclenchées par les paramètres orbitaux (cycles de Milankovitch), mais leur amplitude s'explique par des rétroactions positives. Les coccolithophoridés, algues unicellulaires photosynthétiques à coccolithes en calcite (Doc 1a), interviennent dans deux de ces rétroactions. Leur action est d'autant plus importante qu'ils sont présents dans tous les océans et forment des efflorescences de plusieurs centaines de milliers de km² (Doc 1b). --- ### 1. Rétroaction par les nuages et l'albédo - DMSP et température (Doc 2a) : la production de DMSP augmente quand la température baisse. Elle passe d'environ 0,01 mol DMSP/mol C vers 20 °C à environ 0,027 mol vers 4 °C. - Aérosols et taille des gouttes (Doc 2b) : le DMSP forme des aérosols qui servent de noyaux de condensation. Plus la teneur en aérosols est forte, plus les gouttes sont petites : le rayon passe d'environ 11,3 µm à environ 7,5-8 µm. - Gouttes et albédo (Doc 2c) : des gouttes plus petites donnent des nuages plus réfléchissants. L'albédo augmente et l'énergie solaire absorbée diminue. - Boucle : refroidissement → plus de DMSP → plus d'aérosols → gouttes plus petites → albédo plus fort → refroidissement accentué. Lors d'un réchauffement, c'est l'inverse : moins de DMSP, albédo plus faible, réchauffement amplifié. --- ### 2. Rétroaction par le cycle du carbone et l'effet de serre - Pompe (Doc 3) : la photosynthèse consomme du CO₂ dissous. La sédimentation de la matière organique piège ensuite le carbone en profondeur. - Contre-pompe (Doc 3) : la calcification libère du CO₂ qui retourne vers l'atmosphère, selon Ca²⁺ + 2HCO₃⁻ → CaCO₃ + CO₂ + H₂O. - Doc 4 : l'index d'efficacité de la pompe évolue en deux temps. - Au début de chaque glaciation, il est faible (~0,02-0,03). - Il augmente ensuite progressivement au cours de la période glaciaire, jusqu'à un maximum en fin de glaciation ou au début de l'interglaciaire (~0,13 vers -135 ka ; ~0,27 vers -250 ka ; ~0,08 vers -20 ka). - Il chute ensuite brutalement pendant l'interglaciaire, jusqu'à ~0,02. - Boucle : au cours d'une glaciation, la pompe l'emporte de plus en plus sur la contre-pompe. Davantage de carbone est piégé dans les sédiments, le CO₂ atmosphérique diminue, l'effet de serre baisse et le refroidissement s'accentue. Pendant l'interglaciaire, l'index s'effondre : la contre-pompe domine, relativement plus de CO₂ est rejeté, l'effet de serre augmente et le réchauffement est amplifié. --- Conclusion : les coccolithophoridés amplifient les variations climatiques d'origine orbitale par deux rétroactions positives qui vont dans le même sens : - une rétroaction par l'albédo des nuages, via la production de DMSP ; - une rétroaction par l'effet de serre, via l'équilibre entre la pompe et la contre-pompe à CO₂.
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