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Zitiervorschau

Livre du professeur

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Sommaire Chapitre 1 Programme Pour bien commencer Unités : Choix pédagogiques/corrigés Corrigés des exercices

Chapitre 8 p.1 p.2 p.2 p.9

Chapitre 2 Programme Pour bien commencer Unités : Choix pédagogiques/corrigés Corrigés des exercices

Programme Pour bien commencer Unités : Choix pédagogiques/corrigés Corrigés des exercices

Programme Pour bien commencer Unités : Choix pédagogiques/corrigés Corrigés des exercices

p.74 p.74 p.75 p.81

Programme Pour bien commencer Unités : Choix pédagogiques/corrigés Corrigés des exercices

p.178 p.178 p.179 p.186

p.193 p.194 p.194 p.202

Chapitre 13 p.92 p.93 p.93 p.102

Programme Pour bien commencer Unités : Choix pédagogiques/corrigés Corrigés des exercices

Chapitre 7 Programme Pour bien commencer Unités : Choix pédagogiques/corrigés Corrigés des exercices

p.163 p.163 p.164 p.171

Chapitre 12

Chapitre 6 Programme Pour bien commencer Unités : Choix pédagogiques/corrigés Corrigés des exercices

p.140 p.141 p.142 p.154

Chapitre 11 p.57 p.58 p.58 p.66

Chapitre 5 Programme Pour bien commencer Unités : Choix pédagogiques/corrigés Corrigés des exercices

Programme Pour bien commencer Unités : Choix pédagogiques/corrigés Corrigés des exercices

Chapitre 10 p.37 p.38 p.38 p.48

Chapitre 4 Programme Pour bien commencer Unités : Choix pédagogiques/corrigés Corrigés des exercices

p.122 p.122 p.123 p.129

Chapitre 9 p.17 p.18 p.18 p.28

Chapitre 3 Programme Pour bien commencer Unités : Choix pédagogiques/corrigés Corrigés des exercices

Programme Pour bien commencer Unités : Choix pédagogiques/corrigés Corrigés des exercices

p.111 p.111 p.112 p.115

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p.211 p.212 p.213 p.223

Chapitre 1 : L’atmosphère terrestre et la vie Ce premier chapitre aborde les origines de l’atmosphère terrestre. Il fait le lien avec le chapitre de première sur l’âge de la Terre et les chapitres suivants (2 à 4) qui traiteront des différents aspects de l’atmosphère terrestre contemporaine et du climat plus spécifiquement. C’est également un chapitre qui donne des occasions de travail interdisciplinaire puisqu’il s’appuie sur des notions de physique, de chimie, de géologie et de biologie. Scientifiquement, il fait appel à des notions pouvant paraître complexes d’autant qu’il traite, notamment dans les premières unités, d’événements ayant eu lieu il y a plusieurs milliards d’années. C’est donc une occasion particulière de travailler sur la notion d’indices et de preuves, sur la formation des hypothèses, l’importance du principe d’actualisme, les conditions de son application et le principe de parcimonie (ou rasoir d’Ockham). Après avoir présenté dans l’unité 1 les conditions la surface de la terre pendant les premières centaines de millions d’années, l’unité 2 s’intéresse à l’origine de l’oxygène atmosphérique, l’unité 3 plus spécifiquement à l’ozone atmosphérique et l’unité 4 au cycle du carbone à la surface de la Terre.

Programme THÈME 1 – Science, climat et société Histoire, enjeux et débats • Les enjeux du réchauffement climatique global. • Les acteurs des analyses climatiques : recherche et programmes mondiaux (Organisation Météorologique Mondiale, modèles climatiques) ; coordination (Nations-Unies) ; évaluation (Groupe Intergouvernemental pour l’Étude du Climat). • Un enjeu mondial : l’océan. • Les ressources et les utilisations de l’énergie dans le monde. • Le trou dans la couche d’ozone : de sa découverte à des prises de décisions mondiales. • Chapitre 1. L’atmosphère terrestre et la vie

Savoirs

Savoir-faire Il y a environ 4,6 milliards d’années, l’atmosphère primitive était Analyser des données, en lien avec composée de N2, CO2 et H2O. Sa composition actuelle est d’environ 78 l’évolution de la composition de % de N2 et 21 % de O2, avec des traces d’autres gaz (dont H2O, CO2, l’atmosphère au cours des temps CH4, N2O). > Unité 1 géologiques. > Unité 1 Le refroidissement de la surface de la Terre primitive a conduit à la Déterminer l’état physique de l’eau liquéfaction de la vapeur d’eau présente dans l’atmosphère initiale. pour une température et une pression L’hydrosphère s’est formée, dans laquelle s’est développée la vie. donnée à partir de son diagramme > Unité 1 d’état. > Unité 1 Les premières traces de vie sont datées d’il y a au moins 3,5 milliards Mettre en relation la production de O2 d’années. Par leur métabolisme photosynthétique, des cyanobactéries dans l’atmosphère avec des indices ont produit le dioxygène qui a oxydé, dans l’océan, des espèces géologiques (oxydes de fer rubanés, chimiques réduites. Le dioxygène s’est accumulé à partir de 2,4 milliards stromatolithes ...). > Unité 2 d’années dans l’atmosphère. > Unité 2 Ajuster les équations des réactions Sa concentration atmosphérique actuelle a été atteinte il y a 500 chimiques d’oxydation du fer par le millions d’années environ. > Unité 3 dioxygène. > Unité 2 Les sources et puits de dioxygène atmosphérique sont aujourd’hui essentiellement liés aux êtres vivants (photosynthèse et respiration) et Interpréter des spectres d’absorption aux combustions. > Unité 3 de Sous l’effet du rayonnement ultraviolet solaire, le dioxygène l’ozone et de l’ADN dans le domaine stratosphérique peut se dissocier, initiant une transformation chimique ultraviolet. > Unité 3 qui aboutit à la formation d’ozone. Celui-ci constitue une couche permanente de concentration maximale située à une altitude d’environ

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30 km. La couche d’ozone absorbe une partie du rayonnement ultraviolet solaire et protège les êtres vivants de ses effets mutagènes. > Unité 3 Le carbone est stocké dans plusieurs réservoirs superficiels : Analyser un schéma représentant le l’atmosphère, les sols, les océans, la biosphère et les roches. Les cycle échanges de carbone entre ces réservoirs sont quantifiés par des flux biogéochimique du carbone pour (tonne/an). Les quantités de carbone dans les différents reservoirs sont comparer les stocks des différents constantes lorsque les flux sont équilibrés. L’ensemble de ces échanges réservoirs et identifier les flux constitue le cycle du carbone sur Terre. Les combustibles fossiles se sont principaux de carbone d’origine formés à partir du carbone des êtres vivants, il y a plusieurs dizaines à anthropique ou non. > Unité 4 plusieurs centaines de millions d’années. Ils ne se renouvellent pas suffisamment vite pour que les stocks se reconstituent: ces ressources en énergie sont dites non renouvelables. > Unité 4 Prérequis et limites L’enjeu est de comprendre les relations étroites entre l’histoire de la Terre et celle de la vie. Sans chercher à dater précisément chaque événement, il s’agit de connaître les différentes échelles de temps concernées. Aucun développement général sur les réactions d’oxydoréduction n’est attendu.

Pour bien commencer 1. La datation « absolue » d’une roche peut être obtenue par radiochronologie : cette méthode repose sur l’étude de l’étude de la variation naturelle des isotopes de certains éléments chimiques de la roche. (ES 1re) 2. Les météorites (plus précisément les météorites chondritiques) (ES 1re) 3. Elle se fait sur des temps longs (de l’ordre du million d’années) en l’absence de dioxygène. (ES 1re)

Unité 1 Choix pédagogiques Cette unité permet de décrire l’évolution des conditions à la surface de la Terre pendant ses premières centaines de millions d’années. Pour éviter une approche trop dogmatique, le choix des documents a été guidé par la volonté de montrer que chaque élément de connaissance sur le sujet est le produit de travaux scientifiques approfondis. Même s’il n’est pas possible, dans le cadre du programme, du temps disponible et de la complexité des notions associées de redémontrer comment « on sait ce que l’on sait » il est fait mention à plusieurs reprises des méthodes qui permettent de faire des hypothèses solides sur les événements et conditions qui ont mené à la formation de l’atmosphère terrestre Le doc.1 présente la nébuleuse d’Orion. Elle permet de replacer le contexte de formation des planètes et introduit le doc.2. Le doc.2 rappelle les conditions de formation des planètes, en insistant sur l’accrétion planétaire. Si besoin, on pourra rappeler les travaux de Clair Patterson de 1953, évoqués en ES 1re, qui par datation des chondrites (et en faisant l’hypothèse que leur formation était contemporaine de celle du système solaire et de la Terre) a également daté la formation de la Terre. Le doc.3 dresse un bilan des conditions à la surface de la Terre peu après sa formation. La température élevée à la surface est due à l’énergie d’accrétion et au très fort effet de serre (forte concentration atmosphérique en eau et en dioxyde de carbone).

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Le doc.4 présente les cristaux de zircon, minéral clé dans la compréhension des conditions à la surface de la terre pendant les premières centaines de millions d’années. Le doc.5 fournit le diagramme de phase de l’eau, lequel doit permettre aux élèves de comprendre la formation de l’océan terrestre à partir de la forte composition en eau de l’atmosphère terrestre primitive. Le doc.6 montre un exemple d’utilisation des zircons pour déterminer l’âge (ou plus exactement pour fournir un âge minimal) à la formation des océans. Notons que d’autres analyses des zircons arrivent à des résultats similaires sur l’âge des premiers océans mais en utilisant d’autres approches (teneur en O18, conditions de formations des roches parentes des zircons, les TTG, l’inclusion de minéraux hydratés dans les zircons). Cela montre l’importance des indices convergents dans le renforcement des hypothèses. Pour plus de détails, on pourra se rapporter au livre Le Soleil, la Terre... la vie, Gargaud, M. et al. Belin-Pour la Science, 2009 ou à L’environnement de la Terre primitive, Gargaud, M. et al., Presses Universitaires de Bordeaux, 2005. De nombreuses autres informations ont pu être tirées des zircons, on pourra par exemple se rapporter aux publications suivantes pour plus de détails : Valley, J. W., Cavosie, A. J., Ushikubo, T., Reinhard, D. A., Lawrence, D. F., Larson, D. J., ... & Spicuzza, M. J. (2014). Hadean age for a post-magma-ocean zircon confirmed by atom-probe tomography. Nature Geoscience, 7(3), 219. Ushikubo, T., Kita, N. T., Cavosie, A. J., Wilde, S. A., Rudnick, R. L., & Valley, J. W. (2008). Lithium in Jack Hills zircons: Evidence for extensive weathering of Earth's earliest crust. Earth and Planetary Science Letters, 272(3-4), 666-676. Wilde, S. A., Valley, J. W., Peck, W. H., & Graham, C. M. (2001). Evidence from detrital zircons for the existence of continental crust and oceans on the Earth 4.4 Gyr ago. Nature, 409(6817), 175-178. Hopkins, M., Harrison, T. M., & Manning, C. E. (2008). Low heat flow inferred from> 4 Gyr zircons suggests Hadean plate boundary interactions. Nature, 456(7221), 493 Le doc.7 dresse un deuxième bilan des conditions de surface sur la Terre, 150 millions d’années après sa formation. On insistera sur la formation de l’océan et la proportion de dioxyde de carbone dans l’atmosphère. Pour aller plus loin sur l’origine des océans on pourra lire Pinti, D. L. (2005). The origin and evolution of the oceans. In Lectures in astrobiology (pp. 83-112). Springer, Berlin, Heidelberg. Remarques : •

•

Sur le fond, on pourra sensibiliser les élèves au fait que l’étude de ces périodes géologiques est particulièrement délicate (par manque de données) et repose principalement sur des indices indirects. Cette activité est l’occasion de faire réfléchir les élèves à quelques notions épistémologiques : comment sont construites les connaissances scientifiques ? Quel crédit peut-on apporter à ses connaissances et pourquoi ?

Exploiter les documents : Correction Caractéristiques

Juste après sa formation

Température de surface Pression atmosphérique

>1200°C ?

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150 millions d’années après sa formation 150 W par mètre carré

Teneur en dioxyde de carbone 15 % de l’atmosphère Teneur en eau de l’atmosphère 80 % Teneur en dioxygène de Très faible l’atmosphère

Inférieur à 150 W par mètre carré 99 % Non précisée Très faible

Esprit critique : Pistes d’exploitation En l’absence de mesures directes la reconstitution des conditions existants sur la terre les premiers centaines de millions d’années après sa formation nécessitent de faire appel à : -

-

-

- l’application de principes, lois et propriétés de physique ou de chimie démontrées par ailleurs (gravité, diagramme de phase de l’eau, conditions de formation des zircons, dissipation de la chaleur, liens entre la composition de l’atmosphère et l’effet de serre, etc.) ; - des indices géologiques (minéraux de zircons) datant de cette époque et fournissant des informations sur les conditions de leur formation ; _ l’application lorsque c’est possible du principe d’actualisme ; _ l’application du principe de parcimonie (hypothèses les plus simples mettant en cohérence les données disponibles).

Unité 2 Choix pédagogiques Après avoir placé, dans l’unité 1, les conditions initiales de la Terre primitive, l’unité 2 s’intéresse à l’oxygène atmosphérique. Le doc.1 présente les formations de fer rubanées qui, avec les stromatolithes, constituent des indices géologiques clés pour comprendre l’évolution de la teneur en oxygène de l’atmosphère. Le doc.2 montre une stromatolithe, parmi les plus anciennes connues (Pilbara, Australie) et le doc.3 montre par comparaison une stromatolithe contemporaine (Shark Bay, Australie). C’est également l’occasion de rappeler l’équation bilan de la photosynthèse. Le doc.4 permet de fournir les notions chimiques nécessaires à la compréhension des conditions favorables à la formation de fer rubanées. Ce qui permet également d’en tirer des interprétations sur la teneur en dioxygène des océans et de l’atmosphère. Enfin, le doc.5 est une synthèse de différentes estimations sur l’évolution de la teneur en dioxygène atmosphérique depuis la formation de la Terre il y a 2 milliards d’années. Ce document est également l’occasion de donner quelques éléments et de discuter le rôle des cyanobactéries dans cette évolution. Les conditions d’oxygénation de l’atmosphère sont traitées dans les ouvrages de Muriel Gargaud et al. ; cités plus haut (unité 1). On trouvera des informations sur les formations de fer rubanées d’Afrique du Sud en suivant ce lien : https://planet-terre.ens-lyon.fr/image-de-la-semaine/Img3642011-10-10.xml

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On pourra se référer à la publication suivante pour aller plus loin : Holland, H. D. (2006). The oxygenation of the atmosphere and oceans. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 361(1470), 903-915.

Exploiter les documents : Correction Proposition de texte : Dans les conditions de la Terre primitive, le fer provenant de l’érosion des continents est accumulé sous forme soluble Fe 2+ dans les océans. Or on constate, entre 3 et 2 milliards d’années, l’existence de formations de fer rubanées (FFR) qui contiennent des oxydes de fer constitués à partir de fer oxydé Fe3+. Ces indices géologiques suggèrent que localement, là où ces FFR se sont formées, il y avait une présence de dioxygène. L’abondance des FFR augmente avec le temps, ce qui suggère une augmentation progressive de la teneur en dioxygène dans l’océan (et par conséquent dans l’atmosphère). On peut mettre cette information en relation avec l’existence des plus anciennes formations de stromatolithes qui datent également de cette période. Or les stromatolithes actuels sont des formations réalisées par l’activité de bactéries photosynthétiques, les cyanobactéries, productrices de dioxygène par photosynthèse. En appliquant le principe d’actualisme, on peut considérer que les stromatolithes les plus anciens ont contribué également à la production de dioxygène photosynthétique. On peut donc supposer, que les FFR se sont formés localement, là où il y avait une activité photosynthétique suffisante pour augmenter la teneur en dioxygène de l’océan. Puis, après plusieurs centaines de millions d’années d’activité photosynthétique, l’atmosphère et les océans s’enrichissant en dioxygène, les FFR sont devenues abondantes et ont contribué à précipiter le fer des océans. La diminution des FFR pour des âges plus récents ( combustibles fossiles), « roches carbonatées », (=> cimenterie), et sols (=> agriculture et activités forestières).

Exploiter les documents : Correction 1. Cycle simplifié du carbone :

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2. Réservoir Roches carbonatées Océan Combustibles fossiles Atmosphère Sols Biomasse contnentale

Stock en GtC 50 000 000 38 000 10 000 720 1600 700

3. Production d’énergie (par exemple électricité et chaleur), agriculture et activités forestières, construction (cimenteries), transports et industrie. 4. Les phénomènes comme la respiration, la photosynthèse ou la fabrication des squelettes calcaires chez les organismes marins peuvent être décrits et étudiés à l’échelle moléculaire et à l’échelle individuelle tout en ayant des conséquences planétaires.

Esprit critique : Pistes d’exploitation Dans le doc.4, le flux de carbone à l’origine des combustibles fossiles est précisé : la fossilisation de la matière organique. Néanmoins ce document ne représente que le cycle naturel du carbone. Il ne montre pas l’utilisation de ces combustibles fossiles pour les activités humaines. Les docs 5 et 6 donnent des éléments sur cette utilisation. La somme des catégories utilisant des combustibles fossiles (production d’électricité, transport et industrie) correspond à une émission de 9,4 GtC/an (doc.5) que l’on peut comparer avec le chiffre de 0,07 GtC/an pour la fossilisation. Si l’agence internationale de l’énergie prédit un épuisement des stocks de combustibles fossiles, cela s’explique par une consommation beaucoup plus rapide que la formation des combustibles fossiles.

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Corrigés des exercices Mémoriser son cours 1. Il y a 4,5 milliards d’années, lors de la formation de la Terre, l’atmosphère était composée à 80 % de vapeur d’eau, 15 % de CO2 et 5 % d’autres gaz. Environ 150 millions d’années plus tard, la vapeur d’eau s’était condensée, à l’origine des océans. L’atmosphère était constituée à 99 % de CO2. 2. La proportion d’O2 dans l’atmosphère est restée extrêmement faible jusqu’à il y a environ 2,5 milliards d’années. À cette période, elle a alors rapidement augmenté pour atteindre environ 10 % de la valeur actuelle. Elle a atteint une valeur proche de l’actuelle il y a environ 500 millions d’années. Plusieurs indices permettent aux géologues de reconstituer la concentration en O2 dans l’atmosphère terrestre à une période donnée. Parmi eux, il y a la présence de formations de fer rubanées, qui est la signature d’une atmosphère réductrice dépourvue d’O2. La disparition progressive de ces formations est interprétée comme la conséquence de l’oxygénation de l’atmosphère. 3. L’ozone se forme dans la stratosphère sous l’influence du rayonnement solaire par une transformation chimique modélisée par la réaction suivante : 3O2 –> 2O3. L’ozone protège les êtres vivants en filtrant les rayonnements solaires ultraviolets les plus énergétiques. Ces derniers introduisent des modifications chimiques dans la molécule d’ADN, à l’origine de mutations. 4.

Représentation schématique du cycle du carbone

Ordres de grandeur en GtC (milliards de tonnes de carbone) pour les différents réservoirs : • • • •

Atmosphère : 102 GtC Océans : 103 GtC Roches carbonées et carbonatées : 106 GtC Sols et biomasse continentale : 103 GtC

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Pour s’échauffer 1. QCM 1. a. Vrai. b. Faux, probablement supérieur à 1 200 °C. c. Vrai. d. Faux, dans ces conditions de T, de pression et en absence d’eau liquide, la vie n’était pas possible. 2. a. Faux, l’étude des zircons de Jack Hills montre que de l’eau liquide devait déjà être présente. b. Vrai, à 99 %. c. Faux, au moins une partie formait déjà une croûte solide. d. Vrai, compte tenu de la concentration en dioxyde de carbone de l’atmosphère. 3. a. Vrai. b. Faux, l’atmosphère initiale était riche en eau et CO2. c. Faux, la concentration en O2 atmosphérique a augmenté à partir de – 2,4 Ga. d. Vrai. 4. a. Vrai, du fait de l’absorption du rayonnement par les gaz atmosphériques. b. Vrai. Le dioxygène forme l’ozone sous l’action du rayonnement solaire. c. Faux, la concentration maximale est atteinte à environ 30 km d’altitude, dans la stratosphère. d. Faux, elle protège la surface terrestre des UV les plus énergétiques, comme les UV-C. 5. a. Faux, les roches carbonatées ou l’océan sont des réservoirs bien plus importants. b. Vrai autour de 700 GtC. c. Faux, elle est responsable de la diminution du CO2 atmosphérique qui permet la formation du CaCO3 (calcaire ou carbonate de calcium) par exemple. d. Vrai, par exemple pour le réservoir des roches carbonées (combustibles fossiles) ou celui des roches carbonatées (utilisées pour la fabrication de ciment ou les pierres de construction). 6. a. Vrai, ils constituent le cycle naturel (c’est-à-dire hors impacts anthropiques) du carbone. b. Faux, ils en rejettent autant qu’ils en absorbent (hors impacts anthropiques).

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c. Vrai. d. Vrai, pour rappel, le cycle naturel ne prend pas en compte les activités humaines. 7. a. Vrai. b. Faux, les cyanobactéries ont contribué à enrichir l’atmosphère terrestre en O2, mais cette courbe ne permet pas de le voir. c. Vrai. d. Faux, la concentration en O2 atmosphérique il y a 2 Ga était d’environ 10 % de la concentration actuelle. 8. a. Vrai. b. Vrai. c. Faux, il est fondé sur l’observation et l’analyse de phénomènes ayant lieu actuellement sur Terre. d. Faux, les conditions physico-chimiques étaient différentes.

2. Qui suis-je ? 1. Les zircons. 2. Le diagramme de phase de l’eau. 3. Le diazote. 4. L’ozone. 5. Le dioxygène. 6. Le dioxyde de carbone. 7. Une roche carbonée : le charbon (lignite, houille, anthracite) ou le pétrole.

3. Réponse courte à partir d’un document Sur l’image de gauche on observe une surface de la terre visiblement occupée par de la roche en fusion, on peut supposer que l’on se situe juste après la formation de la planète. Sur l’image de droite on observe des taches vertes en forme de coussins qui ressemblent à des stromatolithes, on se situerait plutôt entre –3 et –2 milliards d’années.

4. Calculs 1. 1 200 x 0,000 410 = 0,49 g de CO2 dans 1 m3 d’air. 2. 0,49 / 44 = 0,011 1 mol de CO2 dans 1 m3 d’air. 3. 0,011 1 × 6,02 × 1023 = 6,7 × 1021 molécules de CO2 dans 1 m3 d’air.

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5. Argumentation 1. Émissions humaines de carbone sur 10 ans : 13,5 × 10 = 135 GtC. Temps de stockage des émissions humaines sur 10 ans sous forme de roches carbonatées : 135 / 0,1 = 1 350 ans 2. Un phénomène naturel comme le stockage de carbone sous forme de roches carbonatées est insuffisant pour compenser à de courtes échelles de temps (c’est-à-dire avec les mêmes ordres de grandeur) les émissions humaines de carbone dans l’atmosphère.

6. Réponse courte à partir d’un document 1. Sur le diagramme de phase, on peut lire que la température d’ébullition de l’eau au Mont-Blanc est comprise entre 50 °C et 100 °C (voir schéma ci-dessous). 2. D’après le diagramme de phase, sous forme solide (voir ci-dessous).

7. Raisonner Puisque les ions ferriques Fe 3+ sont formés en présence de dioxygène, ils constituent probablement la forme majoritaire du fer ionique issu de l’altération des roches continentales. Or ces ions sont insolubles, ils sont donc difficilement transportés par les eaux continentales vers les océans. On peut donc supposer que l’absence de formation des fers rubanés s’explique par l’insuffisance d’ions ferreux Fe2+ solubles dans les océans.

Méthode : Exercices d’application 9. Le rôle des êtres vivants dans le cycle du dioxygène 1. L’objectif de l’expérience semble être d’identifier comment la composition de l’air varie en présence d’une bougie allumée et d’une souris, seules ou avec une plante. 2. On constate que la présence de la plante verte sous la cloche suffit à maintenir la souris vivante. Tandis qu’en son absence, la souris meurt.

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3. Sachant que la souris en respirant et la bougie en se consumant utilise de la matière organique et du dioxygène pour produire du dioxyde de carbone selon l’équation : matière organique + O2 => CO2 + H2O et que, par ailleurs, la plante en réalisant la photosynthèse produit du dioxygène et fixe du dioxyde de carbone sous forme de matières organiques selon la réaction bilan inverse : CO2 + H2O => matière organique + O2, on peut en déduire que les deux métabolismes sont complémentaires et parviennent à maintenir une teneur en dioxygène suffisante pour maintenir la souris en vie et éviter son asphyxie.

10. Deux étapes du cycle du carbone 1. L’objectif de l’expérience est de représenter au laboratoire des étapes du cycle du carbone en réalisant une combustion de matières organiques et en formant du carbonate de calcium. 2. On constate que la combustion de la matière organique dégage un gaz qui trouble l’eau de chaux pourtant limpide au début de l’expérience. 3. On sait que la combustion de la matière organique dégage du dioxyde de carbone. D’après l’équation fournie dans l’énoncé, on constate que le dioxyde de carbone peut réagir avec hydroxyde de calcium formant l’eau de chaux pour former du carbonate de calcium qui précipite. On a donc représenté ici à la fois la combustion de matière organique (comme les feux de forêt par exemple) qui dégage du dioxyde de carbone et le stockage de dioxyde de carbone sous forme de roches carbonatées (calcaire des squelettes d’organismes marins par exemple).

Tester ses compétences 11. Les galets de pyrite du Witwatersrand (Afrique du Sud) Les galets de pyrite non altérés et arrondis ne pourraient se former sur la Terre actuelle car la teneur en dioxygène de l’atmosphère et le caractère très oxygéné des eaux rapides susceptibles de les former provoquerait une altération de la pyrite. On peut donc supposer que leur formation, il y a 2,9 milliards d’années, s’est réalisée dans des eaux rapides capables de former les galets arrondis par érosion mais que ces eaux n’étaient pas oxygénées. Ce qui suppose que la teneur en dioxygène de l’atmosphère de l’époque devait être suffisamment faible.

12. Les ressources en charbon Si l’on fait la somme, d’après le doc.1, des réserves de charbon prouvées fin 2017, on trouve une valeur de 634 milliards de tonnes. On peut comparer cette valeur avec la somme du charbon consommé en 2017 (doc.2), soit 5,31 milliards de tonnes. En considérant qu’il n’y a pas de formation supplémentaire de charbon significative, que les réserves mondiales de charbon prouvées ne vont pas augmenter et que la consommation mondiale de charbon annuelle reste constante, les réserves mondiales correspondent à environ 120 ans de consommation de charbon.

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13. Enquête au Crétacé 1. On constate que ce rapport a tendance à augmenter, ce qui peut s’expliquer soit par une augmentation de la teneur en 87Sr ou une diminution de la teneur en 86Sr, ou les deux simultanément. 2. L’altération des roches continentales augmente la teneur dans l’océan de 87Sr. Cet isotope participe donc davantage à la formation des roches océaniques. Il y a donc une association entre les deux phénomènes. 3. L’augmentation du rapport isotopique du strontium à la fin du crétacé est corrélée à une diminution de la teneur en dioxyde de carbone atmosphérique. On peut supposer que l’altération continentale a contribué à fournir aux océans du calcium qui a formé avec le dioxyde de carbone du carbonate de calcium, diminuant ainsi la concentration atmosphérique en dioxyde de carbone.

14. Le stockage du carbone dans deux écosystèmes 1. La biomasse des forêts tropicales est 250/10 = 25 fois plus importante que dans les tourbières. En revanche les tourbières stockent 2 000/75 = 27 fois plus de carbone sous forme de matières organiques mortes non décomposées 2. Dans les forêts tropicales, il y a une décomposition rapide de la matière organique morte, probablement du fait de la chaleur, la biomasse est importante et est maintenue par une productivité primaire brute elle-même 16 fois plus élevée que dans les tourbières. En revanche, les tourbières sont des formations principalement herbacées, avec une faible biomasse et une faible production primaire, mais ces milieux humides subissent une décomposition très lente et la matière organique peut s’accumuler stockant ainsi de grandes quantités de carbone. 3. La masse de carbone dans la biomasse de forêt tropicale est environ le tiers du stock de carbone atmosphérique. Par conséquent, la destruction et la combustion de la biomasse de la forêt tropicale est susceptible d’augmenter significativement la quantité de carbone dans le réservoir atmosphérique.

Objectif BAC 15. L’Himalaya et le cycle du carbone 1. CaAl2Si2O8 (anorthite) + 3 H2O + 2 CO2 ⇄ Al2Si2O5(OH)4 (kaolinite) +Ca2+ + 2 HCO3–

(1)

Ca2+ + 2 HCO3–-⇄ CO2 + H2O + CaCO3

(2)

CaAl2Si2O8 (anorthite) + 2 H2O + CO2 ⇄ Al2Si2O5(OH)4 (kaolinite) + CaCO3 2. On constate que pour une mole d’anorthite altérée, une mole de dioxyde de carbone est consommée. Elle est à l’origine de la précipitation de carbonate de calcium CaCO3. L’altération des silicates est donc à l’origine d’une diminution de la concentration atmosphérique en dioxyde de carbone et d’une formation de carbonate de calcium, et donc de calcaire, qui précipité dans les océans. 3. On constate que l’épaisseur des sédiments décroît au fur-et-à-mesure que l’on s’éloigne de l’embouchure des grands fleuves et donc de la chaîne himalayenne. Ainsi, dans le Golfe du Bengale, l’épaisseur des sédiments atteint 12 000 mètres alors qu’à la pointe sud de l’Inde, elle n’est que de 500

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mètres. Cela s’explique car les sédiments issus de l’altération de la chaîne himalayenne son transportés par les fleuves dans les bassins sédimentaires océaniques. 4. Données de l’énoncé Volume de roches érodées depuis la formation de l’Himalaya : 200 000 km3 = 2.1014 m3 Masse volumique des roches : 3 t · m–3 (tonnes par m3) Proportion en masse du calcium dans les roches érodées : 1,4 % 1 kg de calcium permet la fixation de 1,1 kg de CO2

Calcul Masse de roches produite par l’érosion : 2.1014 m3 x 3 t · m–3 = 6.1014 t Masse de calcium produite par l’érosion : 6.1014 x

1,4 100

= 0,084.1014 t

Masse de CO2 formée : 1 t de calcium permet la fixation de 1,1 t de CO2 0,084.1014 t de calcium permettent la fixation de 0,084.1014 x 1,1 t = 0,0924.1014 t = 9240.109 t = 9240 Gt de CO2

Focus méthode MATHS La masse de CO2 fixée est proportionnelle à la masse de calcium en présence. Pour calculer la masse de CO2 fixée pour n’importe quelle masse de calcium présente, on peut réaliser un tableau de proportionnalité :

Masse de calcium

Masse de CO2 fixée

Donnée

Donnée

1,0

0,084.1014

Donnée

Valeur à calculer

1,1 1,0

= 1,1

1,1

0,084.1014 x 1,0 = 0,0924.1014

5. La masse de CO2 stockée dans le réservoir atmosphérique est de 2750 Gt. La masse de CO2 fixée par l’altération des roches himalayennes est de 9240 Gt. 9240 = 2750

3,4

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D’après les hypothèses retenues, l’altération de l’Himalaya a permis de stocker 3,4 fois la masse totale de dioxyde de carbone présent dans l’atmosphère. 6. Depuis sa formation il y a 10 millions d’années, l’Himalaya a prélevé 9240 Gt de CO 2 dans l’atmosphère, par le biais de l’altération des silicates des roches portées en surface sous l’action des forces tectoniques. Cette masse est considérable, puisqu’elle représente 3,4 fois celle du réservoir atmosphérique. En cela, on peut dire que l’Himalaya se comporte comme une « pompe à CO2 ».

16. Stocker du carbone dans les sols 1. 800/1 600 soit 50%. 2. 804,3/1 600 = 50,2 %. L’augmentation devrait être de 0,2 %. 3. On constate que le passage d’une forêt ou d’une prairie à une culture contribue à libérer du carbone stocké dans les sols vers l’atmosphère (autour de 20 tC/ha en 20 ans) tandis que le passage d’une culture vers une forêt ou une prairie a tendance à stocker du carbone dans les sols (autour de 20 tC en 60 ans) 4. 0,4 × 28 · 106 = 11,2 MtC/an pour l’agroforesterie. 5. Ce chiffre correspond à près de la moitié des émissions de carbone liées à l’agriculture française.

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Chapitre 2 : La complexité du système climatique Programme

• Chapitre 2. La complexité du système climatique

Savoirs

Savoir-faire

Un climat est défini par un ensemble de moyennes de grandeurs atmosphériques observées dans une région donnée pendant une période donnée. Ces grandeurs sont principalement la température, la pression, le degré d’hygrométrie, la pluviométrie, la nébulosité, la vitesse et la direction des vents. > Unité 1

Distinguer sur un document des données relevant du climat d’une part, de la météorologie d’autre part. > Unité 1

La climatologie étudie les variations du climat local ou global à moyen ou long terme (années, siècles, millénaires…). > Unité 1 La météorologie étudie les phénomènes atmosphériques qu’elle prévoit à court terme (jours, semaines). > Unité 1

Identifier des tendances d’évolution de la température sur plusieurs échelles de temps à partir de graphiques. > Unité 1

La température moyenne de la Terre, calculée à partir de mesures in situ Identifier des traces géologiques de et depuis l’espace par des satellites, est l’un des indicateurs du climat variations climatiques passées global. Il en existe d’autres : volume des océans, étendue des glaces et (pollens, glaciers). > Unité 2 des glaciers... > Unité 2 Le climat de la Terre présente une variabilité naturelle sur différentes échelles de temps. Toutefois, depuis plusieurs centaines de milliers d’années, jamais la concentration du CO2 atmosphérique n’a augmenté aussi rapidement qu’actuellement. > Unité 3 Depuis un siècle et demi, on mesure un réchauffement climatique global Déterminer la capacité d’un gaz à (environ +1 °C). Celui-ci est la réponse du système climatique à influencer l’effet de serre l’augmentation du forçage radiatif (difference entre l'énergie radiative atmosphérique à partir de son reçue et l'énergie radiative émise) due aux émissions de gaz à effet de spectre d’absorption des ondes serre (GES) dans l’atmosphère : CO2, CH4, N2O et vapeur d’eau électromagnétiques. > Unité 3 principalement. > Unité 3 Interpréter des documents donnant la Lorsque la concentration des GES augmente, l’atmosphère absorbe variation d’un indicateur climatique en davantage le rayonnement thermique infrarouge émis par la surface de fonction du temps (date de vendanges, la Terre. En retour, il en résulte une augmentation de la puissance niveau de la mer, extension d’un radiative reçue par le sol de la part de l’atmosphère. Cette puissance glacier, ...). > Unité 3 additionnelle entraîne une perturbation de l’équilibre radiatif qui existait à l’ère préindustrielle. > Unité 3 Analyser la variation au cours du temps de certaines grandeurs telles L’énergie supplémentaire associée est essentiellement stockée par les que l’augmentation de la teneur océans, mais également par l’air et les sols, ce qui se traduit par une atmosphérique en CO2, la variation augmentation de la temperature moyenne à la surface de la Terre et la de température moyenne, des montée du niveau des océans. > Unités 3 et 5 indicateurs de l’activité économique mondiale. > Unité 3

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L’évolution de la température terrestre moyenne résulte de plusieurs effets amplificateurs (rétroaction positive), dont : – l’augmentation de la concentration en vapeur d’eau (gaz à effet de serre) dans l’atmosphère ; – la décroissance de la surface couverte par les glaces et diminution de l’albédo terrestre ; – le dégel partiel du permafrost provoquant une libération de GES dans l’atmosphère. > Unité 4

Identifier les relations de causalité (actions et rétroactions) qui soustendent la dynamique d’un système. > Unité 4 Réaliser et interpréter une expérience simple, mettant en évidence la différence d’impact entre la fusion des glaces continentales et des glaces de mer. > Unité 5

L’océan a un rôle amortisseur en absorbant à sa surface une fraction importante de l’apport additionnel d’énergie. Cela conduit à une élévation du niveau de la mer cause par la dilatation thermique de l'eau. Estimer la variation du volume de À celle-ci s’ajoute la fusion des glaces continentales. > Unité 5 l’océan associée à une variation de Cette accumulation d’énergie dans les océans rend le changement température donnée, en supposant climatique irreversible à des échelles de temps de plusieurs siècles. cette variation limitée à une couche > Unité 5 superficielle d’épaisseur donnée. > Unité 5 À court terme, un accroissement de la végétalisation constitue un puits de CO2 et a donc un effet de rétroaction négative (stabilisatrice). > Unité 4

Prérequis et limites Les notions d’équilibre radiatif de la Terre et d’effet de serre atmosphérique, étudiées en classe de première, sont mobilisées. L’étude des paramètres orbitaux de la Terre et de leur influence sur le climat n’est pas au programme.

Pour bien commencer 1. La température moyenne de la Terre est d’environ 15°C, sans effet de serre elle serait d’environ – 18°C. L’eau y serait gelée, et la vie sans doute impossible. 2. Dans un forçage radiatif, l’énergie absorbée est supérieure à l’énergie émise. Par conséquent, appliqué à l’atmosphère, la température terrestre s’élève. 3. Les calottes polaires réfléchissent la lumière et ont un albédo élevé. La fonte des calottes polaires diminue l’albédo moyen de la surface de la Terre.

Unité 1 Choix pédagogiques L’unité 1 rappelle la différence entre météorologie et climatologie. Elle est également l’occasion de s’interroger sur le calcul et la signification des moyennes de température, grandeur fondamentale en climatologie. Le doc.1 rappelle un tweet, de Donald Trump alors président des États-Unis, qui témoigne d’une confusion, par ailleurs très répandu, entre météorologie et climatologie. Remarquons que cette confusion peut être plus ou moins volontairement entretenue dans les discours climatosceptiques. Le doc.2 fournit des données météorologiques ponctuelles de deux stations météorologiques historiques françaises : Paris Montsouris et Marseille Marignane. Ce document doit amener un

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questionnement, puisque les données météo montrent que ponctuellement la température à Paris est supérieure à la température à Marseille ce qui ne correspond pas à l’image climatique que l’on a des deux villes. Le doc.3 rappelle les différents éléments de définition de la météorologie et du climat en fournissant des exemples. Le doc.4 fournit les données de température brute prise le même jour de l’année (le 16 octobre) pendant 100 ans à Marseille et à Marignane. Sans que cela ait des conséquences sur le travail de la double page, notons que les mesures les plus anciennes ont été prises avec des thermomètres relevant simplement la température minimale et maximale, les données plus récentes fournissant chaque jour davantage de valeurs de température (toutes les trois heures ou toutes les heures). De ce document, on peut faire émerger la nécessité du calcul d’une moyenne pour mieux appréhender et comparer la température des deux villes. C’est typiquement une démarche de passage des données météos à une grandeur climatique. On constate également que les données brutes sont riches d’informations, notamment sur la variabilité journalière et interannuelle. Ces informations sont perdues lors du calcul d’une moyenne (mais peuvent être conservées sous forme d’un écart type par exemple). Le doc.5 propose une classification des températures moyennes journalières du 16 octobre à Paris et à Marseille pour fournir un premier niveau d’analyse globale. La répartition (qui semble suivre une loi normale) permet de discuter de la notion de moyenne et de la notion d’écart à la moyenne. Elle permet également de montrer pourquoi on peut dire qu’il fait plus chaud à Marseille qu’à Paris même si dans le détail ce n’est pas toujours vrai. Le doc.6 replace la climatologie du 16 octobre à Paris et à Marseille dans le contexte de l’année complète. C’est l’occasion de rappeler qu’en plus de la variation géographique, de la variation journalière, de la variation interannuelle, la température varie également de façon saisonnière. Tous ces niveaux de variation (spatiale et temporelle) nécessitent l’usage de moyennes pour être manipulés (comparaison, tendances passées, etc.). Le doc.7 est un texte permettant de faire réfléchir à la façon la plus pertinente d’obtenir des données pour calculer une moyenne. On doit amener les élèves à en conclure que plus on a de données (représentant la variation spatiale ou temporelle) et plus la moyenne a du sens.

Exploiter les documents : Correction 1. Les données atmosphériques sont en première approche les mêmes : température et pression atmosphérique, précipitation, etc. La différence repose surtout sur le traitement de ces données : elles sont utilisées brutes sur de faibles échelles de temps et d’espace pour la météorologique, tandis que la climatologie fait des moyennes (de température par exemple) et des sommes (de quantités d’eau précipitée par exemple) spatiales et temporelles pour fournir une vision plus générale et comparable d’une date à une autre, d’une période de temps à une autre, d’un lieu précis à un autre, d’une région à une autre. 2. Dans le doc.2, l’utilisation de données météorologiques ponctuelles donne l’impression qu’il fait plus chaud à Paris qu’à Marseille. Ce qui est vrai ce jour-là à cette heure-là. Pour pouvoir affirmer que ce n’est pas vrai dans le cas général, il est nécessaire de calculer une moyenne dans les mêmes conditions. Les grandeurs obtenues sont alors comparables et ont une portée générale.

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3. D’après les valeurs moyennes, le climat est plus chaud à Marseille qu’à Paris. Toutefois, il est possible que ponctuellement la température soit plus élevée à Paris qu’à Marseille ce qui ne remet pas en cause la comparaison des moyennes sur de longues périodes de temps. 4- Le temps qu’il fait ici et maintenant relève de la météorologie. Qu’il pleuve ou non, qu’il fasse chaud ou froid tout de suite ne nous indique pas si l’année sera plus chaude que la précédente ou non. Il faut pour cela avoir les moyennes sur l’année, ce qui relève de la climatologie.

Esprit critique : Correction L’utilisation de valeurs moyennes permet de manipuler indirectement de grandes quantités de données et de pouvoir les comparer dans le temps et dans l’espace. Néanmoins, une moyenne passe sous silence la variation des données utilisées pour calculer cette moyenne. Donc si c’est une grandeur pratique, signifiante et facile à utiliser il ne faut pas oublier qu’elle est moins riche d’informations que l’ensemble des données initiales. Une température moyenne est une grandeur essentielle mais non suffisante pour définir un climat. La variation saisonnière de cette température, la répartition des précipitations sont notamment nécessaires pour caractériser un climat.

Unité 2 Choix pédagogiques L’unité 2 fournit des éléments sur les méthodes permettant de connaître le climat : le climat présent pour la page de gauche et les climats passés dans la page de droite. La page de gauche, détaille ce qui a été évoqué en fin d’unité 1 : les dispositifs de mesure et de collecte des milliers de données météorologiques nécessaires à calculer les grandeurs climatiques. La page de droite s’intéresse aux indices permettant de reconstituer les climats du passé en se focalisant sur deux catégories d’indices : l’analyse des pollens et les traces des extensions passées des glaciers. Le doc.1 présente une station météorologique classique, un modèle à l’air libre (et non pas sous abri) a été choisi pour pouvoir détailler les différents appareils de mesure. Le doc.2 montre le réseau mondial des stations météorologiques. On pourra remarquer malgré leur inégale répartition, leur présence sur l’essentiel des terres émergées. Leur densité moyenne est considérée comme supérieure à ce qui serait nécessaire pour le calcul des moyennes de température aux grandes échelles géographiques (planète, continent). Le doc.3 montre un exemple de carte obtenue suite à une estimation de la température de surface par la mesure satellitaire du rayonnement infrarouge. Cette technique de mesure est surtout utilisée pour les surfaces océaniques, plus homogènes et donc nécessitant moins de points de mesures pour être représentative. Le doc.4 permet de visualiser le très grand nombre de sources de données météorologiques obtenues par des moyens variés, cette diversité permettant de couvrir des environnements très différents de la surface de la Terre. La figure montre également la nécessaire collecte centralisée et suggère tout le travail informatique sous-jacent (référentiel commun, stockage, calcul et exploitation des données).

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Le doc.5 explique les principes sous-jacents utilisés pour la reconstitution des climats du passé. Ces derniers peuvent être connus si un phénomène influencé par le climat laisse lui-même des indices pouvant être datés et accessibles aujourd’hui. On applique alors un principe d’actualisme pour reconstituer le climat. C’est le cas de l’étude des pollens et de l’extension des glaciers traités dans les documents suivants. La dendrochronologie (l’étude des cernes des arbres), de la composition des carottes de glace ou des sédiments marins sont d’autres disciplines permettant de reconstituer des climats anciens. Le doc.6 montre à travers un exemple le résultat classique d’une étude palynologique de tourbières. La reconstitution du climat à partir de ces données repose sur l’étude de la végétation actuelle et de son association avec les conditions climatiques locales. Les docs 7 et 8 présentent le principe d’étude de l’extension maximale des glaciers. Il repose sur une bonne connaissance de la morphologie glaciaire (les indices laissés dans le paysage par les glaciers qui se rétractent).

Exploiter les documents : Correction 1. Pour caractériser le climat, les climatologues ont besoin de données météorologiques. Pour cela ils utilisent les données collectées de différentes manières selon les environnements concernés. Il peut s’agir de stations météorologiques fixes au sol ou sur des bouées en mer ou de radar météorologique. Ils peuvent également s’aider de mesures satellitaires du rayonnement infrarouge ou de station météorologique mobile (bateau ou avion). L’ensemble de ces données doit ensuite être centralisé pour pouvoir être exploité. 2. Il semble que le climat, dans la région de la tourbière de la Roche Gourgon il y a –10 000 ans, était un climat plutôt froid en cours de réchauffement puisque les pollens retrouvés, datant de cette époque, correspondent à une transition entre des végétations herbacées et des végétations arborées. Le climat d’il y a –2 000 ans, paraît relativement proche du climat actuel si l’on se fie aux pollens qui semblent montrer une végétation similaire à la végétation d’aujourd’hui. 3. La reconstitutions des glaciers alpins il y a environ 20 000 ans repose sur l’étude des indices laissés dans le paysage par ces glaciers. La présence d’une vallée glaciaire et de moraines indiquent, même s’il n’y a plus de glace, qu’un glacier fut présent. En réalisant une étude de ces indices glaciaires à l’échelle régionale, il est possible de reconstituer l’extension des anciens glaciers. On constate que les glaciers englobaient les sites actuels des villes de Genève, de Berne et de Grenoble et atteignaient presque la ville de Lyon. Ils couvraient quasi totalement le massif des Alpes suggérant un climat particulièrement froid. 4.

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D’après la photo satellite disponible sur Google Maps, on constate que les parties blanches (neiges éternelles et glaciers) sont limitées aux plus hauts sommets et ont un recouvrement de la région alpine bien moindre que sur la reconstitution du doc. 8. Cela confirme qu’entre –20 000 ans et aujourd’hui, le climat régional s’est réchauffé.

Esprit critique : Correction Le principe d’actualisme permet de supposer que les phénomènes actuels existaient également dans le passé. Ce principe permet de supposer que les indices passés que l’on observe peuvent être expliqués par des phénomènes similaires à ceux que l’on connaît aujourd’hui. L’utilisation de ce principe est très important en géologie et notamment pour reconstituer les climats du passé puisqu’il nous permet de supposer des conditions climatiques qui ne sont plus accessibles directement mais simplement par ses indices indirects (pollens et moraines dans les exemples de cette page). Ce principe présente toutefois des limites, puisque certaines conditions ont pu changer au cours du temps. Par exemple, certaines espèces botaniques ont pu évoluer et ne pas être adaptées exactement aux mêmes conditions climatiques à l’époque qu’aujourd’hui. De la même façon, dans le chapitre précédent, nous avons vu que les conditions de la Terre primitive étaient très différentes des conditions de la Terre actuelle. Cela implique que l’on soit prudent dans l’application du principe d’actualisme.

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Unité 3 Choix pédagogiques Si l’unité précédente s’intéresse à la reconstitution des climats d’un passé lointain (sur une échelle de milliers ou dizaines de milliers d’années), cette unité présente les indices des changements climatiques d’un passé récent : depuis la révolution industrielle du XIXe siècle. La page de gauche présente les indices du réchauffement climatique que nous vivons depuis plus d’un siècle. La page de droite présente les mécanismes de ce réchauffement en faisant le lien avec les GES de l’atmosphère. À ce stade, nous présentons uniquement les mécanismes physiques en jeu (absorption des IRs par les GES de l’atmosphère). La responsabilité humaine dans l’émission des GES et donc dans le réchauffement climatique sera l’objet du chapitre 3. Les docs 1 à 4 en page de gauche présentent différents indices du changement climatique actuel : -

le suivi des températures mondiales depuis la fin du XIXe siècle (doc.1) ; les dates des vendanges, qui ont lieu de plus en plus tôt dans différents vignobles de France (doc.2) ; le recul de différents fronts de glaciers dans les Alpes (docs 3 et 4).

Le doc.5 présente des spectres d’absorption dans l’IR de différents gaz que l’on trouve dans l’atmosphère. La méthode d’obtention d’un spectre d’absorption est rappelée dans le lien numérique associé au document. De ce document, les élèves déduisent que CO2, CH4 et H2O absorbent les Irs et sont donc des GES. Le doc.6 présente l’augmentation récente de la teneur en CO2 atmosphérique. Ce document permet de faire le lien entre : augmentation de CO2 (doc.6) qui est un GES (doc.5) → augmentation du forçage radiatif (rappel d’ES 1re) → augmentation de la température et réchauffement climatique (docs 1 à 4).

Exploiter les documents : Correction 1. On observe que les températures moyennes annuelles sont en augmentation régulière depuis 1910 environ, que les vendanges en France ont tendance à être de plus en plus tôt depuis les années 1960, et que les glaciers ont tendance à perdre du terrain au XXe siècle. On peut interpréter ces observations par un réchauffement global du climat (par exemple, les raisins arrivent à maturité plus tôt dans l’année à cause d’une température plus importante en moyenne, etc). Ainsi, ces évolutions sont cohérentes avec un réchauffement global du climat. Attention : seules, ces observations ne le prouvent pas pour autant. En effet, elles sont aussi cohérentes avec d’autres explications possibles (par exemple, les goûts des consommateurs de vin ont évolué et on a besoin de raisins moins mûrs globalement, ou bien il est devenu plus rentable d’avancer les vendanges pour telle ou telle raison, etc). Cette différence entre corrélation et causalité sera explicité dans l’unité 5 du chapitre 3 (doc.4 p.73). 2. L’échelle de longueurs d’onde des spectres est entre 3 et 16 μm, c’est-à-dire entre 3 000 et 16 000 nm. C’est la gamme de longueurs d’onde que le sol émet à cause de sa température, et c’est donc dans cette gamme qu’il faut regarder si telle ou telle molécule présente dans l’atmosphère absorbe pour expliquer l’effet de serre. 3. Les spectres du méthane, du dioxyde de carbone et de la vapeur d’eau présentent tous des bandes d’absorption dans la plage d’émission du sol, contrairement au diazote et au dioxygène. De plus, ils

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sont présents dans l’atmosphère (en faible proportion). Aussi, le méthane, le dioxyde de carbone et la vapeur d’eau sont-ils des gaz à effet de serre. 4. Spectre IR de l’oxyde nitreux (N2O) :

Source : https://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C10024972&Type=IR-SPEC&Index=1 On constate que la molécule d’oxyde nitreux présente des bandes d’absorption vers 7,5 μm, soit en plein dans le domaine de longueurs d’onde émises par le sol. S’il est présent dans l’atmosphère, il contribuera donc à l’effet de serre. 5- Sur 800 millénaires, on observe des fluctuations dans la quantité de CO2 atmosphérique, qui oscille entre 200 et 300 ppm. Sur les 2 derniers millénaires, on observe une très nette et rapide augmentation du CO2 atmosphérique depuis le milieu du XIXème siècle, pour dépasser les 400 ppm en 2000. Puisque le CO2 est un GES, il contribue au forçage radiatif positif en augmentant l’énergie absorbée dans l’atmosphère.

Esprit critique : Correction D’après les données du doc.6, la concentration en CO2 atmosphérique a atteint des taux records sur les derniers siècles par rapport aux oscillations des 800 derniers millénaires. La donnée qui est importante, au-delà de la concentration atmosphérique en CO2 est la vitesse de l’accumulation du CO2 dans l’atmosphère. Ainsi, ce qui est remarquable, c’est l’échelle de temps très réduite sur laquelle augmente le CO2 dans un passé récent (sur deux siècles), comparé aux oscillations sur plusieurs dizaines de millénaires dans l’histoire de la Terre.

Unité 4 Choix pédagogiques Cette unité a pour but de présenter les rétroactions nombreuses qui influencent la température terrestre et qui expliquent la complexité du système climatique. Cette unité se prête à un travail en groupes d’élèves, où chaque groupe peut par exemple construire et expliquer un type de rétroaction en jeu. Les docs 1 à 3 donnent une définition générale du terme « rétroaction » et présentent les rétroactions positives à travers deux exemples de la vie courante : l’effet Larsen comme exemple de rétroaction positive et la régulation de la température de l’eau de la douche comme exemple de rétroaction négative. Les effets amplificateurs et amortissants des rétroactions positives et négatives, respectivement, sont ainsi expliqués.

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Le doc.4 fait le lien entre ces définitions générales et les rétroactions qui agissent sur le climat. L’exemple choisi est la rétroaction positive de l’albédo avec deux boucles présentées : dans le cas d’une diminution de température moyenne globale et dans le cas d’une augmentation de la température moyenne globale. On observe que dans les deux cas, l’albédo a un effet amplificateur sur la perturbation initiale. Le doc.5 présente une autre rétroaction positive créée par la libération dans l’atmosphère de GES lors de la fonte du pergélisol. Le doc.6 présente quant à lui une rétroaction négative à court-terme réalisée par l’augmentation de la photosynthèse et de la végétalisation de la Terre lorsque les teneurs en CO2 atmosphériques sont élevées. Enfin, le doc.7 est une activité à partir de laquelle les élèves peuvent faire le lien entre l’ensemble des documents de la double page pour construire des boucles de rétroaction (voir questionnement de la double page). Cette activité peut être réalisée à l’aide de la ressource numérique associée qui présente la liste de termes du doc.7 sous forme de cartes à jouer qui peuvent être découpées et assemblées en boucles de rétroactions.

Exploiter les documents : Correction Rétroaction négative de la végétalisation

Rétroaction positive de la vapeur d’eau

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Rétroaction négative de la vapeur d’eau

Rétroaction positive de la température des océans

Rétroaction positive de la fonte des neiges et glaces

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Esprit critique : Correction La vapeur d’eau est un gaz à effet de serre impliqué dans des boucles de rétroaction positive sur le forçage radiatif. La formation de nuages en revanche augmente l’albédo atmosphérique, ce qui a un effet amortissant (rétroaction négative) sur le forçage radiatif. La modélisation de la formation des nuages et des précipitations répond à des phénomènes physiques complexes. Les climatologues font alors des simplifications en utilisant des valeurs statistiques (moyennes par exemple) dans leur modèle, ce qui est responsable de variabilité entre les différents modèles climatiques (voir doc.3 p.68)

Unité 5 Choix pédagogiques Les rétroactions climatiques ayant été vues dans l’unité précédente, l’unité 5 s’intéresse au rôle-clé de l’océan dans la régulation du climat. Les docs 1 à 3 présentent le rôle fondamental de l’océan dans le stockage du surplus d’énergie thermique lors d’un forçage radiatif. Il en résulte une augmentation du niveau océanique, présenté dans le doc.4. Les docs 5 à 8 permettent d’expliquer les mécanismes sous-jacents à la montée des eaux. Le doc.5 modélise la fonte de la banquise. Le but est d’observer que cette fonte ne participe pas directement à la montée des eaux (elle y participe indirectement via une diminution de l’albédo). Le doc.6 modélise la fonte des glaces continentales. Cette fois, l’apport d’eau est exogène à l’océan (les glaces continentales sont modélisées par les glaçons qui fondent dans la cuillère au-dessus du verre), ce qui entraîne une augmentation du niveau océanique. Le doc.7 présente quant à lui une expérience mettant en évidence la dilatation thermique de l’eau. Un même volume d’eau initial est refroidi ou réchauffé. Le réchauffement entraîne une augmentation de son volume. Le doc.8 met en lien cette expérience avec des données de dilatation thermique des océans. Remarque : Il est intéressant de noter qu’il a été longtemps enseigné que la dilatation thermique était le premier facteur responsable de la montée du niveau des océans et que la fonte des glaces continentales était le 2e facteur. Cette tendance s’est inversée entre 2000 et 2010, puisque la fonte des glaces continentales est maintenant mesurée comme le facteur principal de montée du niveau océanique. Cette observation est le sujet de l’exercice BAC 16 p.60.

Exploiter les documents : Correction 1. L’océan est une masse d’eau colossale, qui agit comme un amortisseur pour les changements climatiques : à l’heure actuelle, il absorbe environ 90 % de l’énergie excédentaire due au forçage radiatif positif (sa température augmente dans les couches superficielles, et il se dilate). Mais c’est un régulateur dans les deux sens : l’énergie qu’il stocke en ce moment, il devra la libérer plus tard, lorsque le forçage radiatif diminuera… 2. La fonte de la banquise ne fait pas monter le niveau de l’océan (voir expérience du doc.5). En revanche, elle résulte en une diminution de l’albédo terrestre (moins de surface réfléchissante), donc elle augmente le forçage radiatif. Ainsi, elle accélère la fonte des glaces continentales, qui – ellescontribuent à la montée du niveau des eaux…

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3. Si on note e = 1 000 m l’épaisseur de la thermocline, Δe l’augmentation de l’épaisseur due à la dilatation thermique, S = 360.106 km2 la surface des océans, ΔT = 0,6 oC l’augmentation en température de la thermocline, alors on a : Δe · S = α × e × S × ΔT, soit : Δe = α × e × ΔT = 1,0 · 10-4 x 1 000 x 0,6 = 0,06 m = +6 cm 4. Si l’on subit ΔT = +3 oC d’ici 2100, l’augmentation du niveau des océans à cause de la dilatation thermique serait environ de : Δe = α × e × ΔT = 1,0 · 10-4 x 1 000 x 3 = 0,30 m = 30 cm en moyenne. Cela est sans compter le niveau nettement accru lié à la fonte conséquente des glaces continentales dans une situation de réchauffement global de +3 oC !

Esprit critique : Pistes d’exploitation Ce questionnement a pour but de faire réfléchir les élèves sur les conséquences de la montée des eaux sur les populations humaines, dont un nombre important vit proche des littoraux. C’est l’occasion par une recherche internet de chercher les zones qui seront, selon les prédictions, les plus affectées du globe. Cela permet également de remobiliser les connaissances du cycle 4 sur les notions de risque, d’aléas et d’enjeux, ainsi que sur les mesures d’atténuation et d’adaptation face à ce phénomène.

Corrigés des exercices Mémoriser son cours 1. La météorologie étudie les phénomènes atmosphériques à court terme (jours, semaines) sur une région donnée alors que la climatologie étudie les variations du climat local ou global à moyen ou long terme (années, siècles, millénaires). 2. L’étude du climat actuel repose sur des moyennes des grandeurs atmosphériques. Ainsi, la température moyenne de la Terre correspond à une moyenne spatiale et temporelle de millions de données collectées dans le monde par des stations météorologiques et des mesures par satellites. D’autres indicateurs permettent l’étude du climat : volume des océans, étendue des glaces et glaciers, etc. 3. Les variations de climat ont des conséquences sur de nombreux phénomènes à la surface du globe. Si ces phénomènes ont lieu dans le passé et laissent des indices observables aujourd’hui, ces indices deviennent des indicateurs des climats du passé. C’est le cas de pollens enfouis dans les sédiments ou de traces laissées dans les paysages par des glaciers anciens (moraines, vallées glaciaires, etc.). 4. Un gaz à effet de serre (GES) est un gaz atmosphérique qui absorbe des longueurs d’onde de l’infrarouge émises par la surface terrestre à cause de sa température. Les GES principaux de l’atmosphère sont : CO2, CH4, N2O et vapeur d’eau. Parce que les GES absorbent les infrarouges émis par la surface terrestre chauffée par le Soleil, la quantité d’énergie renvoyée vers l’espace par la planète est diminuée. Les GES sont donc responsables d’un forçage radiatif positif, qui conduit à une augmentation de la température terrestre. 5. – Exemple de rétroaction positive agissant sur le forçage radiatif : Le forçage radiatif favorise la fonte du pergélisol qui libère du méthane et des gaz à effet de serre, issus de la décomposition de la matière organique. Ces GES augmentent à leur tour le forçage radiatif : cette amplification est une rétroaction positive.

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On pouvait aussi proposer : la fonte des glaces qui diminue l’albédo, ou l’augmentation de la vapeur d’eau dans l’atmosphère (la vapeur d’eau est un GES).

– Exemple de rétroaction négative agissant sur le forçage radiatif : Le forçage radiatif positif s’accompagne d’une augmentation de la température de la surface des océans. Or, le CO2 se dissout plus facilement dans les eaux chaudes. L’océan a donc un rôle de réservoir diminuant la concentration atmosphérique de CO2. Cet effet amortisseur de l’océan sur le forçage radiatif est une rétroaction négative. Autre exemple : L’augmentation de la végétalisation lors d’une augmentation de CO2 et d’un forçage radiatif positif est un puits de CO2 (rétroaction négative à court terme). La formation nuageuse due à une plus grande évaporation de l’eau augmente l’albédo, ce qui entraîne une rétroaction négative. On note que la vapeur d’eau est impliquée dans des rétroactions négatives (les nuages) mais aussi positives car c’est un GES. Dans le contexte de réchauffement climatique actuel, les rétroactions négatives tendent à amortir l’augmentation de température, tandis que les rétroactions positives amplifient l’augmentation de température. 6. Les deux facteurs principaux responsables de la montée des océans sont : – la fonte des glaciers continentaux ; – la dilatation thermique. Remarque : On peut noter que jusqu’au début des années 2000, la dilatation thermique était le facteur principal de montée du niveau des océans. Depuis, la tendance s’est inversée, le facteur principal est désormais la fusion des glaces continentales (voir doc.1 p.60 pour aller plus loin).

Pour s’échauffer 1. QCM 1. a. Faux, la climatologie repose sur les moyennes spatiale et temporelle de données météorologiques. b. Faux, la différence entre météorologie et climatologie repose sur les échelles de temps et d’espace. c. Vrai. d. Faux, la météorologie repose sur des échelles de temps courtes. 2. a. Vrai, en fonction de l’absorption dans les infrarouges, on peut conclure si chaque gaz est un GES ou non. b. Faux. c. Faux.

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d. Vrai, la transmittance est proche de 0 pour ces longueurs d’onde qui sont donc absorbées par le CO2. 3. a. Vrai. b. Faux, ce sont des prévisions météorologiques. c. Vrai. 4. a. Faux, cela conduirait un diminuer le forçage radiatif. b. Vrai, une diminution de l’albédo entraîne un forçage radiatif positif. c. Faux, c’est une conséquence d’une augmentation du forçage radiatif, non une cause. d. Faux. 5. a. Faux, la combustion de ressources fossiles n’implique pas ces étapes (par exemple : décomposition par les micro-organismes) b. Faux, il n’y aurait pas de libération et décomposition de matière organique dans les glaces océaniques composées d’eau. c. Vrai, la fonte du pergélisol constitue une boucle de rétroaction positive sur la température moyenne du globe. 6. a. Faux, la fonte des glaces océaniques ne contribue pas directement à la montée des eaux. b. Vrai, c’est une des deux causes principales de montée des eaux. c. Faux. d. Vrai, c’est une des deux causes principales de montée des eaux. 7. a. Faux, la vapeur d’eau est un gaz à effet de serre important. b. Vrai. Le rôle de la vapeur d’eau est complexe car c’est à la fois un GES (rétroaction positive) mais sous forme de nuages, la vapeur d’eau augmente l’albédo terrestre, ce qui entraîne une rétroaction négative sur la température. c. Faux. d. Faux.

2. Vrai/Faux 1. Vrai, les pollens sont des indices des climats du passé et on les date à partir des sédiments dans lesquels ils se trouvent.

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2. Faux, le diazote n’absorbe pas les IRs. 3. Vrai, voir doc.6 p.47. 4. Faux, ce sont des indicateurs de la variabilité récente du climat. 5. Faux, elles proviennent aussi de nombreuses stations météos sur les continents, de bouées dans les océans, etc. 6. Faux, les principaux facteurs sont la fonte des glaces continentales et la dilatation thermique de l’eau.

3. Qui suis-je ? 1. La météorologie. 2. La météorologie. 3. La dilatation thermique ou la fonte des glaces continentales. 4. La température moyenne. 5. Une rétroaction.

4. Rédiger une phrase 1. L’absorption par les GES atmosphériques du rayonnement thermique infrarouge émis par le sol provoque une perturbation de l’équilibre radiatif de la planète. 2. L’océan a un rôle amortisseur sur le forçage radiatif positif, car il permet le stockage d’une grande partie du surplus d’énergie. 3. Les moyennes de grandeurs atmosphériques comme la température, la pression ou le degré d’hydrométrie permettent de définit un climat. 4. La météorologie étudie les grandeurs atmosphériques sur le court terme, tandis que la climatologie utilise des moyennes de grandeurs atmosphériques à moyen ou long terme.

5. Questions à réponses courtes 1. La moyenne des températures sur plusieurs années permet de définir qu’il fait en moyenne plus chaud à Marseille qu’à Paris. 2. La climatologie s’intéresse à des phénomènes à long terme et permet de faire des prédictions sur les climats du futur (ce que vous attendez). La météorologie utilise les grandeurs atmosphériques à court terme (ce que vous avez). 3. C’est une rétroaction négative, car plus de végétaux en croissance implique une plus grande consommation de CO2 atmosphérique, donc une diminution des GES. 4. Cela entraîne une diminution de l’albédo, car la glace est blanche, et diffuse donc efficacement la lumière (comme les nuages, par exemple). Elle a un albédo élevé.

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5. La dilatation thermique et la fonte des glaces continentales.

6. Boucle de rétraction 1. Augmentation, 2. Augmentation, 3. Diminution, 4. Amplificatrice, 5. Positive

7. Schématiser des rétroactions 1. Augmentation, 2. Du stockage, 3. Amortissant, 4. Négative

8. Lire un spectre d’absorption 1. 4,5 µm et 15 µm environ. 2. La bande d’absorption du CO2 vers 15 µm montre que le CO2 atmosphérique va absorber ces radiations si elles l’arrosent, ce qui est le cas, puisque le sol émet entre 10 et 20 µm. Ainsi, le CO2 est capable d’absorber une partie du rayonnement thermique IR du sol : c’est un GES.

Méthode : Exercices d’application 10. La température moyenne en janvier à Lille. 1. La courbe des températures moyennes annuelles montre une importante variation d’une année sur l’autre, sans réelle tendance. 2. Sur la période 1973 – 1995, les températures moyennes les plus élevées sont d’environ 7° et les plus basses d’environ -2,5 °C. Sur la période 1995 – 2020, les températures les plus basses sont autour de 0 °C, les températures les plus hautes autour de 7,5 °C. On constate que ces valeurs semblent être un peu plus élevées dans les périodes récentes. 3. Il paraît difficile d’en conclure une tendance à la hausse ou à la baisse des températures moyennes à Lille. Pour cela il faudrait disposer de valeurs moyennes par période, par décennie par exemple. Ou bien une moyenne décennale glissante.

11. L’extension de la banquise. 1. Le mois de septembre correspond à la fin de l’été, c’est donc le moment où la banquise à la plus faible extension du fait de la fonte estivale. À l’inverse le mois de mars correspond à la fin de l’hiver, c’est donc le moment où la banquise à la plus forte extension du fait du gel hivernal. 2. On constate que par rapport à la moyenne 1981 – 2010, l’extension de la banquise est plus faible en septembre comme en mars depuis 2000 environ. Cette diminution est particulièrement marquée en mars, suggérant que l’hiver est moins rigoureux. 3. Les données annuelles montre une importante variation d’une année sur l’autre, les droites de régression permettent de lisser la tendance et de pouvoir chiffrer plus facilement la diminution que l’on peut évaluer à environ à 30 % sur la période 1995-2018 pour l’extension de la banquise en mars.

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Tester ses compétences 12. Vague de froid et changement climatique. Les températures plus froides que la moyenne dont il est question ici sont limitées dans l’espace (la France métropolitaine, qui n’occupent que 0,4 % des terres émergées et 0,1 % de la surface totale du globe) et dans le temps (deux premières semaines de mai 2019). Le doc.1 nous apprend qu’à la même période, la température globale était légèrement plus élevée que la moyenne calculée sur la période 1979 – 2000, ce qui montre que ce qui se passe en France à cette période n’est pas représentatif. Le doc.2 nous indique par ailleurs qu’à l’échelle spatiale le mois de mai 2019 a été plus froid que la moyenne 1981 – 2010 en Europe, dans certaines régions d’Amérique du Nord et en Asie centrale. Mais dans d’autres régions du monde on observe simultanément des températures plus élevées que cette moyenne, c’est particulièrement vrai pour le Groenland, l’Alaska, la Sibérie, la Russie et l’Afrique du Sud. Savoir si le climat global se réchauffe ou se refroidit nécessite d’avoir une vision sur de longues échelles de temps et de grandes échelles d’espace. Toute réflexion locale ou sur de courtes périodes de temps ne peut permettre d’estimer la tendance générale.

13. Étude de l’ozone atmosphérique 1. La plus grande des deux « bosses »proche de 103 nm correspond à la diffusion vers l’espace par la Terre d’une partie de la lumière visible incidente du Soleil : c’est le phénomène d’albédo. L’autre « bosse » est dans le domaine des infrarouges (environ 104 nm, soit 10 μm) et correspond au rayonnement émis par la planète à cause de sa température : c’est l’émission thermique. D’ailleurs, on peut ajouter que le spectre d’émission de la planète proposé correspond au jour et non à la nuit, car on n’aurait que la petite « bosse » dans l’infrarouge la nuit (pas de lumière du Soleil à renvoyer…). 2. L’ozone est un gaz atmosphérique. De plus, son spectre infrarouge présente une bande d’absorption très marquée pour les longueurs d’onde de 10 μm environ. Or, le sol terrestre émet un rayonnement thermique autour de la longueur d’onde de 10 μm. Ainsi, l’ozone est un GES, car il est présent dans l’atmosphère, et va absorber une partie du rayonnement thermique émis par le sol dans l’infrarouge, participant ainsi au forçage radiatif positif.

14. Les rétroactions de la végétation sur le climat Rétroaction négative dans les zones froides du globe

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Rétroaction positive dans les zones chaudes du globe

Rétroaction positive via les feux de forêt

2. L’augmentation de la température moyenne du sol a un effet positif sur la présence et la croissance des plantes dans les zones très froides du globe. En revanche, cette même augmentation de la température moyenne du sol a un effet négatif sur la croissance des plantes si la température était déjà chaude, car elle induit une raréfaction de l’eau disponible. Ainsi, « une même cause peut avoir des effets contraires selon sa localisation ». 3. L’effet fertilisant du CO2 est le phénomène correspondant à une augmentation de la vitesse de croissance des plantes si l’air ambiant est plus riche en CO2. Cela s’explique par le fait que les plantes consomment du CO2 atmosphérique lors de la photosynthèse, donc plus elles en ont à disposition, plus elles grandissent vite. Cet effet est présent dans la 1ère boucle de rétroaction, qui est négative.

15. Le gros caillou à Lyon. 1. D’après la carte, on constate que l’extension la plus importante du glacier date d’environ 140 000 ans.

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2. On peut supposer que le Gros Caillou a été amené par le glacier s’étendant sur le site actuel de la ville de Lyon, il y a 140 000 ans. Il peut s’agir d’un rocher faisant partie de la moraine glaciaire de front du glacier qui a été abandonné lors du retrait du glacier. 3. On peut supposer que le climat global permettant l’extension d’un glacier jusqu’à Lyon était un climat glaciaire. La période glaciaire correspondant au glacier de -140 000 ans est la période de Riss, celui de -20 000 ans à la période de Würm.

Objectif BAC 16. Élévation du niveau océanique. 1. Sur le doc. 1 on constate, en 2005 que la contribution de la dilatation thermique et de la fusion des classes continentales est dans les mêmes ordres de grandeur. En revanche, en 2018 la contribution des fusions des classes continentales est environ 30 % supérieurs à la contribution de la dilatation thermique dans l’élévation du niveau océanique. 2. Environ 5,5 cm. 3. Il faudrait que la dilatation thermique soit reponsable d’une montée des océans supplémentaire de 2 cm soit 0,00002 km ou 2.10-5 km. En utilisant la formule du doc.3, ΔV = α ·V0 · ΔT, la variation de température ΔT est l’inconnue. On peut écrire ΔT = ΔV / (α · V0) 8 -5 et ΔV = 360 · 10 × 2 · 10 = 720 · 103 km3

avec

α = 1 · 10-4 °C-1 ;

V0 = 360 · 108 × 1 km3 ;

On obtient donc : ΔT = 0,2°C 4. À partir de la formule ΔV=α · V0 · ΔT, on peut calculer l’élévation du niveau marin h due à une élévation de température globale de 5°C. On note ΔV = S × h avec S la surface océanique fournie (360 · 108 km2 ). Ce qui nous donne h = α · V0 · ΔT / S avec α = 1.10-4 °C-1 ; V0 = 360 · 108 x1 km3 et ΔT = 5°C. On obtient donc : h = 0,0005 km soit 50 cm. 5- Une élévation de 50 cm du niveau moyen des océans dans un scénario où la température globale augmente de 5 °C est très significative, d’autant qu’elle s’ajoute à la fusion des glaces continentales dont nous avons vu qu’elle est plus élevée de 30 % (en 2018). Ce qui signifie que l’élévation totale dans ce contexte sera supérieure à 1 m.

17. Changement climatique et répartition des espèces 1. D’après le document 1, on observe que l’épicéa a des préférences climatiques comprises entre 6 et 8 °C pour la température moyenne et entre 1 400 et 2 200 millimètres par an pour les précipitations. En ce qui concerne le hêtre, ses préférences vont, pour la température moyenne, d’environ 8 à 10 °C et pour les précipitations annuelles de 1 000 mm à 1 700 mm. Enfin, pour le chêne vert, la température moyenne de ses préférences climatiques et comprises entre 12,5 et 14,3 °C environ et des valeurs de précipitations moyennes comprises entre 400 et 800 mm. Il est possible de représenter ses réponses sous forme de tableau :

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Épicéa Hêtre Chêne vert

Préférences climatiques (en moyenne annuelle) Température moyenne Précipitations en millimètres annuelle en degrés Celsius par an 6à8 1400 à 2200 mm 8 à 10 1000 à 1700 mm 12,5 à 14,3 400 à 800 mm

Focus méthode Le document 1 est un diagramme pluviothermique. Il représente sous forme d’aire (les ellipses visibles ici) les plages de moyenne de température et de précipitations où l’on trouve avec le plus probabilité une espèce donnée. Il s’agit d’une synthèse statistique d’observations de terrain. Il n’est pas exclu de trouver des individus ponctuellement en dehors de ces plages de préférence.

Pour lire un tel document, on s’intéresse d’abord aux amplitudes de température moyenne et de précipitations. Pour cela on observe graphiquement quelle est la valeur la plus basse et la plus haute atteinte par l’ellipse pour chacun des deux paramètres (on peut s’aider d’une règle placée parallèlement aux axes des abscisses et des ordonnées). Dans un deuxième temps, pour aller plus loin on peut remarquer l’allure oblique (vers le haut et la gauche du graphique) des ellipses, ce qui montre que les espèces supportent mieux les basses températures lorsque les précipitations moyennes sont plus élevées et inversement.

2. D’après les documents 2 et 3 (carte de 2004), on constate que le hêtre à une probabilité de présence élevée dans les Alpes (entre 0,7 et 1). Cette probabilité élevée s’explique notamment par les conditions climatiques des Alpes avec une pluviométrie élevée (surtout dans le nord des Alpes, proche du Dauphiné, souvent supérieur à 1 200 mm) et des températures moyennes relativement basses (autour de 10° voire en dessous). 3. Alors que la probabilité de présence du hêtre au début du XXIe siècle (doc. 3, carte de 2004), est élevée dans les Flandres et en Lorraine (>0,5), elle devient, d’après les modélisations (doc.3, carte de 2100) très faible (0,1 au 0,2). On peut donc supposer que les conditions climatiques favorables à la présence du hêtre ne sont plus réunies à la suite du changement climatique. Il peut s’agir d’une augmentation des températures moyennes, d’une réduction des précipitations annuelles moyennes ou d’une modification des deux paramètres à la fois. 4. On peut faire l’hypothèse que les conditions climatiques défavorables pour la présence du hêtre au sud et à l’ouest du territoire métropolitain pourraient devenir favorables à des espèces supportant des températures plus élevées et moins de précipitations. Si cette gamme de précipitations se situe entre 400 et 800 millimètres, selon la température moyenne annuelle on pourrait trouver davantage de chênes pubescents (pour des tempéraments moyennes annuelles autour de 12°), du chêne vert (pour des températures moyennes annuelles autour de 13°) ou du pin d’Alep (pour des températures moyennes annuelles autour de 14°).

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Chapitre 3 : Le climat du futur À la suite du chapitre sur la complexité du système climatique (chapitre 2), ce chapitre s’intéresse à l’analyse du système climatique, réalisée à l’aide de modèles numériques. Ces modèles permettent de prédire l’évolution du climat au XXIe siècle. Ce chapitre permet également d’expliquer comment les résultats de modélisations assortis d’une bonne compréhension des mécanismes physiques en jeu et de mesures de la production de gaz à effet de serre (GES) anthropiques permettent aux climatologues de conclure à la responsabilité humaine dans le réchauffement climatique. Ce chapitre est également l’occasion de répondre aux objectifs généraux du programme à travers deux unités « Esprit critique » visant à faire réfléchir les élèves sur les limites des modèles en sciences et sur le climatoscepticisme.

Programme • Chapitre 3. Le climat du futur

Savoirs

Savoir-faire

Les modèles climatiques s'appuient sur: la mise en équations des mécanismes essentiels qui agissent sur le système Terre ; - des méthodes numériques de résolution. > Unité 1 Les résultats des modèles sont évalués par comparaison aux observations in situ et spatiales ainsi qu'à la connaissance des paléo climats. > Unité 2 Ces modèles, nombreux et indépendants, réalisent des projections climatiques. Après avoir anticipé les évolutions des dernières décennies, ils estiment les variations clima- tiques globales et locales à venir sur des décennies ou des siècles. > Unités 1 à 3

Mettre en évidence le rôle des différents para- mètres de l'évolution climatiq ue , en exploitant un logiciel de simulation de celle-ci, ou par la lecture de graphiques. > Unités 1 et 2

L'analyse scientifique combinant observations, éléments théoriques et modélisa- tions numériques permet aujourd'hui de conclure que l'augmentation de température moyenne depuis le début de l'ère industrielle est liée à l'activité humaine : C02 produit par la combustion d'hydrocarbures, la déforestation, la production de ciment; CH 4 produit par les fuites de gaz naturel, la fermentation dans les décharges, certaines activités agricoles. > Unités 4 et 5 Les modèles s'accordent à prévoir, avec une forte probabilité d'occurrence, dans des fourchettes dépendant de la quantité émise de GES: - une augmentation de 1,5 à 5 °C de la température moyenne entre 2017 et la fin du XXIe siècle ; - une élévation du niveau moyen des oceans entre le début du XXIe siècle et 2100 pouvant atteindre le mètre ; - des modifications des régimes de pluie et des événements climatiques extrêmes; - une acidification des océans; - un impact majeur sur les écosystèmes terrestres et marins. > Unité 6

Exploiter les résultats d'un modèle climatique pour expliquer des corrélations par des liens de cause à effet. > Unités 4 et 5

-

Prérequis et limites Les notions déjà connues sur la photosynthèse et les écosystèmes sont mobilisées. Les équations mathématiques utilisées dans les modèles climatiques ne sont pas évoquées.

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Pour bien commencer 1. Un forçage radiatif positif entraîne une augmentation de la température terrestre (ES 1re). 2. Un gaz à effet de serre est un gaz atmosphérique qui absorbe les infrarouges émis par la surface terrestre chauffée par le Soleil (chapitre 2) 3. Le pH d’une eau dans laquelle on dissout du CO2 diminue : il y a acidification de l’eau (cycle 4).

Unité 1 Choix pédagogiques Cette unité présente les éléments communs aux différents modèles numériques du climat. Le doc.1 est une interview du climatologue Jean-Louis Dufresne qui donne une définition générale et claire d’un modèle numérique du climat (ou modèle global du climat, MGC). Le doc.2 définit le fonctionnement d’un MGC : le cœur du modèle qui repose sur des lois physiques et chimiques de l’atmosphère et qui réalise les calculs, les paramètres d’entrée imposés par le scientifique et les résultats en sortie. Il introduit la notion de « maillage » qui sera revu dans l’unité 2. Le doc.3 explique qu’un MGC est composé de plusieurs sous-modèles. Les docs 4 et 5 sont une présentation du logiciel Simclimat et une activité fondée sur ce logiciel. Remarques : •

•

Cette activité est l’occasion de faire réfléchir les élèves sur l’utilisation d’un modèle simplifié du climat. De nombreuses simplifications sont faites dans Simclimat. Par exemple, la Terre est ici assimilée à un point. De plus, dans Simclimat, l’albédo de la planète est dû à la surface de la glace et à la latitude des calottes. En réalité, l’atmosphère (nuages et aérosols) a une influence sur l’albédo de la planète ainsi que sur le réchauffement via des mécanismes complexes. Résolution temporelle de Simclimat : le pas de temps de Simclimat est calculé sur la durée totale de la simulation par une formule qui dépend de cette durée. dt = 0,25 ans pour les simulations ≤ 100 ans. Au-delà, dt =

𝑑𝑢𝑟é𝑒 0,7 . 75,36

Par exemple, dt = 1,67 pour durée = 1 million

d'années, et 5 282,98 ans pour durée = 100 millions d'années. Tous les nombres sont approchés. Ces paramètres nous sont donnés par Camille Risi, une des conceptrices du logiciel.

Exploiter les documents : Correction 1. Les éléments-clés d’un modèle numérique du climat sont : - le cœur du modèle, qui contient des équations mathématiques reposant sur les lois physiques et chimiques atmosphériques. Ces équations sont résolues grâce à des calculs sur des supercalculateurs (docs 1 et 2). - - Les paramètres d’entrée imposés par l’utilisateur et les variables de sortie calculée (doc.2). - Un MGC est de plus constitué de plusieurs sous-modèles (ses composantes) qui sont des modèles de l’atmosphère, des océans, des continents et des glaces (doc.3). 2. D’après le doc.5, les paramètres qui influencent directement la température de surface dans Simclimat sont les paramètres astronomiques, l’albédo, les teneurs en H2O et CO2 atmosphériques. La température de surface agit sur l’albédo en agissant sur les calottes glaciaires. Ainsi, une

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augmentation de température induit la fonte des glaces, ce qui entraîne une diminution de l’albédo. (Note : la boucle de rétroaction de l’albédo a été revue au chapitre 2).

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3. Tableau des résultats des simulations Valeurs en 2100 Température °C

Niveau de la mer par rapport à l’ère pré-industrielle (m)

Albédo (%)

Émissions nettes CO2 (GtC/an)

Concentration CO2 (ppm)

14,4

-0,20

33

0

280

Simulations Monde en 1750

Monde en 2007

16,60

0,53

32,98

1,97

Latitude d’extension maximale de la calotte de l’hémisphère Nord (°)

Boucles de rétroaction et paramètres affectés

60

(Référence pour les comparaisons)

60,08

T surface CO2 et H2O atmosphérique Albédo Puits de CO2 (végétalisation/océan) Niveau de la mer Latitude des calottes T surface CO2 et H2O atmosphérique Latitude des calottes Sources anthropiques de CO2 Albédo Puits de CO2 (végétalisation/océan) H2O atmosphérique Niveau de la mer T surface CO2 atmosphérique Sources anthropiques de CO2 Albédo Puits de CO2 (végétalisation/océan) H2O atmosphérique Niveau de la mer T surface CO2 atmosphérique Sources anthropiques de CO2 Albédo Puits de CO2 (végétalisation) T surface Albédo Latitude des calottes

590,30

60,07 Monde en 2007 sans émissions de CO2 anthropiques en plus

15,78

0,43

32,98

0,06

410,51

60,09 Monde en 2007 doublement émissions CO2

17,27

0,62

32.98

4,00

778,62

60,09 Monde en 2007, sans effet océanique Monde en 2007 Albédo 30 % (diminution des glaces)

16,90

0,57

32,98

2,77

669,23

60,19 21,38

1,23

30

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2,18

614,03

40

Monde en 2007 Albédo 30 % émissions doublées Monde en 2007 Albédo 25 % (plus de glaces continentales)

22,13

29,46

1,32

2,38

30

25

4,43

2,54

60,20

T surface CO2 atmosphérique Sources anthropiques de CO2 Albédo Latitude des calottes

60,35

T surface Albédo Latitude des calottes

803,90

623,65

Cette activité peut être complétée par un exemple de boucle de rétroaction impliquée dans chaque simulation. L’idée est de faire réaliser aux élèves que la modification d’un paramètre comme la teneur en CO2 atmosphérique ou l’albédo se répercute sur un grand nombre de paramètres par le jeu des boucles de rétroactions. Au final, tous les paramètres sont affectés, d’où la complexité de la modélisation du système climatique.

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Esprit critique : Pistes d’exploitation -

Les différents modèles climatiques : Ce questionnement permet de faire une transition avec le doc.3 p.68 de l’unité 3. C’est une réflexion sur les modèles climatiques et plus généralement sur les modèles en sciences. C’est ainsi l’occasion de faire réfléchir les élèves à la notion d’incertitude et la comparaison de résultats entre des modèles différents (doc.5 p.68).

-

L’idée de la simplification dans Simclimat permet de faire une transition avec l’unité 2 qui présente les modèles climatiques utilisés par les climatologues, plus complexes (notion de maillage introduite dans le doc.2 p.64, de résolutions spatiale et temporelle). Nous pouvons dès à présent faire prendre conscience aux élèves que modèle scientifique = simplifications et donc incertitudes. Cette idée est développée dans l’unité 3 p.68-69, qui peut servir de base à la réflexion des élèves.

Unité 2 Choix pédagogiques Si l’unité 1 présente l’architecture commune à tous les modèles climatiques, l’unité 2 présente plus en détails les modèles utilisés par les climatologues. Les docs 1 et 2 présentent la notion de maillage, de résolutions temporelle et spatiale d’un modèle climatique. Le doc.2 explique que la modélisation du climat est limitée par la puissance de calcul dont les chercheurs disposent (notion de supercalculateur). Les docs 3 et 4 proposent d’utiliser le logiciel de simulation en ligne Build Your Own Earth (BYOE). À la différence de Simclimat, BYOE présente les résultats enregistrés d’un modèle global de simulation climatique (Fast Ocean Atmospher Model: FOAM). Cette activité est donc complémentaire avec l’activité Simclimat de l’unité 1. Elle permet d’aller plus loin en introduisant la notion de résolutions temporelle et spatiale. Elle est aussi l’occasion de faire réfléchir les élèves sur la différence entre les deux logiciels de simulation pédagogiques utilisés : Simclimat et BYOE. Les docs 5 et 6 présentent les méthodes utilisées pour évaluer la fiabilité des modèles climatiques. Les climatologues confrontent les résultats de leurs modèles avec des données actuelles (données satellites) ou de climats du passé. La notion d’indicateur de climat du passé a été étudiée dans le chapitre 2 et peur être remobilisée ici (indices laissés par les glaciers, pollens…). Remarques : • •

Dans BYOE, il y a une erreur de désignation du scénario du GIEC qui devrait être noté A1FI et non A1F1. Caractéristiques de FOAM (modèle sur lequel s’appuie BYOE) :

https://www.mcs.anl.gov/research/projects/foam/foam_component_models.html

Exploiter les documents : Correction 1. Le maillage permet de calculer les variables de sortie du modèle sur une petite zone de l’atmosphère ou de la surface du globe terrestre. Cela permet de gagner en précision dans la

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modélisation (doc.1). La taille des mailles (résolution spatiale) et la durée entre deux calculs au sein d’une maille (résolution temporelle) sont cependant limitées par la puissance de calcul à disposition des climatologues (doc.2). 2. BYOE montre les résultats pré-enregistrés d’un modèle global de climat, le modèle FOAM (doc.3). On ne dispose pas en classe de la puissance de calcul nécessaire pour faire tourner un « vrai » modèle climatique (doc.2). 3. On a 48 mailles en longitude donc chaque maille mesure

360 48

= 7,5° de longitude.

Au niveau de l’équateur, le périmètre de la Terre est 2πRT (avec RT le rayon de la Terre, soit environ 40 000km, voir aide p.62). La taille d’une maille en longitude à l’équateur vaut donc On a 40 mailles en latitude donc chaque maille mesure

180 40

40 000 48

= 833 km.

= 4,5° de latitude.

Chaque moitié de méridien (20 000 km) est donc divisé en 40 mailles, ce qui donne

20 000 = 40

500 km de

longueur en latitude. 4. Analyse des résultats des cartes : On observe un réchauffement global entre septembre 2015 et septembre 2100 dans le scénario qui prévoit un accroissement de l’utilisation de combustibles fossiles par les hommes. Les isothermes des températures froides sont repoussées davantage dans les hautes latitudes (vers les pôles) en 2100 comparé à 2015. Si on prend l’exemple de l’Afrique : on observe une augmentation de température globale sur ce continent. La température moyenne en Afrique du Nord et Afrique Saharienne sera supérieure à 30 °C en 2100. La zone de températures supérieures à 30 °couvre toute la moitié Nord de l’Afrique en 2100 et s’étend donc davantage par rapport à 2015. Dans la moitié Sud de l’Afrique, les isothermes de 10 et 20 °C sont repoussées vers le sud entre 2015 et 2100. Si l’augmentation de température est globale, il est intéressant de noter qu’elle ne touchera pas tous les continents de façon homogène. En cliquant sur la vue de la calotte polaire au pôle Nord, on remarque une diminution importante (plus de 50 %) de la surface de la banquise qui s’étend uniquement vers les plus hautes latitudes proches du pôle Nord en 2100.

Esprit critique : Correction Les climatologues évaluent la fiabilité de leurs modèles en les confrontant à des données climatiques actuelles (exemple : données satellites) (doc.5) et en simulant des climats des passés plus ou moins proches (doc.6). Ils comparent alors les résultats des simulations avec des indicateurs climatiques passés comme les indices laissés par les glaciers dans les paysages (moraines, stries…) ou les pollens (voir chapitre 2).

Unité 3 « Esprit Critique » Choix pédagogiques Cette unité permet de faire réfléchir les élèves sur la notion de modèles climatiques et plus généralement, sur la notion de modèle en sciences. Cette unité esprit critique est associée à des questionnements « Esprit critique » de différents chapitres.

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Les docs 1 et 2 permettent de définir ce qu’est un modèle en sciences. Ces premiers documents introduisent l’idée que, qui dit modèle, dit simplification obligatoire. De cela, découle la notion d’incertitudes forcément associée à toute modélisation. Le doc.3 est une interview de la climatologue Camille Risi qui intervient plusieurs fois dans ce chapitre. Elle explique qu’une des incertitudes au cœur des modèles climatiques est la paramétrisation physique, c’est-à-dire la représentation de phénomènes physiques complexes dont l’échelle est inférieure à la taille d’une maille. C’est le cas par exemple de la représentation des nuages, forte source d’incertitude entre les modèles. La version longue de l’interview associée à des pistes d’exploitation est aussi une ressource à disposition des enseignants et des élèves. Le doc.4 montre alors que les incertitudes en sciences ne sont pas un tabou. Les scientifiques doivent être transparents sur les incertitudes, les points faibles et les points forts de leurs modèles. Ce document insiste aussi sur l’idée que la science ne se construit pas malgré des incertitudes mais avec des incertitudes. En effet, sans marge d’erreur, comment comparer deux résultats ? Le lien numérique associé permet de développer davantage cette idée. Enfin, le doc.5 présente les acteurs mondiaux du climat et comment ils prennent en compte la variabilité des modèles climatiques. Les projets CMIP permettent la comparaison de modèles. De cette synthèse sont issus les rapports du GIEC qui sont communiqués aux gouvernements.

Unité 4 Choix pédagogiques Cette unité présente les émissions de GES par les activités humaines et la façon dont ces émissions sont prises en compte dans les modèles climatiques étudiés dans les unités précédentes. Cette unité est l’occasion de faire comprendre aux élèves que le transport et l’énergie ne sont pas les seules activités émettrices de GES. Ainsi l’élimination des déchets (décharges), la fabrication de ciment et l’agriculture, activités liées à l’accroissement de la population mondiale, sont très émettrices de GES. Les docs 1 et 2 montrent la proportion des GES émis par les humains dans l’atmosphère et leur origine par activité. Ainsi, la fabrication du ciment est par exemple une activité anthropique qui produit énormément de CO2, que ce soit lors de la décarbonatation du calcaire ou lors de l’utilisation de combustibles fossiles pour chauffer le mélange argile-calcaire. Par ailleurs, la libération du méthane par la fermentation des ordures peut permettre d’ouvrir une discussion sur la façon de valoriser ce méthane comme source d’énergie. C’est ainsi l’occasion de faire un lien avec le programme de SVT spé. Après avoir remarqué que le CO2 est le principal GES émis par les humains (doc.1), les graphiques du doc.3 permettent de comprendre qu’il n’est pas suffisant de raisonner seulement sur les teneurs atmosphériques des GES. Pour comparer des GES, il faut prendre en compte leur PRG (pouvoir de réchauffement global), qui représente le forçage radiatif induit par chaque GES, rapporté au forçage radiatif induit par le CO2. Enfin le doc.4 montre les prédictions issues des modèles comparés dans le CMIP5. Le but est de montrer aux élèves la corrélation entre les données d’observations de la NOAA et les prédictions des modèles qui incluent les émissions de GES d’origine anthropique. Ce graphe fait le lien avec l’unité 5 « Esprit critique » qui explique comment cette corrélation associée à une bonne compréhension des

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mécanismes physiques en jeu et plusieurs décennies de recherche en climatologie permet aux scientifiques de conclure à la responsabilité humaine dans le réchauffement climatique actuel.

Exploiter les documents : Correction 1.

En allant sur le site de la NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration, USA ; https://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/monthly.html) il est possible d’obtenir les données actualisées des taux de GES. • CO2 : 417,06 ppm mesurés le 20 mai 2020 ; • CH4 : 1873,5 ppb mesurés en janvier 2020 ; • N2O : 332,5 ppb, mesurés en janvier 2020.

Note : ppm : parties par million ; ppb : parties par milliard. 2. Principales sources d’émissions de ces trois gaz : • CO2 : Secteur de l’énergie, des processus industriels et transport ; • CH4 : production agricole, extraction d’énergie et élimination des déchets. ; • N2O : exploitation/production agricole et processus industriels. Vitesses d’accumulation moyenne dans l’atmosphère : • • • 3.

CO2 : 1666 ppb · an-1 ; CH4 : 7.61ppb · an-1 ; N2O : 0.77 ppb · an-1.

Même si le CO2 est émis en grande quantité, son pouvoir réchauffant est plus faible que celui du CH4 ou celui du N2O. Si on diminue le taux de CO2, on aura une diminution du réchauffement mais les autres gaz ont des effets sur l’effet de serre à plus long terme : il faut aussi les éliminer pour faire baisser la température.

Esprit critique : Pistes d’exploitation L’idée de ce questionnement « Esprit critique » est de faire réfléchir les élèves sur la notion de corrélation et causalité en sciences. Ici, les élèves peuvent conclure que le graphe leur montre une corrélation entre les données d’observation de température et les résultats des modèles incluant les forçages anthropiques. Ce qui permet de passer à une relation de causalité, c’est-à-dire conclure que les activités humaines sont la cause du réchauffement observé, ce sont les décennies de recherche en climatologie et la bonne compréhension des mécanismes physiques en jeu par les scientifiques. L’idée qu’on passe d’une corrélation à une causalité grâce aux théories scientifiques explicatives est développée dans les docs 3 et 4 de l’unité 5 « Esprit critique ».

Ressource pour une activité numérique complémentaire Proposition d’activité numérique : Étudier à l’aide d’un tableur l’évolution de la température en fonction des différents forçages anthropiques ou naturels. Fichier à télécharger : http://eduterre.ens-lyon.fr/thematiques/climat/climats-de-la-terre/rcp.xls Buts de l’activité :

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• •

Réalisation d’un graphique à partir des données du tableau (compétence PIX). Étude du graphique : le forçage radiatif n'atteint pas son maximum en 2100 pour les scénarios RCP 8,5 et RCP 6,0. Pour RCP 4,5 la tendance se stabilise vers 2100 et RCP 2,6 atteint un maximum puis décline. L’activité numérique permet de comparer la part des différents forçages dans l’accroissement du taux de CO2.

Unité 5 « Esprit critique » Cette unité a pour but de répondre aux objectifs généraux du programme et de développer l’esprit critique des élèves. Le climatoscepticisme, souvent au cœur de l’actualité, s’inscrit tout à fait dans le thème « Science, climat et société ». Il procure une occasion de faire le lien avec l’actualité tout en présentant les différences entre controverses scientifique et publique, et entre savoirs scientifiques et idéologies. Les docs 1 et 2 permettent de définir le climatoscepticisme et présentent des exemples d’arguments climatosceptiques que les élèves peuvent trouver sur internet ou les réseaux sociaux. Ces documents ont un but introductif : d’abord définir le climatoscepticisme pour pouvoir en discuter ensuite. Les docs 3 et 4 reviennent sur le doc.4 p.71 et le questionnement « Esprit critique » de l’unité 4. Le but est de comprendre qu’en sciences, ce qui permet de passer d’une simple corrélation entre des observations à une causalité est une théorie scientifique explicative. Ce qui permet d’affirmer que l’humain est responsable du réchauffement climatique observé est la corrélation observée sur la courbe du doc.3 (haut) associée à plusieurs décennies de recherche en climatologie et une bonne compréhension des mécanismes physiques en jeu par les scientifiques. Sans ces explications scientifiques, on aurait une simple corrélation qui ne permettrait pas de conclure (comme la corrélation entre les divorces et la consommation de margarine de la courbe du bas du doc.3, qui semble être le fruit du hasard). Enfin, le doc.5 permet de replacer le climatoscepticisme dans un contexte sociétal et de comprendre que ce n’est en aucun cas une controverse scientifique, puisque la communauté des climatologues est unanime sur l’existence du réchauffement climatique et sur la responsabilité humaine engagée dans ce réchauffement. La controverse touche la sphère publique : c’est une discussion par le public de résultats scientifiques. Aux résultats scientifiques se mêlent des valeurs, des idéologies, des contraintes économiques, politiques et sociales.

Unité 6 L’unité 6 étudie les différents scénarios et leurs conséquences présentés dans le rapport du GIEC de 2019. La page de droite s’intéresse plus particulièrement aux conséquences du réchauffement climatique prédit sur les écosystèmes océaniques. Le doc.1 présente les paramètres des quatre scénarios présentés par le GIEC : RCP (Representative concentration pathway) 2,6 ; RCP 4,5 ; RCP 6,0 et RCP 8,5 avec leurs définitions. Le doc.2 résume les conséquences d’un réchauffement de 1,5 °C sur différents écosystèmes, en particulier les océans, et sur les événements météorologiques et climatiques.

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Le doc.3 est une expérience montrant l’effet d’une acidification de l’eau sur le calcaire. On part du constat qu’une dissolution de CO2 dans l’eau diminue le pH (explicité pour les élèves en légende du doc). On cherche à connaître l’effet de cette acidification sur le calcaire, élément important pour différents organismes marins. L’eau de chaux est ici utilisée pour avoir des particules de calcaire en suspension. On observe alors (par comparaison avec un contrôle) que l’ajout d’eau pétillante acide dissout le calcaire. Le doc.4 présente les conséquences prédites par les modélisations issues du rapport du GIEC sur quelques espèces et écosystèmes marins.

Exploiter les documents : correction En introduction, on donne la définition du mot GIEC et on explique que ce groupe intergouvernemental d’experts sur le climat travaille à partir de données scientifiques dont les éléments sont utilisés pour faire des modèles et des simulations de l’avenir. On évoque ensuite les scénarios extrêmes liés aux modèles de forçage radiatif RCP 2,6 et RCP 8,5, en montrant que, selon la politique choisie, le réchauffement va se stabiliser ou continuer d’augmenter. Les trois graphiques du doc.1 rappellent que les trois GES présentés ont un rôle clef dans le réchauffement et que le rejet de certain d’entre eux n’est pas facile à limiter. Par exemple, le scénario RCP 4,5 propose une diminution du CO2 liée à la fourniture d’énergie, le bâtiment et les transports et du CH4 lié à un meilleur traitement des déchets et une diminution de l’élevage de bovin. En revanche, il ne limite pas le rejet de N2O dont la production est fortement liée aux pratiques agricoles. (voir l’unité 4 pour les activités anthropiques responsables des émissions de chacun des principaux gaz à effet de serre). D’après le doc.1, un réchauffement de 1,5 °C correspond à la zone d’incertitude du scénario RCP 2,6, c’est-à-dire le scénario dans lequel les émissions de GES sont atténuées. Les conséquences d’un réchauffement de 1,5 °C touchent l’ensemble des écosystèmes, notamment l’écosystème océanique. Elles touchent également les événements météorologiques en modifiant le régime des pluies et en favorisant les événements météorologiques extrêmes comme les cyclones ou les périodes de canicules (doc.2). Les récifs de coraux sont fortement touchés par l’élévation de la température mais aussi par l’acidification des océan (liée à la dissolution du CO2 dans l’eau). En effet, l’expérience du doc.3 montre qu’une eau acidifiée dissout le calcaire présent dans l’eau de chaux. Or, le calcaire est un élément du squelette externe des coraux, essentiel à leur survie. La destruction des récifs coralliens ne permet plus de protéger les côtes de plus en plus vulnérables à la montée du niveau de la mer et aux tempêtes. La mort de nombreuses espèces qui en résulte diminue la biodiversité, et donc les ressources nutritives et touristiques pour les peuples dépendant de ces écosystèmes (doc.4).

Ressources pour des activités numériques complémentaires Suggestions d’activités numériques associées aux documents de l’unité. Proposition d’activité numérique associée au doc.2 : je compare les autres conséquences de l’accroissement du forçage radiatif avec le logiciel Build your own eath. Lien vers le logiciel : http://www.buildyourownearth.com/index.html

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Proposition d’activité numérique associée aux docs 3 et 4 : les constructions calcaires récifales des îles françaises vont-ils se dissoudre ? • Fichier kml à télécharger : http://eduterre.ens-lyon.fr/thematiques/climat/climats-de-laterre/climats-du-globe.kmz • Fichier tutoriel d’utilisation de Google earth http://eduterre.enslyon.fr/formations/visualiseurs-en-ligne-1/google_earth/fiche-gge7.pdf Remarque : On peut aussi imaginer une expérience en classe. Par exemple, un dosage colorimétrique qui montre la diminution du pH quand le taux de CO2 augmente, ou un montage Exao sur le même principe (sondes pH et un système de bullage de CO2).

Ressources complémentaires pour les unités du chapitre 3 https://www.canalu.tv/video/ipsl/la_modelisation_numerique_globale_de_l_atmosphere_camille_risi.46559 https://www.ipcc.ch/report/emissions-scenarios/ : rapport spécial du GIEC sur les scénarios d’émissions de GES https://www.lemonde.fr/passeurdesciences/article/2013/06/02/la-prevision-du-climat-est-ellefiable_5998902_5470970.html : entretien avec Sandrine Bony, directrice de recherches au CNRS et spécialiste de la modélisation des climats. http://www.lmd.jussieu.fr/~hourdin/PUBLIS/Tuning2016.pdf

Corrigés des exercices Mémoriser son cours 1. Un modèle climatique numérique est un modèle numérique simulant des paramètres climatiques. Il est composé d’une combinaison de modèles de l’atmosphère, des océans, des surfaces continentales et des glaces de mer. 2. Les mailles permettent une modélisation plus fine de l’atmosphère puisque les variables de sortie (vent, température, humidité…) sont calculées à l’intérieur de chaque maille. La taille des mailles est limitée par la puissance de calcul disponible. Les phénomènes physiques complexes dont l’échelle est inférieure à la taille de la maille (comme la formation des nuages) sont traités de manière statistique. Ces simplifications incontournables sont source de variabilité entre les modèles. 3. Pour tester la validité d’un modèle, les chercheurs confrontent ses variables de sortie à des observations météorologiques actuelles, comme par exemple des données satellites. Des simulations de climats passés sont également comparées à des archives paléoclimatiques. 4. Depuis 150 ans, début de la période industrielle, les gaz à effet de serre, majoritairement le dioxyde de carbone (CO2), le méthane (CH4) et le protoxyde d’azote (N2O), sont rejetés en masse par les activités humaines. La source principale d’émission du CO2 est le fonctionnement des centrales énergétiques. Les sources principales d’émissions de N2O et CH4 sont les activités agricoles (élevage, exploitation des terres après combustion de la biomasse par exemple).

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5. La communauté des climatologues conclut à la responsabilité humaine dans le réchauffement climatique actuel. Il n’y a donc pas de controverse scientifique. La controverse sur le réchauffement climatique est une controverse publique, car le réchauffement climatique affecte toutes nos sociétés. C’est une discussion par le public de résultats scientifiques. Les faits scientifiques se mêlent à des valeurs, des contraintes économiques, sociologiques, politiques et culturelles, ce qui les rend difficiles à distinguer. 6. Les modèles prédisent deux conséquences majeures du réchauffement climatique actuel sur les océans : - La montée du niveau océanique, principalement due à la fonte des glaciers continentaux et à la dilatation thermique (voir chapitre 2) - L’acidification des océans. Le CO2 se dissout d’autant plus facilement dans l’eau que celle-ci est chaude. L’augmentation de température des océans s’accompagne d’une plus grande dissolution du CO2 qui entraîne une diminution de pH. Cette acidification a de grandes conséquences sur les organismes marins, comme par exemple les coraux.

Pour s’échauffer 1. QCM 1. a. Faux, bien que certaines lois de la physique soient utilisées à la fois dans les modèles météorologiques et climatiques, ces modèles sont très différents. b. Vrai. c. Vrai. d. Faux, la résolution spatiale est généralement de l’ordre de la centaine de km.

2. a. Vrai. b. Faux, les modélisations climatiques sont limitées par la puissance de calcul des ordinateurs. c. Faux. d. Vrai. 3. a. Faux, l’océan est un réservoir important de CO2 dissous. b. Faux, le CO2 n’est pas sous forme de bulles de gaz, il est dissous dans l’eau de mer. c. Vrai, pour rappel, une diminution de pH correspond à une augmentation d’acidité. d. Faux. 4. a. Faux.

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b. Faux. c. Vrai, les méridiens divisent la Terre en 360° (longitude) et les parallèles divisent chaque moitié de Terre en 180° (latitude). d. Faux. 5. a. Faux, la fabrication de ciments produit du CO2. b. Faux, les véhicules comme les voitures thermiques émettent surtout CO2 et N2O. c. Vrai, il y a aussi les activités agricoles qui rejettent du méthane. d. Faux, ils émettent surtout CO2 et N2O. 6. a. Faux. b. Vrai, leur traitement est statistique, ce qui conduit à des approximations. c. Vrai. d. Vrai, ces approximations sont une des sources de variabilité entre les modèles. 7. a. Faux, pas uniquement. b. Faux, ce serait contraire à la démarche scientifique ! c. Vrai, on confronte les résultats du modèle à des données issues de climats du passé. d. Vrai, on confronte les résultats du modèle à des mesures climatiques actuelles. 8. a. Faux. b. Faux, quand la concentration de H+ augmente, le pH diminue. c. Vrai. d. Faux, c’est la cause de la diminution du pH. 9. a. Faux. b. Vrai, la production agricole émet principalement N2O et CH4. c. Faux. d. Faux. 10. a. Vrai.

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b. Faux, on observe une élévation du niveau océanique suite au réchauffement climatique. c. Faux, car le CO2 est un réactif de la photosynthèse. Une augmentation de CO2 tend donc à favoriser la photosynthèse. d. Faux, les modèles s’accordent à prédire une augmentation de la fréquence des événements météorologiques extrêmes, comme les cyclones.

2. Vrai/Faux 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Vrai Faux, les résultats des modèles sont aussi comparés à des indicateurs de climats du passé. Faux, c’est la résolution spatiale d’un modèle qui est définie par la largeur des mailles. Faux, la production de ciment par exemple (exploitation de ressources carbonatées) est aussi émettrice de CO2. Faux, elle a augmenté d’environ 1 °C. Vrai, Bien qu’émis en très petite quantité, ils ont une longue espérance de vie dans l’atmosphère. Vrai, cette augmentation est liée à la fonte des galces continentales et à la dilatation thermique des océans. Faux, c’est la diminution de pH qui induit la dissolution du calcaire dans l’eau.

3. Questions à réponses courtes 1. Les GES induisent un forçage radiatif positif 2. Il repose sur des équations mathématiques établies grâce aux lois de la physique et chimie atmosphériques. 3. C’est la période de temps qui sépare deux calculs du modèle. Son ordre de grandeur est la minute. 4. C’est la taille des mailles du modèle. Elle est généralement de l’ordre de 100 km dans les modèles actuels. 5. La montée du niveau des océans et l’acidification des océans. 6. C’est le GIEC : groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat.

4. Retrouvez la question 1. Comment les scientifiques évaluent-ils la fiabilité d’un modèle climatique ? 2. Sur quoi repose le cœur d’un modèle global du climat ? 3. Quelles sont les conséquences des prédictions des modèles sur le régime des pluies et sur les océans pour la fin du siècle ? 4. Depuis combien de temps observe-t-on le réchauffement climatique vécu actuellement ? 5. Quels sont les trois principaux gaz à effet de serre ? 6. Par quoi sont limitées la résolution spatiale et la résolution temporelle d’un modèle numérique du climat ?

5. Les variables de Simclimat 1. D’un côté, une augmentation de température entraîne davantage d’évaporation et donc augmente la concentration en H2O atmosphérique. De l’autre côté, H2O étant un gaz à effet de serre, sa concentration atmosphérique a un impact sur la température terrestre. 2. Une augmentation de la latitude des calottes signifie que les calottes rétrécissent puisqu’on ne les trouve plus dans les latitudes basses. Ce phénomène s’accompagne alors d’une diminution de

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l’albédo, ce qui entraîne une augmentation de la température terrestre (boucle de rétroaction positive de l’albédo vue dans le chapitre 2). 3. Tous les paramètres en bleu sur le schéma sauf « Émission GES humaine » sont impliqués dans le forçage radiatif naturel. 4. La végétation et les océans ont un rôle de puits de CO2, c’est-à-dire qu’ils contribuent à diminuer la concentration en CO2 atmosphérique.

6. Maillage d’un modèle climatique 1. 60 × 62 × 32 = 119 040 mailles à la surface de la Terre. 2. On a 62 mailles en longitude donc chaque maille mesure

360 62

= 5,8° de longitude.

Au niveau de l’équateur, le périmètre de la Terre est 2πRT (avec RT le rayon de la Terre, soit environ 40 000km, voir aide p.62). La taille d’une maille en longitude à l’équateur vaut donc On a 60 mailles en latitude donc chaque maille mesure

180 60

40 000 = 645 62

km.

= 3,0° de latitude.

Chaque moitié de méridien (20 000 km) est donc divisé en 60 mailles, ce qui donne

20 000 = 60

333 km

de longueur en latitude.

7. Une simulation numérique 1. On observe une augmentation de température globale en Afrique. La température moyenne en Afrique du Nord et Afrique Saharienne sera supérieure à 30 °C en 2100. La zone de températures supérieures à 30 °couvre toute la moitié Nord de l’Afrique en 2100 et s’étend donc davantage par rapport à 2015. Dans la moitié Sud de l’Afrique, les isothermes de 10 et 20 °C sont repoussées vers le Sud de l’Afrique entre 2015 et 2100. 2. Avec l’augmentation de température, on peut imaginer encore plus de sécheresse dans des régions déjà arides proches du Sahara (donc une modification du régime des pluies). On peut imaginer plus d’incendies également, corrélés souvent aux vagues de chaleur et de sécheresse. On peut enfin imaginer davantage d’événements météorologiques extrêmes (tornades, orages violents etc.).

8. Corrélation et causalité 1. En l’absence de données supplémentaire, ces deux graphiques représentent une corrélation entre l’anomalie de température moyenne et le PIB mondial. 2. Une théorie scientifique permet de passer d’une corrélation à une causalité. Pour expliquer la corrélation observée, on peut avancer l’hypothèse suivante : une augmentation de PIB mondiale montre un développement économique dans de nombreux pays, ce qui est synonyme de davantage d’émissions de GES par les activités humaines (constructions en béton, davantage de transports, besoins énergiques accrus…). Les GES étant responsables d’un forçage radiatif positif, une augmentation de GES associée à une augmentation du PIB mondial peut expliquer l’augmentation de température observée.

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Méthode : Exercices d’application 10. Des modèles pour anticiper les effets sur les agrosystèmes continentaux Les risques seraient élevés pour l’agriculture à cause de la pénurie d’eau, de la perte de végétation et les dommages liés aux incendies. L’érosion des sols n’est que modérément impactée. En ce qui concerne la santé humaine, les principales conséquences sont liées à la pénurie alimentaire et hydrique ainsi qu’aux risques liés aux incendies.

11. Impact du réchauffement climatique sur des organismes marins Un réchauffement global de 3 °C n’a aucun effet notable sur les écosystèmes abyssaux (remarque : ceci est en parti lié à la lenteur de la circulation des eaux profondes qui ne permet pas d’observer d’effets notables aux échelles de temps considérées dans ces modèles). En ce qui concerne les écosystèmes photosynthétiques, les espèces (algues flottantes, herbiers, plancton) ont un risque de souffrir fortement, ce qui peut entrainer une diminution de la photosynthèse. Il en résultera alors une diminution du piégeage du CO2 et donc une amplification de l’effet de serre.

Tester ses compétences 12. Puissance de calculs 1.

5,119 pétaFLOPS = 5,119 × 1015 FLOPS = 5,119 × 106 gigaFLOPS

2.

Entre 1992 et 2016 (soit 24 ans) la vitesse est passée de 2 gigaFLOPS à 5,119 pétaFLOPS soit un facteur 2 600 000 environ pour cette période. Cela signifie que la vitesse des ordinateur utilisés dans les centres de simulation numérique du climat a augmenté d’un facteur 110 000 par an !

3.

Comme les méridiens divisent la Terre en 360°, à l’équateur, une maille de 7,5° de longitude a pour longueur :

40 000×7,5 360

= 833 km (cette longueur diminue lorsqu’on s’éloigne de l’équateur et

que la latitude augmente). On a de plus

360 7,5

= 48 mailles pour une latitude donnée.

Comme les parallèles divisent chaque moitié de Terre (soit 20 000 km) en 180°, une maille de 4,5° de latitude à pour longueur On a de plus

180 4,5

20 000 × 4,5 = 180

500 km.

= 40 maille pour une longitude donnée.

On obtient ainsi un total de 48 × 40 = 1 920 mailles au sol. 4. 1 920 mailles x 18 couches x 20 variables x 480 ans x 365,5 jours x 24 h x 3 blocs de 20 min = 8,731 × 1012 opérations. Pour 24h de calcul cela revient à : 1,01x108 opérations/seconde. Remarque : On peut noter que ces calculs sont uniquement pour un modèle atmosphérique. Il n’y a pas le système océan, ni les interactions avec le continent, et le nombre de variables n’est pas exact. 5. Pour une minute de calcul, on a

8,731 × 1012 60

= 1,46 × 1011 opérations/seconde.

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Il faut donc une vitesse de calcul minimale de 146 gigaFLOPS. D’après le graphique du doc.1, le premier supercalculateur capable de faire ce calcul est le FUJITSU VPP 5000-31 mis en service en 2001 (sa vitesse de calcul est de 297 gigaFLOPS).

13. Exploitation de Simclimat • Le monde en 2007 en rouge. • Le monde en 1750 en vert foncé (se référer aux graphes des températures, des émissions de CO2 (courbe à 0) et du niveau de la mer). • Le monde en 2007 avec émissions de CO2 stoppées en bleu (se référer au graphe des émissions de CO2 : la courbe bleue est à 0). • Le monde en 2007 avec albédo de 25% (plus de banquise) en vert clair (se référer au graphe de l’albédo).

14. Biomasse et climat 1. Vitesse d’évolution de la biomasse de 2000 à 2050 : • RCP 8,5 = – 5/50 = – 0.1% · an-1 • RCP 2,6 = – 2.5/50 = – 0.05% · an-1 Vitesse d’évolution de la biomasse de 2050 à 2100 : • •

Évolution constante pour RCP 2,6 RCP 8,5 = – 7/50= – 0.14% · an-1

2. Zones à changement positif : Océan arctique, Mer noire, Nord de l’océan antarctique, Côte chilienne, Nord du Pacifique (zone Alaska/Aléoutiennes). Zones à changement négatif : Atlantique Nord et toutes les zones intratropicales. Zones non impactées : Côte Ouest de l’Amérique du Nord et du Pérou.

3. Quels que soient les scénarios, les ressources halieutiques métropolitaines de l’Atlantique et de la Mer méditerranée, de Saint Pierre et Miquelon dans l’Atlantique nord, de l’Atlantique central (Guyane), de l’Océan Indien (pour la Réunion et Mayotte) et du Pacifique (Polynésie Nouvelle Calédonie) vont être fortement perturbées. En revanche les Antilles (Guadeloupe, Martinique, Saint Martin, St Barthélémy) semblent pouvoir perdurer.

15. Agriculture et effet de serre 1. Contribution de chaque secteur à la production de GES (%) : % en 1960 Culture sur sol organique Feux de savanes Feux de résidus

0,05 × 100/2,8 = 1,78

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% en 2015 0,1 × 100/5,3 = 1,88 0,3× 100/5,3 = 5,66 0,05 × 100/5,3 = 0,94

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Résidus de récolte Riziculture Engrais synthétique Gestion du fumier Fumier épandu Fumier des pâturages Fermentation par les ruminants

0,1 × 100/2,8 = 3,57 0,4 × 100/2,8 = 14,28 0,05 × 100/2,8 = 1,78 0,1 × 100/2,8 = 3,57 0,1 × 100/2,8 = 3,57 0,5 × 100/2,8 = 17,85 1,4 × 100/2,8 = 50

0,2 × 100/5,3 = 3,77 0,4 × 100/5,3 = 7,54 0,7 × 100/5,3 = 13,20 0,2 × 100/5,3 = 3,77 0,15 × 100/5,3 = 2,83 0,9 × 100/5,3 = 16,98 2 × 100/5,3 = 37,73

2. Alors que la plupart de l’émission des divers pratiques agricoles a chuté, la part des émissions par ajout d’engrais de synthèse a fortement augmenté (× 7,4).

Objectif BAC 16. L’évolution future des événements météorologiques extrêmes 1. Le doc.1 présente la courbe des probabilités d’événements météorologiques extrêmes en fonction de la température. D’après la courbe, une augmentation de la température moyenne entraîne une diminution de la probabilité de périodes de temps froids (aire bleue sous la courbe), mais augmente la probabilité de périodes de temps plus chauds et de périodes de canicules (aires orange et rouge sous la courbe, respectivement). 2. Chaque prédiction d’un modèle climatique s’accompagne d’un niveau de confiance. D’après le doc.2, les modèles climatiques prédisent un impact du réchauffement sur les périodes de canicules et les vagues de froid avec un niveau de confiance élevé. D’après mes connaissances et le doc.2, ce niveau de confiance provient de la bonne compréhension des mécanismes en jeu et de la fiabilité des modèles qui sont confrontés à des données actuelles ou passées. 3. Le doc.3 montre une augmentation globale du nombre d’événements météorologiques extrêmes aux États-Unis entre 1960 et 2015. SI des variations annuelles fortes sont observées, on observe tout de même que trois pourcentages supérieurs à 40 % sont obtenus à partir de 1998. Pour comparaison, le maximum atteint entre 1960 et 1980 était proche de 25 %. Les périodes de canicule étant des événements météorologiques extrêmes, ces données vont dans le sens de prédiction des modèles. Pour pouvoir conclure, il faudrait cependant des données statistiques sur les périodes de canicule uniquement, car le graphe du doc.3 prend également en compte d’autres événements météorologiques (on peut imaginer : des tornades, des incendies dus à la sécheresse, des précipitations extrêmes…). Focus Méthode élèves Pour exploiter le doc.3 dans lequel on note de fortes variabilités entre les années, on cherche à dégager une tendance générale (augmentation ou diminution) au cours du temps. On sélectionne des périodes de temps qui nous semblent pertinentes pour lesquels des pourcentages maximums sont atteints. Il faut bien penser à quantifier les observations lors de la réponse à l’écrit.

17. Quel futur pour les écosystèmes récifaux ? 1. Les différentes activités humaines (agriculture, chauffage, transport, production de déchets, cimenterie…) libèrent différents GES (CO2, CH4, N2O et gaz fluorés), qui s’accumulent dans

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l’atmosphère. Ces gaz retiennent dans l’atmosphère les infra-rouges émis par le sol chauffé et contribuent ainsi à l’effet de serre naturel qui réchauffe la Terre. L’accroissement de la concentration en GES atmosphérique est responsable de l’élévation des températures. 2. Les récifs coralliens se localisent majoritairement le long des côtes ou des archipels des eaux intertropicales (doc.1). Très abondants dans l’Océan Indien, les Antilles et le Pacifique, ils sont localisés dans des régions où la température des eaux (doc.2) a déjà augmenté de 1 à 2 °C. Ce réchauffement concerne aussi les récifs des eaux des hautes latitudes. 3. Le doc. 4 montre que les coraux constructeurs de récifs ne réagissent pas tous de la même manière à l’élévation de la température des eaux. Certaines formes (Platygyra ) sont « tolérantes au stress », c’est-à-dire peu sensibles aux changement de leur environnement et adaptables (probablement en raison de leur croissance lente et leur forme plus simple). Ces formes colonisent les espaces laissés libres par les formes sensibles (Echinopora) qui, elles, sont en cours de disparition. 4. D’après les docs 3 et 4 la colonisation du récif par des coraux en boule offre une moindre protection face aux vagues et aux effets des tempêtes. Les vagues atteignent donc plus facilement le rivage et peuvent induire des dégâts importants sur les infrastructures économiques littorales. Le fait que ces espèces aient une croissance lente ne permet pas non plus de faire croître le récif vers la surface de la mer qui s’élève graduellement à cause du réchauffement. Ces formes ont donc beaucoup moins d’effets protecteurs que les autres coraux.

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Chapitre 4 : Énergie, choix de développement et futur climatique Ce chapitre fait le lien entre le quotidien des élèves, leur consommation énergétique et les enjeux sociétaux qui y sont associés. Il clôt le premier thème du programme « Science, climat et société » et amorce une transition avec le thème suivant « Le futur des énergies ». Les deux premières unités décrivent l’état de la consommation énergétique, à toutes les échelles puis les sources d’énergie et leur répartition dans la production énergétique contemporaine. Les deux unités suivantes montrent les conséquences de l’utilisation des combustibles fossiles, en commençant par deux conséquences non climatiques : pollution atmosphérique et effets sur la santé humaine. Puis la quatrième unité explique la notion d’empreinte carbone, les analyses du cycle de vie et leurs applications au quotidien. Enfin, la dernière unité traite de la transition écologique en évoquant quelques pistes pour sa mise en œuvre.

Programme • Chapitre 4. Énergie, choix de développement et futur climatique

Savoirs

Savoir-faire

L’énergie utilisée dans le monde provient d’une diversité de ressources parmi lesquelles les combustibles fossiles dominent. > Unité 2 La consommation en est très inégalement répartie selon la richesse des pays et des individus. > Unité 1

Utiliser les différentes unités d’énergie employées (Tonne Équivalent Pétrole (TEP), kWh…) et les convertir en joules – les facteurs de conversion étant fournis. > Unité 1

La croissance de la consommation globale (doublement dans les 40 dernières années) est directement liée au modèle industriel de production et de consommation des sociétés. > Unité 1

Exploiter des données de production et d’utilisation d’énergie à différentes échelles

En moyenne mondiale, cette énergie est utilisée à parts comparables par le secteur industriel, les transports, le secteur de l’habitat et dans une moindre mesure par le secteur agricole. > Unité 1 Les énergies primaires sont disponibles sous forme de stocks (combustibles fossiles, uranium) et de flux (flux radiatif solaire, flux géothermique, puissance gravitationnelle à l’origine des marées). > Unité 1 La combustion de carburants fossiles et de biomasse libère du dioxyde de carbone et également des aérosols et d’autres substances (N2O, O3, suies, produits soufrés), qui affectent la qualité de l’air respiré et la santé. > Unité 3

(mondiale, nationale, individuelle…). > Unités 1 et 2 Comparer quelques ordres de grandeur d’énergie et de puissance : corps humain, objets du quotidien, centrale électrique, flux radiative solaire… > Unité 1 Calculer la masse de dioxyde de carbone produite par unité d’énergie dégagée pour différents combustibles (l’équation de réaction et l’énergie massique dégagée étant fournies). > Unité 1 À partir de documents épidémiologiques, identifier et expliquer les conséquences sur la santé de certains polluants atmosphériques, telles les particules fines résultant de combustions. > Unité 3

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L’empreinte carbone d’une activité ou d’une personne est la masse de CO2 produite directement ou indirectement par sa consommation d’énergie et/ou de matière première. > Unité 4

Comparer sur l’ensemble de leur cycle de vie les impacts d’objets industriels (par exemple, voiture à moteur électrique ou à essence). > Unité 4 À partir de documents, analyser l’empreinte carbone de différentes activités humaines et proposer des comportements pour la minimizer ou la compenser. > Unité 4

Les scénarios de transition écologique font différentes hypothèses sur la quantité de GES émise dans le futur. Ils évaluent les changements prévisibles, affectant les écosystèmes et les conditions de vie des êtres humains, principalement les plus fragiles. > Unité 5 Les projections fournies par les modèles permettent de définir les aléas et peuvent orienter les prises de décision. Les mesures d’adaptation découlent d’une analyse des risques et des options pour y faire face. > Unité 5

Analyser l’impact de l’augmentation du CO2 sur le développement de la végétation. > Unité 5 Analyser des extraits de documents du GIEC ou d’accords internationaux proposant différents scénarios. > Unité 5

Prérequis et limites Les notions de formes et de transfert d’énergie, ainsi que celle de puissance, déjà connues, sont mobilisées. La notion de risques naturels étudiée au collège et en classe de seconde (SVT) est convoquée.

Pour bien commencer 1. Le dioxyde de carbone est produit de la combustion des énergies fossiles (et de la matière organique en général) selon l’équation [matière organique, énergie fossile] + O2 → CO2 + H2O 2. Une énergie est considérée comme renouvelable, si sa source n’est pas épuisable aux échelles de temps humaines. Elle peut être produite durablement. Pour l’essentiel, les énergies renouvelables sont des formes de l’énergie solaire : hydroélectrique, éolien, photovoltaïque, biomasse. 3. Une empreinte carbone, ou bilan carbone, correspond à l’ensemble des émissions de gaz à effet de serre produite par une personne ou une activité sur une période donnée. L’ensemble de ces émissions est converti en équivalent CO2 ou équivalent carbone. Cette grandeur permet notamment de comparer les émissions de gaz à effet de serre entre les objets (de leur fabrication à leur destruction), entre les activités (de déplacement par exemple), ou entre les personnes selon leur mode de vie.

Unité 1 Choix pédagogiques L’unité 1 débute le chapitre sous l’angle de la consommation, observée à différentes échelles : échelle globale, pour quelque pays ciblés, par secteur d’utilisation. Le doc.1 présente la consommation d’énergie globale et par habitant, tandis que le doc.2 permet d’avoir une approche par pays pour la Chine, la France, les États-Unis et l’Inde. Sur les graphiques par pays, on indique sur la période considérée (1990-2015), les effectifs des populations nationales. Ceci permettra aux élèves de faire des comparaison de consommation d’énergie par habitant.

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Le doc.2 montre également, pour ces 4 mêmes pays, quelques caractéristiques socio-économiques liées au développement économique et indirectement corrélées à la consommation d’énergie : PIB total et par habitant, abonnement pour téléphone portable et immatriculation annuelle de voitures. Le doc.3 détaille la répartition par secteur d’utilisation de la consommation mondiale d’énergie. Les élèves doivent en retenir que les secteurs du transport, de l’industrie, du résidentiel et du tertiaire ont des contributions similaires. Notons que concernant l’agriculture, la consommation d’énergie ne reflète pas la contribution à l’émission de gaz à effet de serre. En effet, l’agriculture émet des gaz à effet de serre de sources non énergétiques : méthane de l’élevage et de rizières, dioxyde de carbone du changement d’affectation des sols et oxydes d’azote produit par les engrais de synthèse. Le doc.4 rappelle que le mode de vie contemporain ne peut pas être dissocié d’une consommation d’énergie minimale. Mais une part importante de la consommation d’énergie est également un luxe pour des biens et des services non essentiels. Le doc.5 présente l’unité « tonne équivalent pétrole », souvent utilisée pour traiter des valeurs énergétiques aux grands ordres de grandeur. Le doc.6 compare des activités disparates et leur consommation. Le choix a été fait de fixer la valeur énergétique à 1 MJ (comparable à un plat de pâtes) et de faire varier ensuite les grandeurs spécifiques des activités correspondantes. Cette approche facilite la comparaison.

Exploiter les documents : Correction 1.

Moyenne par habitant Total

1990 2016 1990 2016

Consommation mondiale d'énergie en tep en GJ en MWh 1 600 67 200 18 144 1 900 79 800 21 546 6 200 000 000 260 400 000 000 70 308 000 000 9 900 000 000 415 800 000 000 112 266 000 000

2.

Voiture particulière Chauffage

Gtep 1,63333333 1,05

GJ 68 600 000 000 44 100 000 000

3. D’après le doc.1, on constate que la consommation d’énergie mondiale a augmenté de façon régulière depuis 1990 d’environ 40 %. La consommation moyenne par habitant a quant à elle augmenté d’environ 25 %. La différence entre ces deux grandeurs est liée à l’accroissement de la population mondiale. D’après le doc.2, on constate en effet que des pays comme la Chine ou l’Inde ont connu une très forte expansion démographique. À l’échelle individuelle, des activités telles que les transports, le chauffage des habitations ou l’utilisation des technologies de l’information et la communication (ordinateurs et téléphones) contribue à la consommation d’énergie. 4. L’énergie pour suivre un cours, faire de la marche à pied ou du vélo est apportée par l’alimentation des personnes qui réalisent des activités. L’énergie pour le fonctionnement d’un réfrigérateur, d’un smartphone ou d’une ampoule est d’origine électrique (l’électricité pouvant être produite de

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différentes façons, par une centrale nucléaire, par une centrale thermique, par des éoliennes ou des panneaux photovoltaïques par exemple). Pour une petite voiture thermique, la source d’énergie utilisée est un carburant d’origine fossile.

Esprit critique : Pistes d’exploitation Le développement de l’usage des téléphones portables demande la production de ces objets et consomme de l’énergie électrique pour leur utilisation. En conséquence, ces nouveaux usages ont contribué à augmenter l’impact énergétique des sociétés. Considérés pour beaucoup comme indispensables, ces outils sont pourtant très récents dans l’histoire de l’humanité et peuvent difficilement être vu a priori comme des produits de première nécessité. Pourtant, les sociétés et les individus se sont organisés avec l’existence de ces outils et pourraient aujourd’hui difficilement s’en passer.

Unité 2 Choix pédagogiques Après la consommation dans l’unité 1, l’unité 2 s’intéresse à la production d’énergie et aux sources primaires. Elle compare aussi les émissions de dioxyde de carbone pour chaque pays et l’augmentation de ces émissions depuis 1990. Le doc.1 liste les sources d’énergie primaire en insistant sur le fait que plusieurs d’entre elles sont en fait des formes dérivées de l’énergie solaire. Par exemple, l’eau d’altitude (présentant ainsi une énergie potentielle gravitationnelle utilisable dans les barrages hydroélectriques) est une conséquence du cycle de l’eau dont le moteur est l’énergie solaire. Le déplacement des masses d’air à l’origine du vent (utilisé par l’énergie éolienne) est la conséquence de l’inégale répartition de l’énergie solaire à la surface de la terre. Dernier exemple, les combustibles fossiles sont le produit d’une activité photosynthétique passée et fossilisée dont l’origine est également de l’énergie solaire, certes ancienne. Le doc.2 montre l’évolution de la répartition de la production mondiale d’énergie par source d’énergie primaire, on constate que les variations touchent principalement une réduction d’environ 30 % du pétrole tandis que le nucléaire, le gaz et dans une moindre mesure les énergies renouvelables augmentent. Le doc.3 permet de visualiser des centrales de production électrique utilisant des sources d’énergie primaire différentes : hydroélectrique, éolien et nucléaire. Le doc.4, grâce à des cartes en anamorphose, montre la répartition très inégale des émissions de dioxyde de carbone et la contribution à l’augmentation de celle-ci depuis 1990. Les docs 5 et 6 s’intéressent à l’évolution de la puissance disponible pour la production d’électricité d’origine éolienne, photovoltaïque (doc.5) et nucléaire (doc.6). Le doc.7 compare différentes sources d’énergie. Le choix a été fait de prendre une quantité d’énergie identique (1 MJ) pour comparer plus facilement les grandeurs spécifiques à chaque source d’énergie.

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Exploiter les documents : Correction 1. Les combustibles fossiles et l’uranium sont des stocks, épuisables aux échelles de temps humaines. Les réservoirs d’eau et la biomasse sont également des stocks mais ils sont renouvelés suffisamment rapidement et peuvent être en première approche considérés comme des flux continus. L’énergie solaire utilisée directement par les panneaux photovoltaïques et l’énergie cinétique du vent ne sont pas stockables et sont uniquement des énergies de flux. 2. En 1971, la part des combustibles fossiles dans la production mondiale d’énergie est égale à : 16 + 25 + 46 soit 87 %. En 2017, elle est de 81 %. La réduction paraît relativement faible au regard de la période considérée. 3. Les sources d’énergie fossile produisent du dioxyde de carbone, un gaz à effet de serre ayant un impact sur le changement climatique. On constate sur le doc.5 que les centrales photovoltaïques et les parcs éoliens ont une puissance installée qui augmente très rapidement depuis 2000. Concernant l’installation des centrales nucléaires, après un pic relativement important, surtout porté par l’Europe et l’Amérique du Nord entre les années 1970 et 1990, et une période de moindre installation autour des années 2000, il y a à nouveau une recrudescence de construction de centrales depuis 2005 portée principalement par l’Asie. 4. Source d’énergie Panneaux solaires Pâtes cuites Pommes de terre Uranium Essence Charbon Vent à 36 km/h (éolienne de 2 MW)

Puissance 12,5 MJ · m-2 7 kJ · g-1 3,8 kJ · g-1 0,5 MJ · mg-1 34 kJ · mL-1 30 kJ · g-1 1,53 MJ · s-1

Esprit critique : Pistes d’exploitation Sur le doc.4 (a), on constate que l’émission de dioxyde de carbone à l’échelle mondiale est principalement portée par les pays de l’hémisphère nord, avec une contribution nationale importante des États-Unis, de la Chine, des États-Unis et de l’Inde. Sur le doc.4 (b), la principale augmentation depuis 1990 dans les émissions de dioxyde de carbone est due à la Chine, et dans une moindre mesure à l’Inde et aux pays du Moyen-Orient. Ces données peuvent être mises en relation avec l’accroissement des populations indienne et chinoise (doc.2 de l’unité 1 p.88), et cela ne signifie pas que l’émission par habitant soit plus élevée dans ces pays.

Unité 3 Choix pédagogiques L’unité 3 se focalise sur les conséquences sanitaires de l’utilisation des combustibles fossiles. Les conséquences pour le changement climatique étant abordées dans les chapitres précédents. Le doc.1 fournit une liste des polluants émis par la combustion des combustibles fossiles et indique leur origine et leur effet potentiel sur la santé.

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Le doc.2 montre, à l’aide de cartes, l’inégale répartition des expositions au dioxyde d’azote dans la région Île-de-France et les agglomérations de Lyon Villeurbanne. Ce document peut être rapproché du doc.4 pour une vision nationale. Le doc.3, à l’échelle de la France, montre la teneur en ozone troposphérique à deux dates différentes, montrant ainsi le caractère variable (dépendant principalement des conditions météorologiques) de cette pollution. Le doc.4 montre l’évolution de l’exposition à des polluants majeurs, les particules fines de moins de 10 µm et le dioxyde d’azote. Les données sont différenciées selon la taille des villes et sont présentées en pourcentage du nombre de stations où les seuils quotidiens maximaux ont été dépassés. Le doc.5 détaille les effets sur la santé humaine possible de l’ozone selon l’exposition (teneur dans l’atmosphère respirée pendant une heure). Le doc.6 montre les effets sur le système respiratoire des particules fines de moins de 2,5 µm. La légende rappelle que le chauffage au bois et le trafic routier en sont des sources importantes.

Exploiter les documents : Correction La production attendue est un exposé oral. On veillera sur la structure à ce qu’il présente une courte introduction, une courte conclusion et un développement structuré. Il pourra s’appuyer sur des supports visuels : diapositives, figures au tableau, etc. Sur le fond, les différents éléments attendus sont présentés dans l’énoncé. L’enseignant pourra choisir ou non de permettre une recherche documentaire complémentaire sur Internet et déterminera le temps et les conditions de préparation (en classe ou à la maison). Pour l’évaluation, on pourra s’appuyer sur les différents critères listés ci-dessous, chacun pouvant faire l’objet d’une notation graduelle de 1 à 4 :

Démarche

Contenu

Communication

Synthèse, démarche explicative, exposé, présentation… (Raisonnement, exemple à fournir) Pertinence : qui répond à la question posée Cohérence : pas de grosse erreur (enchaînement logique des idées et mise en relation correcte des informations) Eléments scientifiques attendus tirés des documents du livre (ou de la ressource numérique) et/ou des connaissances Suffisance : assez d’éléments (quand les attendus sont nombreux ou si la tâche propose des choix) Complétude : tous les éléments (quand les attendus sont peu nombreux) Forme de la représentation (oral, schéma, tableau, diaporama, graphique…) Précision : utilisation unité de valeur, valeurs données, argument précis… Clarté : sens, clarté de l’exposé (et/ou du schéma…) Conformité : la représentation répond aux règles d’usages

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Esprit critique : Pistes d’exploitation Les véhicules diesel, parce qu’ils utilisent des combustibles fossiles, ont deux types de conséquences environnementales : ils produisent du dioxyde de carbone, un gaz à effet de serre, et ils émettent des polluants néfastes pour la santé. En conséquence la réduction de leur utilisation aura des impacts positifs aussi bien sur le changement climatique que sur la santé respiratoire des personnes exposées à leurs émissions. Cependant, il faut veiller aux moyens de transport utilisés pour leur remplacement qui peuvent eux aussi avoir un bilan carbone non nul et émettre des polluants.

Unité 4 Choix pédagogiques L’unité 4 s’intéresse à deux notions essentielles dans le débat sur la contribution individuelle et collective au changement climatique : l’empreinte carbone et l’analyse du cycle de vie. Le doc.1 rappelle les équations bilan et l’énergie dégagée par trois combustibles carbonés courants : le gaz naturel (électricité, chauffage), l’essence (transport) et le bois (électricité, chauffage). Le doc.2 fournit la définition de l’empreinte carbone et son application à la France, collectivement, et en moyenne par habitant. Le graphique individuel est assez complet et précis pour permettre à chacun de faire le lien avec des activités quotidiennes. Ce document a notamment comme objectif de permettre aux élèves d’appréhender la contribution des choix individuels sur les conséquences collectives. Le doc.3 définit l’analyse du cycle de vie en prenant plusieurs exemples : textile, technologies de l’information, véhicules. Pour estimer une empreinte carbone, les élèves doivent saisir l’importance de considérer l’ensemble des étapes du cycle de vie d’un objet, de l’origine de la matière première au devenir des déchets. Notons que l’analyse du cycle de vie peut être appliquée à d’autres questions environnementales : consommation d’eau, impact sur la biodiversité, etc. Le doc.4 donne des exemples très accessibles d’empreinte carbone alimentaire avec trois exemples de repas complets. Le doc.5 permet d’analyser le détail des contributions des différentes étapes de la vie d’un yaourt à son empreinte carbone. La catégorie « logistique » regroupe les émissions dues aux plates-formes de stockage et de distribution, et aux transports jusqu’au magasin. La contribution « client » correspond au trajet effectué par le client jusqu’au commerce où a lieu l’achat. Dans le cas d’un achat sur Internet, il s’agit de la contribution carbone de la livraison à domicile. Le doc.6, dans une optique d’éducation à la consommation responsable, fournit quatre questions que peut se poser un consommateur avant d’acheter un produit.

Exploiter les documents : Correction 1. Détail du calcul pour le gaz naturel : la production d’un kilojoule nécessite 1/56 = 0,018 g de combustible ce qui correspond à 0,018/16 = 1,1 · 10–3 mol. Or, 1 mol de méthane par combustion donne 1 mol de dioxyde de carbone. On a donc 1,1 · 10–3 mol de dioxyde de carbone produit. La masse molaire du dioxyde de carbone est de 44 g · mol–1 soit 0,05 g de dioxyde de carbone émis par kJ produit, ou 50 g pour 1 MJ.

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Le même raisonnement donne : 0,067 g/kJ de dioxyde de carbone pour l’essence et 0,28g/kJ pour le bois. 2. Empreinte carbone (kg eqCO2/an)

Empreinte en %

Transports

3 320

27 %

Réduire les transports en voiture

Logement

2 706

22 %

Isoler thermiquement les bâtiments

Biens de consommation

2 342

19 %

Réduire les achats non essentiels

Alimentation

2 353

19 %

Réduire la consommation de viande

1 489

12 %

Réduire la consommation de médicaments non essentiels

12 210

100 %

Secteur

Services publics et santé Total

Leviers de réduction possibles

Esprit critique : Pistes d’exploitation Les technologies numériques de l’information et la communication ont des empreintes carbone non négligeables dues notamment : - empreinte carbone de la fabrication des appareils - empreinte carbone de l’utilisation des appareils (consommation d’électricité) - empreinte carbone de mise des infrastructures réseau (serveur, câble, antennes relais etc.) - empreinte carbone des ordinateurs et des centres de stockage des données hébergeant les données dématérialisées.

Unité 5 Choix pédagogiques L’unité 5 aborde la question de la transition écologique énergétique en fournissant des exemples de conséquences majeures du changement climatique et en montrant quelques possibilités de réduire l’empreinte carbone individuelle et collective. On pourra faire la différence avec les élèves entre les comportements qui relèvent de l’adaptation (modification des activités pour tenir compte du changement climatique actuel ou à venir) et ce qui relève de l’atténuation (réduction de l’empreinte carbone des activités). Les docs 1 et 2 présentent le risque d’inondation des côtes dans différentes régions du monde et l’associent à la densité de la population humaine. Le doc.3 détaille pour quatre cultures agricoles classiques les conséquences (positives ou négatives) attendues du changement climatique. La dernière colonne présente des adaptations possibles pour chacune.

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Le doc.4 suggère que les coûts engendrés par le changement climatique sont bien supérieurs aux coûts d’adaptation permettant d’en limiter les effets négatifs. Le doc.5 rappelle que les objectifs de réduction des émissions de gaz à effet de serre ne sont pas tenus en France. Les docs 6 et 8 traitent de l’isolement thermique des habitations, un levier important de réduction de l’empreinte carbone du secteur résidentiel. Le doc.7 compare différents pays d’Europe quant à leurs émissions de gaz à effet de serre et à la réduction de ces émissions, en rappelant la situation particulière de la France compte tenu de la forte contribution de l’énergie nucléaire à sa production d’électricité. Cet aspect sera détaillé dans le chapitre 8.

Exploiter les documents : Correction 1. Un risque est une probabilité de subir les conséquences d’un aléa. Si le risque est élevé on parle de danger. Un aléa est un phénomène (naturel, d’origine industrielle) potentiellement dangereux qui peut survenir. Cet aléa va présenter un risque s’il y a un enjeu. Les enjeux sont par exemple de forte densité de population ou des infrastructures sensibles (centrales nucléaires). Certains aléas ne présentent pas de risque s’ils se produisent là où il n’y a pas d’enjeu : une tempête en pleine mer, un séisme dans une région isolée. On peut écrire pour la probabilité d’un risque : risque = aléa × enjeu. Dans l’exemple des docs 1 et 2, l’inondation des côtes littorales est un aléa (doc.1), la densité de population mondiale par région, en particulier dans les zones littorales, permet d’évaluer l’enjeu. Du fait de la rencontre de l’aléa et des enjeux, on constate que la Méditerranée orientale, le sud des ÉtatsUnis, le golfe du Bengale, la mer de Chine et certaines zones d’Indonésie présente de forts risques liés aux inondations marines. 2. Une mesure d’atténuation consiste à changer un comportement ou une activité de façon à réduire son empreinte carbone. Dans le doc.6, on constate que l’isolement thermique d’une maison permet de réduire l’empreinte carbone, c’est donc une mesure d’atténuation. On constate, que la mise en œuvre d’une rénovation thermique peut nécessiter un investissement lourd (doc.8) mais qui peut être amorti en quelques années par des économies d’énergie. 3. L’adaptation est un changement de comportement ou d’activité tenant compte des modifications environnementales. L’agriculture en France, selon les cultures, présente un potentiel d’adaptation. Parmi les adaptations possibles des quatre exemples de cultures cités, on peut noter le choix de certaines variétés, la relocalisation géographique de culture ou la modification des techniques de culture (dates de semis modifiés, utilisation de rotation culturale). 4. Le changement climatique aura des conséquences financières dues notamment aux événements météorologiques exceptionnels (tempêtes, canicules, sécheresses), aux conséquences sur la santé (canicules, pollution à l’ozone), à la relocalisation de certaines activités (agriculture), aux déplacements de population (inondation des côtes), etc. Parmi les événements météorologiques extrêmes dont la fréquence pourrait augmenter aux ÉtatsUnis, on peut citer les sécheresses, les ouragans et les tempêtes.

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Esprit critique : Pistes d’exploitation Éléments permettant de répondre à la question : - Certains écosystèmes stockent du carbone dans les sols (marais, tourbières, prairies humides, plaines inondation, mangroves) et participent donc à l’atténuation du changement climatique - Certains écosystèmes stockent du carbone dans la biomasse (forêt tropicale) et participent également à l’atténuation du changement climatique. - Les plaines d’inondation, les tourbières et les marécages limitent les impacts des inondations sur les structures et les activités humaines. - La résilience des écosystèmes aux variations environnementales est d’autant plus importante que leur biodiversité est élevée (en nombre d’espèces, et en proportion relative de chacune des espèces). - Les mangroves protègent le littoral de l’érosion et des événements extrêmes tels que les tempêtes et les tsunamis (adaptation).

Corrigés des exercices Mémoriser son cours 1. Depuis les années 1970, la consommation mondiale d’énergie s’est accrue d’environ 50 %, du fait de la croissance de la population, mais aussi de l’augmentation de la consommation énergétique par habitant. La consommation d’énergie par habitant diffère fortement selon les régions du monde : elle dépend fortement du PIB par habitant du pays. 2. À l’échelle mondiale, la consommation d’énergie se répartit à part égale entre l’industrie-agriculture, les transports et le résidentiel-tertiaire (habitats et bureaux). 3. Les principales sources d’énergie primaire sont l’énergie nucléaire et l’énergie chimique des combustibles fossiles, disponibles sous forme de stock, et l’énergie lumineuse du Soleil, l’énergie cinétique du vent, l’énergie potentielle gravitationnelle de l’eau et l’énergie chimique de la biomasse, disponibles sous forme de flux. Aujourd’hui, les combustibles fossiles représentent plus de 80 % du mix énergétique mondial. Dans les énergies renouvelables, la biomasse et l’hydraulique comptent pour 12 % de ce mix. La part du solaire, de l’éolien et de la géothermie est en forte croissance, mais ces énergies représentent moins de 2 % du mix énergétique mondial. 4. La combustion des combustibles fossiles entraîne l’émission d’oxydes d’azote (NOx), de produits soufrés, d’ozone (O3) et de particules fines. Ces polluants peuvent provoquer des affections des yeux et de l’appareil respiratoire (asthme notamment) et peuvent, pour les particules fines, contribuer à la survenue de cancers. 5. Une empreinte carbone est la somme des émissions de CO2 et d’autres gaz à effet de serre liées soit à l’utilisation d’un objet ou à la réalisation d’une activité, soit à un individu, une ville, un pays, etc.

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Pour s’échauffer 1. QCM 1. a. Faux, le charbon, pétrole et le gaz naturel. b. Vrai, leurs réserves s’épuisent au cours du temps. c. Vrai, ce qui explique leur caractère épuisable. d. Faux, ils sont la principale source d’énergie primaire utilisée par les humains aujourd’hui. 2. a. Faux, elle représente une quantité d’énergie. b. Faux, les watts sont une unité de puissance. c. Vrai. d. Faux, l’unité d’énergie est le Wh et non le Watt/heure. 3. a. Vrai. b. Vrai. c. Faux, beaucoup moins, 1 t de bois correspond à 0,14 tep contre 10 000 tep pour 1 t d’uranium. d. Faux, la combustion complète produit de l’énergie thermique et du CO2. 4. a. Vrai. b. Vrai. c. Faux, la source d’énergie primaire correspondante est l’uranium. d. Vrai. 5. a. Faux, le Wh est une unité d’énergie et non de puissance. b. Vrai. c. Vrai. d. Faux, le joule est une unité d’énergie et non de puissance. 6. a. Faux, biomasse + hydraulique + autres = 14 % (en supposant que « Autres » représente des énergies renouvelables) b. Vrai. c. Vrai.

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d. Faux, les énergies renouvelables étaient surtout la biomasse. 7. a. Faux, les particules fines sont d’autant plus nocives que leur diamètre est petit. b. Faux, la combustion de la biomasse peut par exemple produire des particules fines. c. Vrai. d. Faux, elles sont aussi produites par la biomasse, le freinage des pneus, etc. 8. a. Faux, car de l’énergie fossile a été utilisée pour sa fabrication, son transport et sa commercialisation. b. Vrai. c. Vrai. d. Vrai.

2. Qui suis-je ? 1. Source d’énergie primaire. 2. L’analyse du cycle de vie. 3. La transition écologique. 4. Oxyde d’azote, dioxyde de soufre ou ozone.

3. Vrai/faux 1- Vrai. 2- Faux, la consommation totale est similaire mais la Chine compte quatre plus d’habitants. 3- Faux, ce sont les voitures particulières. 4- Vrai. 5- Faux, la fabrication ou les achats de vêtements inutilisés contribuent à alourdir l’impact carbone.

4. Réponse courte La fabrication, le transport et la destruction d’un objet (ou son recyclage) produisent des gaz à effet de serre qu’il faut inclure et qui peuvent même dépasser les gaz à effet de serre produits pendant son usage.

5. Analyser un document On constate sur le graphique que les émissions nationales de gaz à effet de serre décroissent depuis 1995, d’environ 20 % (2015). Parallèlement, l’empreinte carbone totale, c’est-à-dire les émissions nationales auxquels il faut ajouter les émissions liées aux importations, a augmenté (également de

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20 % environ). Aujourd’hui, les émissions dues aux importations comptent pour plus de 30 % dans les émissions totales, et l’empreinte totale de la France ne diminue pas. Il semble donc que la maîtrise de l’empreinte carbone passe aujourd’hui par une meilleure maîtrise de l’empreinte carbone des importations.

6. Calculer La part des voitures particulières dans les émissions nationales de gaz à effet de serre est de 0,51 × 0,31 = 15,1 %.

7. Rédiger On constate que les émissions agricoles pour les trois plats comptent pour les deux tiers à trois quarts des émissions de gaz à effet de serre. Dans le cas de la salade niçoise le transport contribue pour la quasi-totalité de la part restante (environ un quart). Cela peut se comprendre car ce produit est faiblement transformé. En revanche, pour la quiche lorraine ou le cassoulet, la transformation a un impact relativement important (10 à 15 % dans les deux cas). La part de l’emballage et du stockage est dans tous les cas relativement faible devant les autres contributions.

8. Calculer 1 kWh = 3,6 MJ, la masse de charbon nécessaire à la production d’un kilowattheure d’électricité si le rendement énergétique est 100 % est de 3,6/33,3 = 0,11 kg.

9. Analyser un graphique - On ne peut pas savoir, la puissance installée n’est pas forcément atteinte en production. Cette puissance installée en revanche est effectivement plus importante. - Non, elle a diminué de 45 à 36 MW.

Méthode : Exercices d’application 11. Le taux d’équipement des Indiens en téléphones portables 1.

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2. Si l’on considère que la télédensité est une indication du niveau de vie, on peut supposer que celuici a progressé beaucoup plus rapidement en milieu urbain qu’en milieu rural entre 2006 et 2012. 3. Il existe un lien entre le niveau de vie d’une société et sa consommation d’énergie. D’après la conclusion précédente on peut supposer que la consommation d’énergie en Inde s’est démultipliée depuis 2006, particulièrement dans les zones urbaines.

12. Comparer l’empreinte carbone de différents pays 1.

2. On constate que l’empreinte carbone par habitant et par an présente une très grande variation d’un pays à l’autre (un facteur >18 entre le Cambodge et l’Arabie Saoudite). Cette empreinte ne semble pas déterminée seulement par le PIB.

Tester ses compétences 13. L’intensité énergétique finale 1. b 2. c 3. b

14. Poussette et pollution atmosphérique 1. Les particules fines atmosphériques ont des conséquences sur les pathologies respiratoires (asthme par exemple) et augmentent le risque de cancer du poumon. 2. La poussette n’est pas située à la même hauteur que la bouche et le nez d’un adulte. Elle permet donc d’estimer l’exposition des enfants transportés en poussette. La réalisation d’un trajet quotidien permet de se rapprocher d’une situation réelle, reproduite chaque jour, et donc d’une meilleure évaluation de l’exposition.

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3. On constate que sur ce trajet, les mesures ponctuelles dépassent en continu les objectifs de qualité de l’OMS et de l’Union Européenne. 4. Les résultats d’exposition mesurés ici correspondent à une exposition ponctuelle sur environ deux heures le matin, ce n’est pas une exposition permanente à longueur de journée. Pour comparer avec les objectifs de qualité de l’union européenne ou de l’OMS, il faudrait connaître si ces objectifs de qualité correspondent à des expositions permanentes ou ponctuelles seulement.

15. L’étiquetage environnemental 1 et 2. On peut utiliser le taux de conversion 1 kWh = 3,6 MJ ce qui donne les consommations énergétiques suivantes : Réfrigérateur 1 2 3

Consommation énergétique en Coût annuel (Euros) MJ/an 1 112 40,2 892,8 32,2 421,2 15,21

3. Un réfrigérateur à faible consommation permet de réduire légèrement sa facture d’électricité, il permet surtout de consommer moins d’énergie électrique.

16. Le smog londonien 1. Sur le doc.2, on constate que la mortalité par semaine présente un pic vers le 13 décembre, qui a lieu simultanément avec un pic de teneur en SO2. 2. Le fait que les deux événements soient corrélés ne permet pas de s’assurer qu’ils soient liés par un lien de cause à effet tel que le pic de SO2 serait responsable de la mortalité. Il faut d’autres données et une théorie scientifique qui s’appuie sur une bonne compréhension des mécanisme en jeu pour établir une causalité. 3. Dans le doc.3, trois méthodes d’estimation différentes aboutissent à plus de 7 000 cas de décès inexpliqués pendant la période concernée par le pic de SO2. La grippe saisonnière n’en étant visiblement pas responsable. Ces données, associées à la corrélation entre le pic de mortalité et le pic de SO2 du doc.2, suggèrent que cette pollution atmosphérique ponctuelle est responsable d’environ 7 000 morts. Cette conclusion peut être remis en cause si on identifie d’autres causes de mortalité pouvant expliquer le pic.

Objectif BAC 17. L’ozone et la santé humaine 1. Le dioxyde d’azote NO2, le monoxyde d’azote NO et l’ozone O3 sont des gaz pouvant être produits suite à l’utilisation de combustibles fossiles. D’après ce document, NO et O3 peuvent être produit secondairement à partir de NO2. 2- Le doc.1 nous indique que la production d’ozone à partir du dioxyde d’azote et du dioxygène (sens 1 de la réaction) est privilégiée dans les situations suivantes :

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– forte concentration de dioxyde d’azote. Cette situation se rencontre surtout dans les villes où la concentration de véhicules utilisant des combustibles fossiles est importante. Ceci peut expliquer les pollutions plus longues dans les régions urbaines : Toulouse, Paris, Lyon, Marseille, Lille, Strasbourg ; – forte intensité lumineuse et température élevée. Ceci peut expliquer les observations dans le sud de la France 3. On constate que les deux souches de tabac ne réagissent pas de la même façon lorsqu’elles sont exposées à des traitements à l’ozone : – la souche BelWB présente des tâches de nécrose d’autant plus importante que les concentrations d’ozone à laquelle elle a été exposée sont elles-mêmes importantes ; – la souche BelB ne présente pas de différence de nécrose significative dans la gamme de concentration d’ozone testée. 4. On peut supposer que la souche de tabac BelWB constitue une plante bioindicatrice efficace, puisque les tâches de nécrose montrent la présence d’ozone dans l’atmosphère et donnent également une indication de la concentration de ce polluant.

18. Vrai sapin de Noël ou sapin en plastique 1. Une analyse du cycle de vie permet de comparer l’impact environnemental (en l’occurrence sur l’émission de gaz à effet de serre) de deux produits sur l’ensemble des étapes de leur vie : depuis leur production jusqu’à leur destruction. Dans le cas des sapins naturels et artificiels, il est effectivement difficile de se faire une opinion a priori puisque leur mode de production est très différent et semble plus favorable dans le cas du sapin naturel (croissance avec captation de dioxyde de carbone atmosphérique dans le cas du sapin naturel, processus de fabrication artificielle à partir de matières plastique) alors que la durée de vie du sapin artificiel semble jouer en sa faveur (plusieurs années, contre une seule année pour le sapin naturel). 2. On constate que le sapin naturel a une empreinte carbone négative (il stocke du carbone), ce qui peut se comprendre puisque ces arbres utilisent la photosynthèse pour fabriquer leur matière organique. À l’opposé, l’essentiel des émissions de gaz à effet de serre du sapin artificiel (93 %) sont émises lors de sa production et de sa distribution. 3. Une personne qui achète chaque année un arbre naturel augmente progressivement l’émission de gaz à effet de serre correspondant (3,1 g eq. CO2 / année), tandis qu’une personne ayant acheté un sapin artificiel et le gardant plusieurs années n’a pas de variation des émissions de gaz à effet de serre correspondante (48,3 g eq. CO2 /sapin). On peut donc considérer qu’il faut garder le sapin artificiel 48,3/3,1 = 15,5 années pour que les émissions de gaz à effet de serre annuelles du sapin artificiel rejoignent celle du sapin naturel. Au-delà de 15,5 années, le sapin artificiel à une émission annuelle de gaz à effet de serre inférieure à celle des sapins naturels. 4. L’origine géographique de l’arbre naturel et de l’arbre artificiel représente probablement une situation fréquente puisque c’est celle que les auteurs ont choisie. Néanmoins, dans l’hypothèse où les origines géographiques seraient différentes (arbre artificiel produit à proximité de Montréal par exemple), le poids du transport (avant achat par le client) serait sans doute différent dans l’empreinte carbone des deux arbres et pourrait modifier le résultat final.

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5. L’empreinte carbone du sapin naturel est équivalente à 3,1/120 = 0,025 km soient 25 m réalisés avec une voiture. L’empreinte carbone du sapin artificiel est équivalente à 48,3 /120 = 0,402 km soient 402 m réalisés avec une voiture. On constate donc que l’impact carbone de l’achat annuel d’un sapin de Noël est quasiment négligeable devant l’impact des transports en voiture.

19. À la recherche de l’efficacité énergétique 1. L’efficacité énergétique (d’un objet, d’une maison, etc.) est le rapport entre la quantité d’énergie délivrée (de chaleur pour un chauffage), et la quantité d’énergie utilisée (sous forme électrique pour chauffage électrique). Améliorer l’efficacité énergétique, c’est fournir le même niveau de service (énergie délivrée) en réduisant la consommation énergétique. 2. Sur le doc.1, on observe que la moyenne de la consommation énergétique dans les bâtiments actuels est d’environ 400 kWh par mètre carré et celle de chauffage d’environ 230 kWh par mètre carré (soit un pourcentage de (230/400) × 100 = 57 % contre une dépense énergétique moyenne totale dans les bâtiments neuf basse consommation de 150 kWh par mètre carré environ, dont 90 kWh par mètre carré pour le chauffage soit (90/150)x100 = 60 %). Données et résultats sous forme de tableau Dépenses énergétiques Dépenses énergétiques Pourcentage moyennes totales en moyennes pour le kWh/m² chauffage en kWh/m² Bâtiment actuel 400 230 57 % Bâtiment neuf basse 150 90 60 % consommation 3. L’énergie totale moyenne dépensée par d’un bâtiment neuf basse consommation étant de 150 kWh/m² contre 400 kWh/m² pour la moyenne des bâtiments actuels. L’économie est donc de 250 kWh/m² soit (250/400) x 100 = 62,5 %. 4. À l’échelle des individus, l’amélioration énergétique dans le secteur du bâtiment peut venir d’une meilleure isolation thermique des bâtiments, de l’utilisation de sources d’énergie plus efficace et de la modification du système de chauffage. À l’échelle collective, l’utilisation de matériaux de construction à moindre impact énergétique et la rénovation des bâtiments anciens est de nature à améliorer l’efficacité énergétique. 5. Le doc.4 montre une évolution des ventes de l’industrie chimique en France, tandis que le doc.3 montre une diminution de certaines activités sidérurgiques (production de tubes et tuyaux) sur le territoire national. Parallèlement, le doc.2 montre, entre 1990 et 2011, une diminution des émissions de gaz à effet de serre pour l’industrie sidérurgique et une très légère augmentation pour l’industrie chimique. On constate donc que si les émissions totales de l’industrie ont diminué entre 1990 et 2011, il y a une différence importante selon les secteurs d’activité (en l’occurrence entre sidérurgie et chimie). Une partie de cette réduction des émissions peut s’expliquer par une meilleure efficacité énergétique (il semble que ce soit le cas pour la chimie : l’augmentation des ventes est très supérieure à l’augmentation des émissions). En revanche, pour l’industrie sidérurgique une part de la réduction est probablement le fait de la délocalisation de la production dans d’autres pays.

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Chapitre 5 : Deux siècles d’énergie électrique Programme • Chapitre 5. Deux siècles d’énergie électrique

Savoirs

Savoir-faire

Les alternateurs électriques exploitent le phénomène d’induction électromagnétique découvert par Faraday puis théorisé par Maxwell au XIXe siècle. > Unité 1

Reconnaître les éléments principaux d’un alternateur (source de champ magnétique et fil conducteur mobile) dans un schéma fourni. > Unité 2

Ils réalisent une conversion d’énergie mécanique en énergie électrique avec un rendement potentiellement très proche de 1. > Unité 2 Au début du XXe siècle, la physique a connu une révolution conceptuelle à travers la vision quantique qui introduit un comportement probabiliste de la nature. Le caractère discret des spectres de raies d’émission des atomes s’explique de cette façon. > Unité 3 L’exploitation technologique des matériaux semi-conducteurs, en particulier du silicium, en est également une conséquence. > Unité 4 Ces matériaux sont utilisés en électronique et sont constitutifs des capteurs photovoltaïques. Ceux-ci absorbent l’énergie radiative et la convertissent en énergie électrique. > Unité 4

Analyser les propriétés d’un alternateur modèle étudié expérimentalement en classe. > Unité 2 Définir le rendement d’un alternateur et citer un phénomène susceptible de l’influencer. > Unité 2 Interpréter et exploiter un spectre d’émission atomique. > Unité 3 Comparer le spectre d’absorption d’un matériau semi-conducteur et le spectre solaire pour décider si ce matériau est susceptible d’être utilisé pour fabriquer un capteur photovoltaïque. > Unité 4 Tracer la caractéristique i (u) d’une cellule photovoltaïque et exploiter cette representation pour déterminer la résistance d'utilisation maximisant la puissance électrique délivrée. > Unité 4

Prérequis et limites Les spectres de raies d’émission atomiques ainsi que les notions de caractéristique i (u) et de point de fonctionnement d’un dipole électrique, déjà connues, sont utilisés. La loi de Faraday est hors programme.

Pour bien commencer 1. Lorsqu’un gaz à basse pression est soumis à une décharge électrique ou à une forte température, il est capable d’émettre de la lumière dont le spectre est discontinu : on parle de spectre de raies d’émission (PC 2de) 2. Non, chaque entité chimique possède un spectre de raies d’émission qui lui est propre ; c’est sa signature spectrale. (PC 2de)

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3. Le point de fonctionnement d’un dipôle est le point de coordonnées (u,i) de la caractéristique du dipôle auquel se trouve le dipôle placé dans un circuit. Il s’agit du point M de la caractéristique sur les tracés proposés. (PC 2de).

Unité 1 Choix pédagogiques Cette unité est l’unité introductive à l’électromagnétisme et ses applications, qui seront vues dans l’unité 2. Il s’agit d’introduire les concepts fondamentaux permettant de comprendre comment fonctionne dans les grandes lignes un alternateur. L’accent est mis sur l’aspect historique. Doc.1. La gravure extraite de l’ouvrage de Louis Figuier (Les merveilles de la science,1867) qui comportent de très nombreuses gravures qui illustrant les expériences et découvertes. Pour ce qui concerne ce chapitre, on pourra se référer à http://www.ampere.cnrs.fr/histoire/parcourshistorique/oersted/manuels pour d’autres références historiques. Doc.2. Avec un matériel minimal, il s’agit de montrer qu’il est très aisé de reproduire l’expérience historique. Doc.3. Afin d’insister sur l’aspect historique de cette partie, nous représentons l’étape suivante permettant d’associer magnétisme et électricité : Ampère montre qu’un bobinage se comporte comme un aimant. L’électromagnétisme, lien entre l’électricité et le magnétisme est né. Doc.4. Pour aller plus loin dans ce lien, nous mettons en parallèle le champ magnétique produit par un solénoïde et un aimant permanent. C’est également l’occasion découvrir la notion de ligne de champ magnétique. Doc.5. Il était possible de mettre en mouvement un aimant permanent à partir du champ créé par un fil traversé par un courant. Nous voyons ici l’expérience inverse, produisant un courant à partir du mouvement d’un aimant. La base de la réversibilité moteur / générateur s’illustre dans ce document. Doc.6. Ce doc résume le lien énergie mécanique / énergie électrique présenté par les documents de la double page, avec les physiciens associés à chaque découverte.

Exploiter les documents : Correction 1. La mise en œuvre ne présente pas de difficulté. On pourra noter que si le courant circule en sens opposé, la boussole dévie dans l’autre sens. 2. Nous cherchons à visualiser les lignes de champ magnétique autour d’un barreau aimanté comme dans le doc.4. Placer Une feuille sous le barreau. Déplacer la boussole autour du barreau et à chaque position tracer avec un crayon l’axe de la boussole sur quelques centimètres. On fera ainsi une cartographie des directions du champ magnétique autour du barreau. 3. Si l’on dispose d’une bobine, on réalise l’expérience du doc 5 avec un oscilloscope en lieu et place du galvanomètre. Le mouvement de l’aimant dans l’axe de la bobine créera une force électromotrice induite observable à l’oscilloscope. Si l’on ne dispose pas d’une bobine, on peut enrouler un fil sur quelques dizaines de tours autour d’un tube plastique.

Esprit critique : Pistes d’exploitation Ce questionnement fait écho au programme, en préambule du chapitre 5 :

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« Historiquement, le développement des techniques d’obtention d’énergie électrique s’est appuyé sur des découvertes expérimentales et des avancées théoriques qui furent souvent le résultat de recherches dont ce développement n’était pas le but premier. Il est ainsi fréquent que les résultats de la recherche fondamentale aboutissent à des innovations technologiques non anticipées. » L’idée est de faire réfléchir les élèves sur le fait que les découvertes présentées dans cette double page ont eu plus tard des applications technologiques importantes, mais qu’au moment de leur découverte, ces applications technologiques n’étaient pas anticipées par les scientifiques. Cela peut élargir le débat sur l’importance de la recherche fondamentale (qui parfois, ne trouve des applications que des dizaines d’années plus tard).

Unité 2 Choix pédagogiques L’unité précédente a présenté les bases historiques du lien entre électricité et magnétisme et entre énergie électrique et mécanique. On illustre ici ce qu’est un générateur dans sa version moderne. Doc.1. Le principe est rappelé : un mouvement mécanique d’un aimant permanent (ou d’une bobine parcourue par un courant, ce qui est équivalent pour la production d’un champ magnétique) dans l’environnement d’un bobinage crée un courant dans un circuit fermé. L’exploitation de ce principe et l’optimisation des structures permettent de produire de l’électricité : ce sont les générateurs. Doc.2. Les générateurs d’électricité possèdent la même structure que les moteurs. Ce sont des machines électriques tournantes qui sont réversibles. Tous les trains exploitent ce phénomène afin de récupérer de l’énergie lors des phases de décélération. Docs 3 et 4. Allure d’un rotor (en mouvement rotatif) et d’un stator (immobile), avec les bobinages bien visibles sur le doc 4, sièges des courants induits. Doc.5. Il s’agit de schématiser les structures réelles vues dans les docs 3 et 4, montrer quelles sont les grandeurs d’entrée et de sortie, et poser clairement les équations indispensables pour la résolution des problèmes. La vue ne se propose pas d’être réaliste mais conceptuellement correcte et pratique. Doc.6. Le rendement est un aspect crucial lorsque l’on s’intéresse à la production d’électricité, il est en outre explicitement au programme. Nous le définissons ici et fournissons la formule à connaître pour son calcul. Doc.7. L’électricité se prête assez facilement à des manipulations, le matériel requis étant réduit et la mise en œuvre aisée. À partir d’un couple moteur / générateur classique (modèle Pierron ici), nous pouvons manipuler les grandeurs introduites (vitesse de rotation, couple moteur, intensité, tension, puissance, rendement).

Exploiter les documents : Correction 1. Nous avons vu dans l’unité précédente que le mouvement d’un barreau aimanté dans une bobine créait un courant. Fort de ce constat, un système rotatif d’aimants permanents (au niveau d’un rotor) devant un système de bobines fixes (au niveau d’un stator), créeront des courants dans les bobines de façon périodique. C’est le principe du générateur. 2. Une machine électrique tournante peut fonctionner en générateur (pour créer du courant à partir d’énergie mécanique de rotation de l’arbre moteur) ou en moteur (pour créer un mouvement rotatif

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à partir d’énergie électrique). Ainsi, dans les trains (mais aussi dans les voitures électriques), la phase d’accélération consomme de l’énergie électrique tandis que la phase de freinage en produit. 3. à 5. Étude des propriétés d’un générateur modèle. On peut ici réexploiter les documents de l’exercice 11 p.151 pour expliquer le principe du montage aux élèves :

Tableau de données obtenu : (Note, les mêmes données seront utilisées dans l’exercice 11 p.151) U1 I1 P1 U2 I2 P2 v C Pmeca Pmeca/P1 P2/Pmeca P2/P1 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0 0 0,00 1,9 1,1 2,0 0,6 0,1 0,0 19 5 0,60 0,29 0,06 0,02 2,6 1,2 3,0 1,0 0,1 0,1 30 5 0,94 0,31 0,11 0,03 3,5 1,3 4,5 1,6 0,2 0,2 35 7 1,54 0,34 0,16 0,05 4,4 1,5 6,4 2,4 0,2 0,6 35 8 1,76 0,27 0,33 0,09 5,6 1,6 9,1 3,4 0,3 1,2 36 10 2,26 0,25 0,52 0,13 6,6 1,8 11,7 4,4 0,4 1,9 43 12 3,24 0,28 0,59 0,16 7,4 1,9 14,3 5,1 0,5 2,6 50 14 4,40 0,31 0,60 0,19 8,5 2,1 17,5 6,1 0,6 3,7 59 16 5,93 0,34 0,63 0,21 9,4 2,2 20,7 6,9 0,7 4,8 66 17,5 7,25 0,35 0,66 0,23 10,4 2,3 23,5 8,0 0,8 6,4 74 18,5 8,60 0,37 0,74 0,27 11,9 2,5 29,4 9,5 1,0 9,1 88 22 12,16 0,41 0,75 0,31 ν: vitesse de rotation en tours par seconde.

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Détail des calculs : 1. a. P1 = U1 × I1 b. Pmeca = ν × C × 0,001 × 2 × 3,14 c. P2 = U2 × I2 d. Pmeca / P1 e. P2/Pmeca 2. Rendement global de l’ensemble moteur-générateur 2 : P2/P1 Rendement global en fonction de la vitesse de rotation de l'arbre 0,35 0,30

P2/P1

0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 0

20

40

60

80

100

v (tours par seconde)

Esprit critique : Pistes d’exploitation Différentes sources en ligne peuvent permettre aux élèves d’investiguer ce point d’histoire des sciences : la guerre des courants du XIXe siècle aux États-Unis. Cette bataille farouche a opposé d’un côté Edison, partisan du courant continu et de l’autre côté, Westinghouse et Tesla, partisans du courant alternatif, pour alimenter les villes en électricité. Exemple de sources : https://fr.wikipedia.org/wiki/Guerre_des_courants https://www.lesechos.fr/2014/07/nikola-tesla-contre-thomas-edison-la-guerre-des-courants1103109 Cette « guerre technologique » est connue pour les méthodes employées par Edison pour prouver la dangerosité du courant alternatif et discréditer ses opposants (électrocutions publiques de chiens et chats errants notamment). Ces méthodes, fortement décriées et bien sûr interdites maintenant, permettent de faire réfléchir les élèves sur l’éthique scientifique et son évolution au cours du temps.

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Unité 3 Choix pédagogiques Si les aspects électromagnétiques des premières unités sont nouveaux, les interactions atome/lumière figuraient dans le programme de PC 2de. Il s’agit ici de remobiliser les connaissances acquises alors. Si les docs 1 et 2 sont a priori connus, les docs 3 et 4 précisent les connaissances antérieures avec les formules importantes en jeu. Par ailleurs, il est important de noter la similitude des schémas d’émission et d’absorption des photons. Avant de parler des panneaux photovoltaïques du programme, le doc.5 présente ce qu’est un semiconducteur. Ce point est très délicat car complexe. Le document permet de catégoriser conducteurs, isolants et semi-conducteurs afin de montrer que le gap, ou bande interdite, est réduit et peut être exploité pour produire de l’énergie à partir de lumière incidente.

Exploiter les documents : Correction 1. On constate que les raies d’absorptions C, F, G et h dans le spectre solaire (doc.4) correspondent aux 4 raies d’émission visibles de l’hydrogène de la série de Balmer. En effet, si le soleil émet un spectre continu, les gaz de l’atmosphère solaire absorbent certaines longueurs d’ondes qui correspondent aux longueurs d’onde d’émission lorsque ces gaz sont excités. 2. On considère le spectre visible entre 380 et 780 nm. Afin de passer d’une longueur d’onde à l’énergie correspondante, on se rappelle que ΔE = hν = hc/λ. D’où : • •

380 nm ⇒ 5,23 · 10–19 J = 3,26 eV 780 nm ⇒ 2,55 · 10–19 J = 1,59 eV

3. Afin qu’un semi-conducteur puisse utiliser tout le spectre solaire visible, il faut que l’énergie minimale Emin des photons solaires visibles permette de passer au minimum du niveau fondamental du SC au niveau excité, c’est-à-dire que la bande interdite soit plus faible que Emin. Nous venons de voir que Emin = 1,59 eV, la bande interdite doit donc être inférieure à 1,59 eV. Dans les exemples de SC donnés, le c-Si et le GaAs conviennent, mais pas le a-Si qui a une bande interdite de 1,7 eV.

Esprit critique : Pistes d’exploitation D’une part, théoriciens, expérimentateurs et inventeurs (ceux qui produisent des objets, des applications) sont rarement les mêmes personnes. C’est d’autant plus vrai dans l’histoire moderne. Le temps de diffusion de la connaissance des premiers vers les applications est donc difficile car concerne des communautés qui ne sont pas toujours en interaction. Parfois, les applications sont même en dehors du champ disciplinaire du théoricien, et le temps entre application et théorie très long. Quelques exemples : médecine nucléaire (et physique nucléaire, Becquerel, Curie, etc.), position GPS (et relativité générale, Einstein ici aussi), CD/DVD audio et vidéo (et laser, Einstein encore)… Il est même à supposer que des théories sont désormais perdues ou inconnues pour des applications qui pourraient être utiles…

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Unité 4 Choix pédagogiques Le rappel de 2de sur les interactions lumière/matière ainsi que la notion de semi-conducteur ont été présentés dans l’unité précédente. L’exploitation pratique a lieu dans cette unité 4. Docs 1 et 3. Il existe de très nombreux jalons et exemples historiques. Depuis la publication de l’ouvrage il est probable que des nouveautés en la matière auront émergé. Le doc.2 est le pendant du doc.5 de l’unité 2 : présentation des grandeurs d’entrée et de sortie d’une conversion lumière → électricité. Les docs 4 et 5 présentent des spectres continus réels. Il s’agira de bien comprendre que l’énergie totale produite est liée au produit de l’absorption du matériau semi-conducteur par le spectre reçu. Il est donc optimal de préférer un matériau plus sensible pour les longueurs d’onde où le spectre incident est le plus élevé. Le doc.6 est là aussi le pendant du doc.7 de l’unité 2, une mise en œuvre expérimentale de la conversion. Il est désormais aisé de se procurer un panneau solaire, l’expérience peut être relativement facilement menée. Elle permet en particulier de montrer que le point de fonctionnement optimal est dépendant de la lumière incidente et s’obtient en optimisant le point de fonctionnement du système (voir exercice 10).

Exploiter les documents : Correction 1. Le rendement d’un panneau photovoltaïque se définit par le rapport entre la puissance électrique de sortie sur la puissance lumineuse d’entrée : η=

𝑈·𝐼 𝛷·ℎ·𝜈

2. Le spectre d’absorption d’un SC ne s’étend pas sur l’ensemble du spectre solaire. Aussi, une partie de l’énergie solaire n’est pas utilisée pour la convertir en énergie. Combiner plusieurs SC permet d’exploiter plus largement l’énergie lumineuse reçue. Le a-Si modifié (M7) est très absorbant pour les petites longueurs d’onde. Mais on doit lui adjoindre du c-Si modifié (M2) afin d’utiliser le spectre solaire à plus grande longueur d’onde afin d’augmenter l’efficacité d’un panneau solaire. 3. Voir tableau de données ci-dessous : U

I 0 0.12 0.19 0.31 0.37 0.42 0.48 0.51 0.54 0.58 0.6

3.3 3.25 3.3 3.2 3.2 3.15 3.05 2.9 2.45 1.85 0.5

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80

0.61

0

Représentation de la caractéristique I(U) :

Caractéristique I(U) de la cellule photovoltaïque 3,50 3,00

I (A)

2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

U (V)

La puissance maximale est obtenue selon nos données aux alentours du point U=0,51V et I = 2,9 A.

Esprit critique : Pistes d’exploitation Le solaire et l’éolien est en constante évolution. On se référera à https://www.rtefrance.com/fr/eco2mix/eco2mix-mix-energetique. On fera attention de bien différencier puissance installée et production, qui varie pour le solaire en fonction de l’heure (jour/nuit), de la saison et de la météo. Pour toutes les énergies, une énergie renouvelable n’est pas synonyme de propre et n’est pas non plus dépourvue de production de CO2 (voir exercice 8 du chapitre 6). Pour ce qui concerne le solaire, la production de semi-conducteurs est chimiquement très néfaste pour l’environnement, et les matières premières ne sont pas inépuisables. Par ailleurs, la production essentiellement asiatique est assurée par une énergie très carbonée (charbon) et doit être transportée jusqu’en Europe. Enfin, le démantèlement et la réexploitation des ressources contenues dans un panneau est complexe.

Corrigés des exercices Mémoriser son cours 1. Un générateur est constitué d’un rotor, c’est-à-dire un aimant en rotation à l’intérieur d’une bobine de fil conducteur appelée stator. Il permet ainsi de convertir l’énergie mécanique (mouvement du rotor) en énergie électrique à l’aide du phénomène d’induction électromagnétique.

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𝑃

2. Le rendement d’un générateur est défini comme le rapport η = 𝑃 é𝑙𝑒𝑐 avec Pélec =U · I, la puissance 𝑚é𝑐𝑎

électrique fournie par le générateur en sortie et Pméca = C · ω, la puissance mécanique injectée en entrée (C : couple mécanique et ω la pulsation). Le rendement est un chiffre sans unité, compris entre 0 et 1 (ou 0 et 100 % si on l’exprime en pourcentage). Le rendement dépend de nombreux facteurs : C et ω en entrée et U et I en sortie. Lorsque l’alternateur fonctionne de manière optimale, à la vitesse de rotation dite nominale, son rendement est proche de 1. 3. On peut schématiser le spectre d’émission de l’hydrogène par un spectre comportant plusieurs raies d’émissions, à différentes longueurs d’onde, comme montré ci-dessous (les valeurs de λ des raies d’émissions sont ici données à titre indicatif, elles n’ont pas à être connues).

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Ce spectre s’obtient lorsque du H2 sous forme de gaz est excité par une différence de potentiel suffisante. Chaque raie correspond à l’émission d’une particule de lumière – un photon – lorsqu’un électron de l’atome excité passe d’un niveau d’énergie excité (E2) au niveau d’énergie fondamental (E1).

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4. Le spectre solaire est un spectre de raies d’absorption. Son allure est représentée ci-dessous ((les valeurs de λ des raies d’absorption sont ici données à titre indicatif, elles n’ont pas à être connues).

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Chaque raie correspond à l’absorption de photons par des électrons passant d’un niveau d’énergie E1 à E2.

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5. On utilise actuellement des semi-conducteurs dans les panneaux photovoltaïques (ou panneaux solaires). Un semi-conducteur est un matériau qui, selon la fréquence d’excitation, peut se comporter comme un isolant ou comme un conducteur. 6. Pour optimiser le rendement d’une cellule photovoltaïque, on associe plusieurs semi-conducteurs qui présentent des pics d’absorption à différentes longueurs d’onde. Certains sont modifiés, par exemple par ajout d’éléments chimiques dans la structure cristalline, afin d’optimiser la réponse du panneau. L’idée est d’avoir un spectre d’absorption optimal compte tenu du spectre d’émission solaire.

Pour s’échauffer 1. QCM 1. a. Faux, le résultat de l’induction électromagnétique est la création d’un courant électrique à partir d’un champ magnétique variable dans un fil conducteur enroulé. b. Faux, la bobine n’est pas en rotation. c. Vrai. 2.

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a. Faux. b. Vrai, l’énergie mécanique est le mouvement de l’aimant, qui, dans une bobine de fil conducteur, entraîne un courant électrique. c. Faux. 3. a. Faux. b. Vrai, on note ce produit c ω, avec c en N · m et en rad · s–1. c. Faux. 4. a. Faux b. Faux c. Vrai, le rendement se définit par la puissance produite en sortie sur la puissance donnée en entrée. 5. a. Faux b. Faux c. Vrai, un alternateur industriel a un bon rendement, supérieur à 90 %. 6. a. Faux. b. Faux. c. Vrai, le cuivre est un conducteur. 7. a. Faux. b. Faux. c. Vrai, un photon est émis, dont on connaît l’énergie et donc la longueur d’onde. Ce phénomène est observé dans les spectres de raies d’émission. 8. a. Vrai, on trouve les radiations bleues vers 400 nm et les radiations rouges vers 800 nm. b. Faux. c. Vrai, 0,4 = 400 nm et 0,8 = 800 nm. 9. a. Faux, un spectre continu serait obtenu par exemple à partir d’un corps chauffé.

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b. Vrai, chaque longueur d’onde absorbée apparaît comme une raie noire sur le spectre. C’est un spectre de raies d’absorption. c. Faux. 10. a. Faux, les électrons ne sont pas perdus par le matériau. b. Faux. c. Vrai, en franchissant la bande interdite, les électrons passent de la bande de valence (niveau d’énergie fondamental) à la bande de conduction (niveaux d’énergie excités). 11. a. Faux. b. Vrai, c’est l’effet photovoltaïque. c. Faux. 12. a. Faux. b. Vrai, c’est la loi d’Ohm U = R · I. c. Faux.

2. Qui suis-je ? 1. Ørsted. 2. Le rotor. 3. Un photon. 4. Un isolant. 5. L’énergie lumineuse.

3. Vrai/Faux 1. Vrai, c’est souvent la même machine qui fonctionne de façon réversible. 2. Vrai, cf expérience d’Ørsted. 3. Faux, il faut les bonnes longueurs d’onde absorbées par le matériau pour produire un courant électrique. 4. Faux, cela dépend de la composition chimique du gaz. 5. Faux, c’est un spectre de bandes d’absorption.

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4. Associations Tension→ V ; Courant → A ; Puissance → W ; Force → N ; Longueur d’onde → m ; Fréquence → Hz ; Énergie → J ; Pulsation → rad · s–1

5. Caractéristiques d’un alternateur 1. ω = 2πf =2 × π × 2 000 / 60 = 209 rad/s 2. Pméca = Cω =5 × 209 = 1 047 W 3. Pélec = UI = 12 × 80 = 960 W 4. ρ = Pélec/Pméca = 91,7 %

6. Raisonner Pour une résistance de charge donnée, la tension de sortie du panneau n’est pas la même (voir courbe unité 4, doc 6 p.119) suivant l’éclairement. Le régulateur assure une charge à tension constante. La batterie permet d’accumuler l’énergie pendant les périodes d’éclairement du panneau et la restaurer ensuite, en fonction des besoins, même lorsque le panneau n’est plus éclairé. L’onduleur fourni une tension alternative compatible avec le réseau domestique, qui est alternatif.

7. Champ magnétique I = 2πdB/μ₀ = 2 × π × 10–2 × 5 × 10–5/(4π × 10–7) = 1/2 × 5 = 2,5 A

8. Usine marémotrice La puissance mécanique est le produit de la pulsation par le couple (doc.5 p.115). À pulsation faible, pour une énergie mécanique élevée, il faut un couple important. Augmenter la longueur des pales permet donc d’augmenter le couple, ce qui permet de maintenir la puissance mécanique que l’on souhaite. Remarque : Le couple correspondant au produit des forces appliquées à un solide en rotation par la distance du point d’application à l’axe, plus cette distance est élevée, plus le couple est grand.

Méthode : Exercice d’application 10. Fonctionnement optimal d’une cellule photovoltaïque 1. On met un voltmètre aux bornes de la cellule photovoltaïque éclairée.

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2. Caractéristique I(U) de la cellule photovoltaïque 3,50 3,00

I (A)

2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

U (V)

3. P = U × I U

I 0,00 0,12 0,19 0,31 0,37 0,42 0,48 0,51 0,54 0,58 0,60 0,61

P 3,30 3,25 3,30 3,20 3,20 3,15 3,05 2,90 2,45 1,85 0,50 0,00

0 0,39 0,627 0,992 1,184 1,323 1,464 1,479 1,323 1,073 0,3 0

P(U) 1,6 1,4 1,2

I (A)

1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

U (V)

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4. P= U × I donc P = 0 si I = 0 ou U = 0. D’après notre courbe P(U), la puissance maximale P = 1,5 W est obtenue pour U=0,51V et I = 2,9 A. 5.

6.

7.

Tester ses compétences 11. La relation entre couple, vitesse et force 1. ω = 2 × π × fpedalage × (N/n) = 2 × π × 90/60 × (50/14) = 33,7 rad/s.

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Et v = ω × d/2 = 33,7 × 675 · 10–3/2 = 11,4 m/s = 40,9 km/h 2. ω2 = ω1/ 2 = 16,8 rad/s ; v = 5,68 m/s = 20,4 km/h 3. ω3 = ω2 × 34/50 = 11,4 rad/s ; v = 3,86 m/s = 13,9 km/h 4. Vitesse en rad/s :

5. C = P/ω = 200/(2π × 90/60) = 21,2 N · m 6. F = C/d = 121 N (force moyenne totale sur les 2 pédales, sans rapport avec la force exercée par une jambe au moment de l’appui) 7. Le couple est 2 fois plus important : 42,4 N · m, Fmoy = 243 N 8. Vitesse en km/h :

Ainsi, un 50/22 sera sensiblement équivalent à un 34/15. En effet, ces deux rapports sont très peu différents.

12. Un alternateur synchrone à aimants permanents 1. Fréquence de rotation f = 1 500/60 = 25 Hz. Avec une paire de pôles, on crée un courant alternatif à 25 Hz. Pour être synchronisé à 50 Hz, il faut N = 2 paires de pôles. 2. Pélec = ρ × Pméca, où Pméca = C ω. D’où C = Pélec/(ρω) = 10⁹/(0,98 · 2 · π · 25) = 6,5 · 10⁶ N · m

13. Le sodium 1. Les longueurs d’ondes λ entre 568,8 et 615,4 nm 2. 589 nm→ E = hc/λ = 3,37 · 10–19 J = 2,10 eV, ce qui correspond à la transition E1 → E0. 3. E2 – E1 = 1,09 eV soit λ = hc/E = 1 137 nm noté λ6. Nous sommes ici dans l’IR. 4. On ne voit ici qu’une unique bande, alors que plusieurs bandes d’absorption devraient être disponibles. Cela correspond à l’absorption de la bande liée au passage des niveaux E1 vers E0 uniquement. Les autres niveaux d’énergie ne sont pas atteints. La vapeur de sodium qui va absorber

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la lumière est par définition dans son état fondamental. Elle est donc susceptible d’absorber des photos qui la font passer de E0 à E1 ou de E0 à E2, etc. On constate que le seul processus d’absorption notable est le premier.

Objectif BAC 14. Les panneaux solaires de l’ISS 1. Soient S la surface totale et m la masse totale des panneaux solaires. S = 8 × 34 × 12 = 3 264 m², m = 8 × 2 400 × 0,454 = 8 717 kg = 8,717 t.

2. Pmax(tot) = 8 × 32,8 = 262,4 kW Pmax(surface) =

3. η =

32,8×103 12×34

𝑃𝑚𝑎𝑥⁡(𝑠𝑢𝑟𝑓𝑎𝑐𝑒) 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠𝑜𝑙𝑎𝑖𝑟𝑒

=

= 80,4 W · m–²

80,4 = 1360

5,91 %

4. On calcule la surface des 32 800 cellules photovoltaïques, chacune étant un carré de 8 cm de côté (soit 8 × 8 = 64 cm²). Sutile = 8 × 32 800 × 64 × 10–4 = 1 680 m². D’après le doc.2, 32 800 cellules photovoltaïques produisent une puissance maximale de 32,8 kW, soit 32 800 W. On en déduit que chaque cellule photovoltaïque (de 64 cm²) produit une puissance maximale de 1 W. Psurface utile =

1 64×10–4

=156 W · m–2 soit η =

𝑃𝑠𝑢𝑟𝑓𝑎𝑐𝑒𝑢𝑡𝑖𝑙𝑒 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠𝑜𝑙𝑎𝑖𝑟𝑒

=

156,25 1360

= 11,5 %

Focus méthode Maths : - Attention aux conversions des unités. 1 cm² = 10–4 m² - Ne pas utiliser les arrondis pour les étapes intermédiaires des calculs.

5. L’atmosphère filtre une partie du spectre solaire. Aussi, au-dessus de l’atmosphère, on trouve plus d’UV et le spectre est plus continu, correspondant à un spectre dit de corps noir (pas d’absorption de larges bandes dans l’IR entre 750 et 1 000 nm contrairement à ce qu’on observe au niveau de la mer). De plus, l’intensité lumineuse globale est plus élevée avant absorption par l’atmosphère.

6. Sur Terre ces panneaux continueraient de fonctionner mais ne tireraient en particulier pas profit de la partie UV qui est filtrée par l’atmosphère. On préfère sur Terre d’autres matériaux, plus adaptés au

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spectre solaire qui est reçu au niveau du sol (différent du spectre solaire dans l’espace comme montré dans le doc.3).

15. Rendement d’une éolienne 1. S s’exprime en m² et V en m/s. 0,37 s’exprime donc en W/m²/(m/s)³ = W · m–5 · s3 = kg · m–3 (avec 1 W = 1 kg ·m² · s–3) 2. S = πr² = π · 35,5² = 3 960 m² 3. L’éolienne est mise en arrêt pour éviter l’endommagement des pièces mécaniques mobiles. 4. Voir tableau ci-dessous :

5. Voir graphique ci-dessous : Rendement en fonction de la vitesse du vent 0,90

0,80 Rendement

0,70 0,60 0,50 0,40 0,30

0,20 0,10 0,00 0

5

10

15

20

25

30

35

40

Vitesse du vent (m/s)

6. Rendement optimal vers 10 m/s, soit une vitesse de vent intermédiaire.

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Chapitre 6 : Les atouts de l’électricité Ce chapitre exploite les notions vues dans le chapitre 5, notamment le phénomène d’induction électromagnétique. Le but du chapitre est de présenter différentes méthodes permettant d’obtenir de l’énergie électrique sans combustion, en convertissant de l’énergie mécanique, thermique et chimique. Le principe des panneaux photovoltaïques mentionné dans le programme a déjà été vu dans le chapitre 5. Ce chapitre est aussi l’occasion d’explorer un enjeu phare du XXIe siècle : le stockage d’électricité. Si ces méthodes de production d’électricité sans combustion présentent un intérêt dans la réduction d’émissions de GES, leur bilan carbone et leur impact environnemental n’est cependant pas nul. Cette notion est étudiée à travers deux exemples : l’impact environnemental des barrages hydroélectriques et celui de l’extraction du lithium, composant-clé des batteries de nos appareils numériques notamment. Enfin, ce chapitre est pour nous l’occasion de mentionner l’apport souvent sous-estimé des femmes scientifiques dans l’histoire des énergies, notamment de l’énergie nucléaire. Cette unité « Esprit critique » qui élargit le sujet à la problématique de la place des femmes en sciences permet de répondre à un des objectifs généraux mentionnés en début de programme : « Ce sera aussi l’occasion de montrer que l’histoire du savoir scientifique est une aventure humaine. Cela permettra d’interroger la dimension sociale et culturelle de la construction du savoir scientifique, en particulier la place des femmes dans l’histoire des sciences. Des controverses, parfois dramatiques, agitent la communauté scientifique. Ainsi, peu à peu, le savoir progresse et se précise. »

Programme • Chapitre 6. Les atouts de l’électricité

Savoirs

Savoir-faire Trois méthodes permettent d’obtenir de l’énergie électrique sans Décrire des exemples de chaînes de nécessiter de combustion : transformations énergétiques – la conversion d’énergie mécanique, soit directe (dynamos, éoliennes, permettant d’obtenir de l’énergie hydroliennes, barrages hydroélectriques), soit indirecte à partir électrique à partir de différentes d’énergie thermique (centrales nucléaires, centrales solaires ressources primaires d’énergie. thermiques, géothermie) ; > Unités 1 et 2 > Unités 1 à3 – la conversion de l’énergie radiative reçue du Soleil (panneaux photovoltaïques) ; > Unité 2 Calculer le rendement global d’un – la conversion électrochimique (piles ou accumulateurs conventionnels, système de conversion d’énergie. piles à hydrogène). > Unité 3 > Unité 2 Ces méthodes sans combustion ont néanmoins un impact sur l’environnement et la biodiversité ou présentent des risques spécifiques (pollution chimique, déchets radioactifs, accidents industriels…). > Unité 4

Analyser des documents présentant les conséquences de l’utilisation de ressources géologiques (métaux rares, etc.). > Unité 4

Pour faire face à l’intermittence liée à certains modes de production ou à la consommation, l’énergie électrique doit être convertie sous une forme stockable : – énergie chimique (accumulateurs) ; – énergie potentielle (barrages) ;

Comparer différents dispositifs de stockage d’énergie selon différents critères (masses mises en jeu, capacité et durée de stockage, impact écologique). > Unité 5

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– énergie électromagnétique (supercapacités). > Unité 5 Prérequis et limites Les lois de l’électricité, les notions d’énergie et de puissance électriques ainsi que celles d’énergie cinétique et potentielle, déjà rencontrées, sont mobilisées. Aucune expression d’énergie stockée par un système donné n’est exigible.

Pour bien commencer 1. La puissance correspond à une quantité d'énergie par unité de temps. C’est donc bien un débit d’énergie (PC 2de). 2. Dans un système physique fermé (c’est-à-dire sans pertes d’énergie), la quantité d’énergie du système se conserve, c’est-à-dire qu’elle reste identique. L’énergie peut être cependant convertie d’une forme à une autre. Par exemple, convertir de l’énergie mécanique en énergie électrique (PC cycle 4). 3. On peut citer la dynamo du vélo qui permet de convertir l’éngerie mécanique (mouvement de la roue) en énergie électrique alimentant une ampoule. On peut aussi citer la conversion d’énergie chimique en électricité dans les piles et les batteries de nos ordinateurs ou téléphones portables.

Unité 1 Choix pédagogiques Cette unité présente l’application du phénomène d’induction électromagnétique pour produire de l’électricité, à travers des exemples de conversion directe d’énergie mécanique en électricité. Le doc.1 présente le principe commun aux centrales hydroélectriques, nucléaires, thermiques…, c’està-dire le couple turbine-alternateur (le fonctionnement de l’alternateur a été vu dans le chapitre 5). Les docs 2 et 3 présentent le fonctionnement des exemples de barrages hydroélectriques. Les docs 4 et 5 présentent le fonctionnement des éoliennes. Le doc.6 compare le rendement des différents types d’éoliennes et des hydroliennes, tandis que le doc.7 permet de comparer leurs avantages et inconvénients.

Exploiter les documents : Correction 1.

Ep = mgh ≈ 1 × 10 × 900 = 9 kJ. Erecup = Ep × ρ =9 × 103 × 0,7 × 0,98 × 0.99 = 6,1 kJ

2. Sous l’hypothèse Efoyer = 10 000 kWh par an, il faut une masse M telle que Efoyer = Mghρ, soit M = Efoyer/Erecup (en kg) = 10 000 × 10³ × 3600/(6,1 × 10³) = 5,9 10³ t d’eau traversant la turbine du barrage. 3.

Éolienne :

Vent → pales / rotor → multiplicateur → générateur → transformateur / mise en forme du courant → transport Hydrolienne :

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Courant → pales / rotor → multiplicateur → générateur → transformateur / mise en forme du courant → transport 4. Pour une éolienne de taille moyenne, produisant typiquement 1 MW, elle fournit en 24h une énergie de 24 MWh si la production reste constante toute la journée. Un foyer français qui se chauffe à l’électricité consomme 10 000 kWh/an (voir question 2) soit en moyenne 27 kWh/jour. Une telle éolienne peut fournir de l’énergie pour N = 24 × 10³/27 = 877 foyers.

Esprit critique : Pistes d’exploitation L’idée est de faire réaliser aux élèves que l’énergie éolienne est beaucoup plus développée que l’énergie hydrolienne. Si l’énergie hydrolienne présente en effet certains avantages, c’est une énergie qui n’en est encore qu’à ses débuts par rapport à l’éolien. De plus, une recherche internet avec les mots-clés « Hydrolien France » permettra aux élèves d’accéder à des articles montrant qu’en France, beaucoup d’industriels se sont retirés du développement de cette énergie qu’il sne jugent pas assez rentable.

Unité 2 Choix pédagogiques Si l’unité précédente présentait des exemples de conversion directe d’énergie mécanique en électricité, cette unité 2 s’intéresse à la conversion indirecte de l’énergie mécanique en électricité, à partir de l’énergie thermique. Les docs 1 et 2 exposent les principes généraux des machines thermiques, tels que définis par Carnot au XIXe siècle. Ces documents sont le fil conducteur permettant aux élèves de comprendre que les exemples dans les docs 3 à 7 reposent tous sur ce principe. Le doc.3 reprend des connaissances du cycle 4 pour présenter les trois circuits (primaire, secondaire et tertiaire) nécessaires au fonctionnement d’une centrale nucléaire. Les docs 4 à 6 présentent les centrales solaires thermiques, comme la centrale de Llo dans le Sud de la France. Le doc.6 sera utilisé en questionnement « Esprit critique » pour raisonner sur les choix politiques de l’implantation des centrales solaires, thermiques ou photovoltaïques. Enfin le doc.7 présente le principe de la géothermie.

Exploiter les documents : Correction 1. En aval des turbines, le fonctionnement des centrales nucléaires, solaires thermiques ou géothermiques sont analogues : turbine → alternateur → transformateur → distribution. En amont, la fabrication de vapeur est spécifique à chaque technologie. 2.

ρtheorique = 1-Tf/Tc = 1 – (27+273,15)/(300+273,15) = 48 %

3. Le rendement centrale nucléaire est de l’ordre de 33 %, celui d’une centrale solaire thermique d’environ 15 %.

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4. Certaines centrales solaires thermiques comme celle de Llo peuvent stocker de la vapeur dans des ballons afin de continuer à fournir de l’électricité la nuit. Compte tenu du faible rendement de ces centrales, il est indispensable de les installer dans les régions à l’ensoleillement le plus élevé, donc sur le pourtour méditerranéen pour la France métropolitaine. 5. Si on prend une centrale solaire thermique type de 9 MW comme celle de Llo et une tranche de centrale nucléaire type de 1 GW (attention, on parle ici en puissance électrique fournie, le rendement est déjà inclus), il faut plus de 100 centrales solaires thermiques pour remplacer une unique tranche de centrale nucléaire.

Esprit critique : Pistes d’exploitation L’idée est de faire rechercher aux élèves la carte d’ensoleillement de l‘Allemagne sur internet et qu’ils réalisent que l’ensoleillement en Allemagne est inférieur à celui en France. Cependant, l’énergie solaire est beaucoup plus développée en Allemagne. Cette différence provient donc d’une décision politique et non de facteurs géographiques.

Unité 3 Choix pédagogiques Le but de cette unité est de présenter la conversion électrochimique (piles ou accumulateurs conventionnels, piles à hydrogène). Le doc.1 permet de situer l’unité dans un contexte d’histoire des sciences en présentant l’expérience de la pile de Volta. Le doc.2 expose le principe général d’une pile, d’un point de vue de la physique (conversion d’énergie chimique en énergies électrique et thermique). Le doc.3 est une proposition d’expérience qui peut être réalisée en classe pour fabriquer une pile à partir d’électrodes métalliques plongées dans une solution de sulfate de cuivre. Le doc.4 expose le principe général de fonctionnement des piles et accumulateurs. Les documents de la page de droite s’intéressent en particulier aux piles à hydrogène. Le doc.5 permet d’expliquer le principe d’une pile à hydrogène et pourquoi on appelle ces piles des « piles à combustible ». Les docs. 6 et 7 présentent des applications des piles à hydrogène dans le domaine des transports. Enfin, le doc.8 est une document « Esprit critique » permettant de faire réfléchir les élèves aux avantages et inconvénients de cette source d’énergie.

Exploiter les documents : Correction 1. Schématisation du circuit électrique du doc.3 :

+

-

A

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Protocole permettant de visualiser le sens de propagation du courant en sortie de la pile : On peut remplacer l’ampèremètre par une DEL qui ne laisse passer le courant que dans un sens. En notant le sens de branchement de la DEL lorsqu’elle s’allume, on peut en déduire le sens de propagation du courant. 2. On peut mesurer la température de la solution de sulfate de cuivre en début d’expérience puis après quelques minutes de fonctionnement de la pile. L’augmentation de température alors mesurée est le signe de pertes thermiques lors de la transformation chimique aux bornes de la pile.

3. Ethermique

Echimique des réactifs

Pile à H2

Echimique des réactifs (H2O)

(H2 et O2)

E électrrique 4.

10 000× 103 648

= 15,4 × 103 batteries pour un an d’électricité de ce foyer. La conversion

électrochimique est très utilisée pour les appareils mobiles qui nécessitent des piles ou des batteries (ordinateurs ou téléphones portables, batteries de voitures…) mais elle ne permet pas actuellement une production d’électricité à l’échelle industrielle.

Esprit critique : Pistes d’exploitation L’idée est de faire réfléchir les élèves sur les enjeux et les difficultés technologiques de la pile à hydrogène : la production de H2 nécessite pour le moment une combustion d’énergie fossile, donc une émission de GES. De plus le stockage est problématique (risque d’explosion). Ces difficultés expliquent que peu de constructeurs automobiles se soient pour le moment lancés dans cette technologie.

Unité 4 Choix pédagogiques Cette unité s’intéresse aux conséquences environnementales de la production d’électricité. En effet, même la production d’électricité sans combustion est émettrice de GES et présente des impacts sur les écosystèmes.

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Deux exemples ont été choisis dans cette unité : Les barrages hydroélectriques en page de gauche et le lithium, un métal stratégique pour l’industrie du numérique, en page de droite. Les docs 1 à 3 montrent les conséquences environnementales des barrages. Le doc.1 s’intéresse au bilan carbone de la construction du barrage, avec l’utilisation de plusieurs tonnes de béton, dont la fabrication est très émettrice de CO2. Le doc.2 montre que la mise en eau du barrage s’accompagne d’émission de GES (CO2 et CH4) lors de la décomposition de la matière organique végétale et animale inondée. Enfin, le doc.3 résume les conséquences d’un barrage sur l’écosystème local du cours d’eau interrompu. Les docs 4 à 7 quant à eux présentent les conséquences environnementales de l’exploitation du lithium, métal stratégique dont l’utilisation a explosé pour le développement des batteries des appareils électroniques (ordinateurs, téléphones…) (docs 4 et 7). Les docs 5 et 6 présentent les gisements de lithium exploités par les humains. Le doc.7 explique les problèmes environnementaux posés par l’extraction du lithium, notamment en Amérique du Sud (contamination des sols, destruction des écosystèmes locaux, conséquences économiques et sociétales pour les populations locales).

Exploiter les documents : Correction 1. Le volume de béton utilisé pour construire le barrage est donné et vaut 6 000 000 m3. Le volume du mur s’obtient en multipliant 40 000 km par 10 cm et par 1,5 m (après avoir mis ces valeurs en mètre). Volume du mur = 40 000 000 x 0,1 x 1.5 = 6 000 000 m3 soit le volume de béton utilisé pour le barrage. 2. Proposition de schémas :

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3- Pour les poissons un barrage est un obstacle physique à la migration vers l’amont ou vers l’aval. Les espèces sont obligées de s’acclimater à cette eau devenue stagnante, plus chaude, moins oxygénée et plus polluée. Les apports nutritifs sont différents. La chaîne alimentaire est modifiée. Les espèces qui sont incapables de s’adapter meurent. Il y a donc un changement de la faune piscicole.

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4. Le lithium est utilisé dans les batteries des appareils numériques et des automobiles. Devant la généralisation de l’utilisation des nouvelles technologies numériques et la volonté des gouvernements de passer aux voitures électriques, l’exploitation des gisements de lithium s’est fortement développée.

5. Comparaison de l’exploitation du lithium dans les filons et les salars :

Esprit critique : Correction - Gisements très localisés et peu accessibles, nécessitant d’utiliser des moyens de transport qui fonctionnent aux combustibles fossiles pour apporter le lithium sur les zones de traitement ou d’utilisation ; - Extraction qui nécessite de l’eau et de l’énergie (notamment pour les filons) ; - Pollution des écosystèmes locaux.

Ressources complémentaires •

Barrages hydroélectriques :

Ces données peuvent être utilisées pour un exercice ou pour un questionnement supplémentaire sur l’émissions de GES par les barrages hydroélectriques.

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Ref : Duchemin E. (2001) : « Hydroélectricité et gaz à effet de serre » ; Vertigo, la revue électronique en Sciences de l’Environnement ; volume 2, numéro 1 ; avril 2001. •

Sites Web sur le lithium : extraction et enjeux en Europe

Mineral Info (portail français des ressources minérales non énergétiques) : http://www.mineralinfo.fr/recherche?texte-integral=lithium BRGM, service géologique national : https://www.brgm.fr/projet/eugeli-extraction-lithium-partir-saumure-geothermale-europe

Unité 5 Choix pédagogiques Le but de cette unité est de montrer que la consommation et la production électrique ne sont pas uniformes au cours de la journée ou de l’année. La production électrique basée sur les énergies renouvelables est plus aléatoire encore, compte tenu de contraintes météorologiques. Avec l’essor de ces nouvelles énergies, le besoin de stocker l’énergie électrique sera de plus en plus grand afin de continuer à répondre à la demande qui ne coïncide pas avec la production. Le doc.1 permet de souligner le problème de l’intermittence de la production électrique qui ne coïncide pas avec la consommation électrique, elle aussi variable au cours du temps. Les données en temps réelles sont données dans le lien numérique (site de rte-France). Le doc.2 présente le moyen actuel le plus efficace de stocker l’énergie : les STEP (pompages) des barrages hydroélectriques qui utilisent le surplus d’énergie pour faire remonter l’eau dans le réservoir supérieur du barrage. Les documents de la page de droite présentent des innovations technologiques répondant au défi du stockage d’énergie qui se pose actuellement.

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Un premier exemple est présenté dans le doc.3 : couplage de piles à hydrogène et de panneaux solaires. L’énergie électrique permet l’électrolyse de l’eau et est ainsi stockée sous forme de H2 (énergie chimique). Le doc.4 présente les supercondensateurs, qui permettent d’accumuler beaucoup de plus de charges que les condensateurs classiques. Enfin, le doc.5 présente un stockage d’énergie électrique sous forme d’énergie cinétique dans les volants d’inertie.

Exploiter les documents : Correction 1. On constate 2 pics d’énergie hydraulique par jour, contre par exemple un seul pour l’énergie solaire. Si ce dernier pic dépend de façon évidente de l’éclairement solaire, on peut supposer que les pics d’énergie hydraulique s’expliquent par le besoin de pompage, soit en pleine nuit lorsque la consommation électrique est réduite, soit en pleine journée lorsque l’énergie solaire fonctionne à plein. 2. Avec les énergies intermittentes (éolien, solaire, hydrolien), la production ne suit pas forcément la consommation, même si la production moyenne est suffisante. Le stockage permet de « lisser » la production et de s’adapter aux besoins et à la fourniture d’énergie. 3. Note : Le but est de faire comprendre qu’il est difficile de comparer tous ces dispositifs de stockage car on ne parle pas de la même échelle pour un barrage ou pour un supercondensateur. Cette question permet d’ouvrir cette discussion avec les élèves.

Puissance

Barrage STEP

1800 MW

Batterie Li-ion Hydrogène

Énergie délivrée Ordre de (par kg) grandeur de la masse Plusieurs tonnes 100 Wh/kg

20 kW

Kg Kg

SC

5 Wh/kg

Kg

Volant d’inertie

1 300 Wh/kg Entre 40 et 250 (pour une masse kg de 100 kg)

4. Le supercondensateur autorise beaucoup plus de cycles de charge et la restitution des charges est plus rapide.

Esprit critique : Pistes d’exploitation Ce questionnement fait le lien avec l’unité 4. Le but est de montrer que les barrages sont un des moyens de stockage les plus efficaces, mais que leur bilan carbone et leur empreinte environnementale n’est pas nulle (docs 1 à 3 p.138). Par ailleurs, l’exploitation du lithium conduit à la destruction des écosystèmes sur les sites d’extraction (docs 4 à 7 p.139).

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Unité 6 « Esprit Critique » Choix pédagogiques Cette unité est pour nous l’occasion de mentionner l’apport souvent sous-estimé des femmes scientifiques dans l’histoire des énergies, notamment de l’énergie nucléaire. Cette unité « Esprit critique » qui élargit le sujet à la problématique de la place des femmes en sciences permet de répondre à un des objectifs généraux mentionnés en début de programme : « Ce sera aussi l’occasion de montrer que l’histoire du savoir scientifique est une aventure humaine. Cela permettra d’interroger la dimension sociale et culturelle de la construction du savoir scientifique, en particulier la place des femmes dans l’histoire des sciences. Des controverses, parfois dramatiques, agitent la communauté scientifique. Ainsi, peu à peu, le savoir progresse et se précise. » Le doc.1 présente quatre figures scientifiques féminines ayant joué un rôle-clé dans l’histoire de l’énergie nucléaire : Marie Curie ; Lise Meitner, Maria Goeppert-Mayer et Chien-Shiung Wu. Deux d’entre elles sont souvent référées en histoire des sciences comme « des oubliées du Nobel ». La page de droite ouvre la réflexion à la place des femmes en sciences aujourd’hui. Ces documents sont fondés sur le rapport d’information sur les femmes et les sciences de l’Assemblée nationale : http://www.assemblee-nationale.fr/dyn/15/rapports/ega/l15b1016_rapport-information.pdf Le doc.2 montre qu’à chaque palier d’orientation, les étudiantes choisissent davantage des filières littéraires et les attentes de la plupart des lycéennes de 15 ans par rapport à des carrières scientifiques correspondent plutôt au domaine de la santé (doc.3). Pour expliquer ces écarts, le sociologie Elyes Jouini fait appel à des processus d’auto-censure, fondés sur des stéréotypes de genre souvent intégrés dès l’enfance (doc.4).

Corrigés des exercices Mémoriser son cours 1. L’élément commun qui produit l’électricité dans les centrales à charbon, les centrales nucléaires, les barrages hydroélectriques et les éoliennes est l’ensemble turbine-alternateur. 2. Un barrage hydroélectrique a un rendement de l’ordre de 70 %. Une éolienne a un rendement qui varie de 25 à 40 % en fonction du diamètre du rotor. 3. Une machine thermique (turbine entraînée par de la vapeur d’eau dans une centrale électrique par exemple) ne peut fournir de l’énergie qu’en utilisant au minimum deux sources de température différente : une source chaude et une source froide. 4. Dans une centrale nucléaire à eau pressurisée : – le circuit primaire est le réacteur : l’eau sous pression s’y transforme en vapeur d’eau, constituant la source chaude ;

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– le circuit secondaire est une machine thermique : c’est le lieu du transfert de chaleur de la vapeur d’eau du circuit primaire vers l’eau liquide de refroidissement, cette dernière constituant la source froide ; – le circuit tertiaire est la tour de refroidissement, où l’eau liquide issue du circuit secondaire est refroidie. 5. Dans une centrale thermique solaire, l’énergie solaire permet d’obtenir la vapeur d’eau qui met en mouvement une turbine. Dans une centrale solaire photovoltaïque, l’énergie radiative du soleil permet la production d’électricité par effet photovoltaïque dans un matériau semi-conducteur. 6. Le lithium est un métal stratégique aujourd’hui car c’est un composant essentiel des batteries de type lithium-ion utilisées dans les appareils électroniques portables (téléphones, ordinateurs, etc). 7. La construction d’un barrage hydroélectrique nécessite plusieurs tonnes de ciment, dont la fabrication produit une quantité non négligeable de CO2. Dans le cas d’un barrage de type voûte, la dégradation de la matière organique au niveau la zone inondée est à l’origine de rejets de gaz à effet de serre (CO2 et CH4). Les barrages perturbent également fortement les habitats des espèces piscicoles. 8. Une pile électrochimique est constituée de deux électrodes de nature différente plongeant dans une solution conductrice. Une transformation chimique spontanée entraîne un mouvement d’électrons dans les électrodes reliées par un fil conducteur, à l’origine de la tension aux bornes de la pile. Les piles à hydrogène sont des piles fonctionnant grâce à la décomposition du dihydrogène H2 en deux protons et deux électrons. Le bilan de la réaction qui se déroule dans la pile est : 2H2 + O2 –> 2H2O. 9. L’énergie électrique peut-être stockée sous forme d’énergie potentielle (pompage au niveau des barrages hydroélectriques), d’énergie chimique (charge d’une batterie ou d’une pile à hydrogène) ou d’énergie électrostatique (charge d’un supercondensateur).

Pour s’échauffer 1. QCM 1. a. Faux. b. Faux. c. Vrai, c’est l’ordre de grandeur de la puissance fournie par une tranche de centrale nucléaire (c’està-dire un réacteur de la centrale). c. Faux.

2. a. Faux.

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b. Vrai, c’est l’ordre de grandeur pour les grandes éoliennes qui peuvent fournir jusqu’à 5 MW. c. Faux. d. Faux.

3. a. Faux. b. Vrai, les piles à H2 font partie des piles dites à combustible. Ce n’est pas une combustion comme la combustion des énergies fossiles, mais on parle de « combustion électrochimique » de H2. c. Faux. d. Faux.

4. a. Faux, attention il ne faut pas confondre fusion et fission nucléaire. b. Faux. c. Vrai, comme dans toute centrale thermique, dans une centrale nucléaire, de la vapeur d’eau en se refroidissant entraîne une turbine et un alternateur (machine thermique du circuit secondaire). d. Vrai, la fission de l’uranium 235 libère l’énergie permettant de transformer l’eau en vapeur d’eau (circuit primaire).

5. a. Faux. b. Faux. c. Faux. d. Vrai, sans source d’eau froide, la machine thermique ne peut pas fonctionner. C’est le refroidissement de la vapeur d’eau grâce à la source froide qui permet d’entraîner la turbine.

6. a. Vrai, l’induction électromagnétique (chapitre 5) est la conversion de l’énergie mécanique en énergie électrique, ce qui se passe dans une machine thermique. b. Faux, l’effet Joule représente la dissipation d’énergie. c. Faux, cet effet est à la base des panneaux solaires. d. Faux, cette conversion a lieu dans les piles et batteries.

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7. a. Faux, l’énergie cinétique (donc mécanique) du vent est convertie en électricité. b. Vrai, son principe de fonctionnement repose sur l’effet photovoltaïque. c. Faux, son principe repose sur une machine thermique. d. Faux, son principe repose sur une machine thermique.

8. a. Vrai, 0,65 × 0,97 × 0,99 = 0,62, soit 62 %. b. Faux. c. Faux. d. Faux.

9. a. Faux, par exemple l’extraction de lithium pour les piles Li-ion a des conséquences environnementales importantes en Amérique du Sud. b. Vrai, par exemple, lors de la décomposition de la matière organique dans les eaux des barrages. c. Faux. d. Vrai, c’est le cas par exemple des barrages.

2. Vrai/Faux 1. Faux 2. Vrai 3. Vrai 4. Faux 5. Vrai

3. Associations Nucléaire → tout sauf intermittent, mais risques chimiques limités (sauf à la production de l’uranium), ressource parfois locale (mais pas en France par exemple). Éolienne → production de CO2 à la construction, ressource locale, intermittente. Thermique charbon → production de CO2 à la construction et lors de l’exploitation, ressource parfois locale. Pile → risque chimique, production de CO2 à la construction.

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Combustion biomasse → Risque chimique, production de CO2 à la construction et lors de l’exploitation (faible mais non nulle), ressource locale (mais pas forcément), ressource intermittente (annualisée).

4. Unités et ordres de grandeur 1. M235 = 4 % × 1 kg = 40 g. N235 = 40 / (235 × 6,02 × 1023) = 1,025 × 1023 atomes. 2. E = N235 × 193 MeV = 1,98.1025 eV = 3,17 × 1012 J = 880 MWh 3. Mcharbon = 3,17 × 1012 / (36 × 10⁶) = 88 10³ kg de charbon 4. MCO2 = 2,6 × 88 = 228 t CO₂

5. Lecture de graphique 1. Diamètre minimal : 40 m 2. Diamètre minimal : 55 m 3. Rendement maximal : au plus 31 % 4. L’éolienne de cette taille la moins performante a un rendement proche de 18 % et la plus performante a un rendement proche de 39 %.

6. Calculs et ordres de grandeurs 1. 40 kWh = 144 MJ → 3,6 kg d’essence équivalent 2. 3,6 kg d’essence correspond pour une voiture thermique à une autonomie de l’ordre de 100 km, ce qui est sensiblement le cas pour un véhicule électrique. 3. Tcharge = 40 / 6 = 6,66 h = 6 h 40 min 4. Pmoy = 40 / 1,5 = 26,7 kW

Méthode : Exercices d’application 8. Bilans carbone de la production électrique 1. Le bilan net de CO2 est lié à la seule exploitation de l’énergie en jeu. Seules les centrales thermiques à combustible fossile contribuent à cette émission nette. Le bilan global en revanche inclut la production de CO2 lors de la construction et de l’acheminement de l’énergie : il est donc non nul quel que soit le type d’énergie. 2.

Photovoltaïque

162 à 928 × 103 tCO₂ < < au reste

Éolien

272 à 682 × 10³ tCO₂ < < au reste

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Nucléaire

1,5 10⁶ t (comparable à la production fioul ou déchets ménagers)

3. Pour le thermique à combustible fossile, le bilan global est de : 17,5 × 10⁶ tCO2 / 42,6 Twh = 410,8 gCO₂ / kWh . L’ordre de grandeur de l’estimation de l’ADEME est parfaitement cohérent avec ce résultat.

Tester ses compétences 9. Le rendement d’une centrale nucléaire à eau pressurisée 1. Pméca = (1450 + 40) / 0,98 = 1 520 MW 2. Preçue primaire = 4 250 + 20 = 4 270 MW 3. Preçue secondaire = 2 135 MW + 20 MW = 2 155 MW 4. Pperdue primaire = 2 135 MW. Pperdue secondaire = 2 155 – 1 520 = 635 MW. Pperdue alternateur = 1 520 × 0,02 = 30 MW 5. ρ = 1 450 / 4 250 = 34,1 %

10. Les risques de l’hydroélectricité - Impact sur les populations : destruction potentielle zone d’habitat à la construction, risques sismiques. - Impact sur l’environnement : destruction faune / flore locale, production de CO₂ à la construction, risques sismiques, rejet d’autres GES (comme le méthane par exemple)

11. Une chaîne de transformation Remarque : cet exercice peut être l’occasion d’effectuer des calculs et de tracer une courbe sous Excel. U1 I1 P1 U2 I2 P2 v C Pmeca Pmeca/P1 P2/Pmeca P2/P1 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0 0 0,00 1,9 1,1 2,0 0,6 0,1 0,0 19 5 0,60 0,29 0,06 0,02 2,6 1,2 3,0 1,0 0,1 0,1 30 5 0,94 0,31 0,11 0,03 3,5 1,3 4,5 1,6 0,2 0,2 35 7 1,54 0,34 0,16 0,05 4,4 1,5 6,4 2,4 0,2 0,6 35 8 1,76 0,27 0,33 0,09 5,6 1,6 9,1 3,4 0,3 1,2 36 10 2,26 0,25 0,52 0,13 6,6 1,8 11,7 4,4 0,4 1,9 43 12 3,24 0,28 0,59 0,16 7,4 1,9 14,3 5,1 0,5 2,6 50 14 4,40 0,31 0,60 0,19 8,5 2,1 17,5 6,1 0,6 3,7 59 16 5,93 0,34 0,63 0,21 9,4 2,2 20,7 6,9 0,7 4,8 66 17,5 7,25 0,35 0,66 0,23 10,4 2,3 23,5 8,0 0,8 6,4 74 18,5 8,60 0,37 0,74 0,27 11,9 2,5 29,4 9,5 1,0 9,1 88 22 12,16 0,41 0,75 0,31

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Les réponses aux questions 1 et 2 sont dans le tableau de résultats ci-dessus. Détail des calculs : 1. a. P1 = U1 × I1 b. Pmeca = ν × C × 0,001 × 2 × 3,14 c. P2 = U2 × I2 d. Pmeca / P1 e. P2/Pmeca 2. Rendement global : P2/P1 Rendement global en fonction de la vitesse de rotation de l'arbre 0,35 0,30

P2/P1

0,25

0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 0

20

40

60

80

100

v (tours par seconde)

Objectif BAC 12. L’intermittence des sources renouvelables d’électricité 1. Éolien : 28 000 GWh / 15 108 MW =1,8 GWh / MW installé. Solaire : 1,2 GWh / MW installé. Hydraulique : 2,7 GWh / MW installé. Note : 1 MW installé produit théoriquement 8,76 GWh 2. L’éolien et le solaire sont intermittents. L’hydraulique peut fonctionner continument, mais une partie du temps sert de stockage (relevage de l’eau) et il peut y avoir des moments de lacs à sec (l’été par exemple). Le rendement reste notablement supérieur avec l’hydraulique. 3. Si on considère un maillage carré pour une éolienne de 70 mètres de diamètre, elles sont éloignées de 420 m les unes des autres. Soit 1 éolienne pour 420² m² = 1 / 176 400 m²= 5,67 éoliennes / km². 4. Énergie maximale théorique par unité de surface : 2 MW × 365 × 24 × 5,67 = 99 ,3 GWh/an/km² 5. Production effective de 2 × 5,67 × 1,8 = 20 GW h/an/km²

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6. Pour 393 TWh, il faut une surface de 19 650 km² soit un peu plus de 3 % de la surface du territoire métropolitain. 7. Solaire : 1,3 MWh/m²/an = 1 300 GWh/an/km² , pour produire 393 TW h il faut donc 302 km² de panneaux. 8. Pour des raisons de production et/ou de disponibilité de surface, il n’est aujourd’hui pas envisageable de remplacer par uniquement du solaire ou des éoliennes ce qui est fourni par le nucléaire. En tout état de cause, cela nécessiterait du stockage en conséquence afin de lisser la production.

13. L’électricité hydraulique 1. Dans les barrages au fil de l’eau, la hauteur de chute est faible, mais le débit par turbine est important et continu. Dans les barrages de type voûte et les barrages en terre, la hauteur de chute est élevée. La construction d’un barrage au fil de l’eau réclame moins de béton que celle d’un barrage de type voûte, mais l’entretien est plus important (problème du sable qui use les pales des turbines). Par ailleurs, un barrage au fil de l’eau doit être installé sur un fleuve dont la structure et le débit le permettent. La construction des barrages de type voûte consomme une grande quantité de béton. En outre, les barrages de type voûte et les barrages en terre nécessitent de créer une retenue d’eau artificielle, avec un impact fort sur le paysage, les écosystèmes et les éventuelles habitations qui se trouvent définitivement inondés. En outre, la matière organique végétale de la zone inondée est dégradée, ce qui occasionne la libération dans l’atmosphère de quantités non négligeables de méthane et de dioxyde de carbone (gaz à effet de serre). Toutefois, la présence d’une retenue d’eau artificielle permet de moduler davantage la production électrique en fonction de la demande et, dans certains barrages, de pomper l’eau de l’aval du barrage vers la retenue aux périodes de faible demande en électricité.

2. Le barrage de Lavey fournit une quantité d’électricité de 400 GWh par an. Une année comporte 365 x 24 = 8760 heures. La puissance P fournie par le barrage est donc : 400 = 0,0457 𝐺𝑊 = 45,7 𝑀𝑊 8760 45,7 Comme le barrage comporte 3 turbines, chaque turbine fournit en moyenne 3 = 15,2 MW. 𝑃=

Le barrage de Serre-Ponçon fournit une quantité d’électricité de 720 GWh par an. La puissance P fournie par le barrage est donc : 720 𝑃= = 0,0822 𝐺𝑊 = 82,2 𝑀𝑊 8760 82,2 Chacune des quatre turbines fournit donc 4 = 20,6 MW en moyenne. 3. La puissance maximale théorique fournie par chaque turbine est : P1 = 10³ × 9,81 × 120 × 75 = 88,3 MW. Le rendement de chaque ensemble turbine-alternateur étant de 75 %, la puissance maximale que peut fournir chaque turbine-alternateur est : 75 P2 = 88,3 × 100 = 66,2 MW

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Comme il y a quatre turbines, la puissance maximale que peut fournir le barrage de Serre-Ponçon est P2 × 4 = 265 MW. 4. La puissance maximale pouvant être mise en jeu par les 3 turbines est : P = 10³ × 9,81 × 8 × 220 × 3 = 51,8 MW. À la question 2, on a calculé que la puissance moyenne fournie par le barrage est de 45,7 MW. 45,7 Le rendement est donc égal à 51,8 × 100 = 88,2 %. Focus méthode

Le rendement est défini par la puissance réellement fournie par le barrage, divisée par la puissance théorique, calculée pour chaque turbine grâce à la formule donnée dans l’énoncé.

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Chapitre 7 : Optimisation du transport de l’électricité Programme • Chapitre 7. Optimisation du transport de l’électricité

Savoirs Au cours du transport, une partie de l’énergie électrique, dissipée dans l’environnement par effet Joule, ne parvient pas à l’utilisateur. L’utilisation de la haute tension dans les lignes électriques limite les pertes par effet Joule, à puissance transportée fixée. > Unité 1

Un réseau de transport électrique peut être modélisé mathématiquement par un graphe orienté dont les arcs représentent les lignes électriques et dont les sommets représentent les sources distributrices, les noeuds intermédiaires et les cibles destinatrices. > Unité 2 Dans ce modèle, l’objectif est de minimiser les pertes par effet Joule sur l’ensemble du réseau sous les contraintes suivantes : – l’intensité totale sortant d’une source est limitée par la puissance maximale distribuée ; – l’intensité totale entrant dans chaque noeud intermédiaire est égale à l’intensité totale qui en sort ; – l’intensité totale arrivant à chaque cible est imposée par la puissance qui y est utilisée. > Unité 2

Savoir-faire Faire un schéma d’un circuit électrique modélisant une ligne à haute tension. Utiliser les formules littérales reliant la puissance à la résistance, l’intensité et la tension pour identifier l’influence de ces grandeurs sur l’effet Joule. > Unité 1 Modéliser un réseau de distribution électrique simple par un graphe orienté. Exprimer mathématiquement les contraintes et la fonction à minimiser. > Unité 2 Sur l’exemple d’un réseau comprenant uniquement deux sources, un nœud intermédiaire et deux cibles, formuler le problème de minimization des pertes par effet Joule et le résoudre pour différentes valeurs numériques correspondant aux productions des sources et aux besoins des cibles. > Unité 2

Prérequis et limites Les relations quantitatives associées à l’effet Joule sont connues pour le courant continu. Elles sont admises ou fournies pour le courant alternatif. La notion de facteur de puissance est hors programme. La notion de graphe, abordée dans l’enseignement de sciences numériques et technologie de seconde, est ici mobilisée. Il convient d’insister sur la différence entre les deux types de modèles introduits dans ce sousthème, le modèle de circuit électrique et le modèle mathématique de graphe. Les connaissances sur les fonctions sont mobilisées.

Pour bien commencer 1. et 2. Il s’agit d’une tension alternative de 230V efficaces, à fréquence 50 Hz. Il est important de noter que c’est une tension qui est délivrée, le courant s’adapte à la charge (dans la limite de son abonnement domestique et des éléments de sécurité de limitation). 3. L’effet Joule représente les pertes ohmiques, c’est-à-dire la dissipation thermique due à la présence d’une résistance dans le circuit. Plus la résistance est grande, plus les pertes par effet Joule seront importantes.

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Unité 1 Choix pédagogiques La première unité de ce chapitre présente comment l’énergie électrique est transportée de la zone de production aux consommateurs dans les lignes (doc 1) et les contraintes technologiques associées. La modélisation du réseau est présentée à l’unité suivante. Le doc.2 présente le principe du transformateur. Le fonctionnement n’est pas détaillé, mais avec les concepts de base de l’électromagnétisme vus dans l’unité 1 du chapitre 5, il est possible de faire toucher du doigt son fonctionnement. Le transformateur est essentiel dans la production et la distribution d’électricité alternative : rendement très élevé et adaptation du niveau de tension. Les formules fondamentales sont données. Docs 3 à 5. La distribution nécessite des conducteurs (des lignes) et des supports à ces conducteurs (les pylônes) adaptés aux forts courants et fortes tensions, ainsi qu’au contraintes mécaniques et géographiques. Docs 5 et 6. À tension constante, plus une charge possède une haute résistance, moins la puissance Joule est élevée (PJ = U² / R). On pourrait abusivement penser qu’une ligne devrait se trouver à haute résistance pour cette raison si l’on n’y prend garde. Ce qui nous intéresse au contraire dans le transport de l’électricité, c’est de minimiser les pertes dans la ligne, i.e. de maximiser la puissance transmise par rapport à la puissance perdue dans la ligne. Auquel cas, le courant est imposé globalement par la charge, la tension de distribution n’est pas celle aux bornes de la ligne ! Et à courant constant, la puissance Joule vaut PJ = R I ², qui est minimale lorsque R tend vers zéro. Doc.7. Le document illustratif permet de montrer que la solution alternative n’est pas la meilleure pour tous les cas de figure. Les interconnexions entre différents réseaux sont toujours des problèmes complexes, le passage par le courant continu est une solution efficace, d’autant plus lorsque les lignes sont enterrées. Doc.8. Si la distribution domestique est uniquement effectuée en alternatif, les paramètres ne sont pas uniques pour tous les pays du monde. Ils sont relativement homogènes en Europe mais beaucoup plus disparates notamment en Amérique.

Exploiter les documents : Correction 1. Outre l’identification conforme au doc.3, on pourra distinguer par exemple les transformateurs au sol, très haute tension ou bien au niveau des poteaux électriques. On notera également le nombre de conducteurs en moyenne et haute tension (par 3) ou basse tension (par 4 avec le neutre). 2. Si un transformateur élève la tension, le facteur de transformation n = U2/U1 est plus grand que 1. Comme I2/I1 = 1/n, cela signifie que le courant est plus faible. P1 = U1I1 ; P2 = U2I2 ; ρ = P2/P1 = U2I2/U1I1 = U2/U1 × I2/I1 = n × 1/n = 1 (formellement). 3. La longueur des câbles est liée à la distance qu’il est nécessaire de parcourir, la section à la masse que les supports peuvent supporter. L’aluminium présente l’avantage d’une densité relativement faible et une résistivité correcte (meilleure que le fer par exemple). Le cuivre que l’on réserve pour l’habitation est cher, dense, mais sa faible résistivité et ses propriétés mécaniques permettent l’usage d’un diamètre réduit et tolère la courbure.

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4. L’intérêt d’un transport sous haute tension est la réduction des pertes par effet Joule. Le passage en continu sous la Manche assure une perte par dissipation diélectrique moindre pour des lignes enterrées. Mais cela implique deux stations de conversion de part et d’autre de la Manche. Par ailleurs, ces stations peuvent permettre une adaptation locale fine de la fréquence du réseau et de sa tension (qui ne sont pas des constantes strictes, mais des optimisations suivant diverses contraintes).

Esprit critique : Correction Plusieurs réponses. •

À plus faible tension, pour une puissance identique, les courants en jeu sont plus élevés. Donc les pertes sur les lignes de transport plus grandes. De même, au sein d’une habitation, la section des câbles doit être plus élevée pour supporter un courant plus élevé pour une puissance des appareils identique.

•

En revanche, à plus faible tension, les risques domestiques sont (légèrement) plus faibles pour les personnes, le risque étant lié directement à la valeur de la tension.

Unité 2 Choix pédagogiques Dans cette unité, nous nous intéressons à une modélisation simple sous forme de graphes de réseaux électriques. Le programme limite ces études à des cas simples. Nous prendrons de plus l’hypothèse que la tension est une constante sur le réseau (ce qui est inexact, les lignes imposant, formellement, une chute de tension qu’il conviendrait de prendre en compte). Doc.1. Le fonctionnement d’un réseau électrique au niveau national est complexe, ce que l’on ne perçoit pas forcément en tant que consommateurs d’électricité. Outre les aspects de distribution de l’électricité entre producteurs et consommateurs, interviennent des aspects de trading de l’électricité en temps réel suivant les sources disponibles. Doc.2. Présentation du graphe (qu’il faut connaître), correspondant à un des modèles les plus simples possibles : deux producteurs, deux consommateurs, une interconnexion. La formalisation des pertes est donnée sous l’hypothèse d’un fonctionnement à tension constante, seule la loi des nœuds et la connaissance de la puissance Joule sont requises. Doc.3. Application d’un algorithme de minimisation de pertes d’un graphe non trivial, les étapes étant données pas à pas. Le doc.4, en complément du doc.3, permet de toucher du doigt la problématique de la minimisation des pertes dans un réseau électrique : algorithmique et choix de la puissance injectée par chaque producteur afin d’optimiser le système, sous la contrainte d’une puissance (i.e. d’un courant si l’on est à tension constante) maximale possible pour chaque source. Doc.5. La résolution formelle précédente est mal aisée. Nous présentons ici une méthode numérique basée sur un calcul au sein d’un tableur. Ce type de calculs doit être maîtrisé par les élèves et permet de remobiliser ces connaissances ici. Plusieurs cas sont étudiés

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Doc.6. De façon ludique, afin de mieux appréhender les nécessaires redondances d’un réseau qui doit fournir à tout instant de l’énergie aux consommateurs, nous proposons de découvrir un jeu produit par la société nationale norvégienne d’électricité.

Exploiter les documents : Correction 1. Les événements sportifs peuvent être vus par des millions de spectateurs rien qu’en France, il s’agit souvent des audiences les plus élevées. Dans ce cadre, les dispositifs de retransmission et de réception sont très sollicités (réseaux, téléviseurs, ordinateurs…), ce qui implique des consommations électriques plus élevées, parfois à des heures non usuelles pour de tels pics. 2. On obtient le même arbre. Rtot = 1 + 3 + 3 + 2 + 5 + 11 = 25. 3. La condition pour que P et I soient proportionnelles et qu’on l’on soit à tension U constante, puisque P = U × I. 4. Remarque : On ne s’occupe pas des unités dans cette activité : on modélise simplement les valeurs, on pourrait toujours ensuite y adjoindre les unités. Premier jeu de donnée On constate que la seconde centrale a une capacité plus grande que la première (elle peut délivrer 3 au lieu de 2) ; pour autant elle est connectée à une ligne qui dissipe davantage (0,04 au lieu de 0,02). Pour atteindre l’optimum de distribution du courant, il faudra donc éviter de trop l’utiliser. On trouve :

I_1opt

1,333

I_2opt

0,667

Dissipation totale 0,0533

Deuxième jeu de données On conserve les mêmes paramètres, mais on augmente la charge, c’est-à-dire la demande de consommation. La centrale 1 doit fournir son maximum, et on atteint donc sa limite.

I_1opt

2,000

I_2opt

1,500

Dissipation totale 0,1700

Troisième jeu de données Les lignes sont toujours identiques, la charge ne change pas, mais les capacités des centrales sont modifiées. La centrale 2 ne peut plus délivrer que 1, et la centrale 1 peut désormais délivrer 3. La centrale 1 doit fonctionner à sa limite.

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I_1opt

2,500

I_2opt

1,000

Dissipation totale 0,1650

Quatrième jeu de données La consommation totale de 3,5 excède le courant délivré par les deux centrales, ce qui est la source du problème. 5. La redondance et la disposition des sources permet d’assurer une robustesse du réseau. Il s’agit de minimiser les résistances mais aussi d’assurer suffisamment de redondance pour pallier une éventuelle défaillance.

Esprit critique : Correction Un maillage permet une redondance et des délestages lorsque des points du réseau sont défaillants. Par exemple dans le doc.2 de l’unité, un défaut au niveau du nœud N entraine l’absence d’énergie électrique pour tous les consommateurs. Un black-out électrique est un phénomène relativement rare qui prive d’électricité une large étendue d’un territoire. Il intervient lorsque les délestages plus ou moins automatiques ont lieu et que les dispositifs de sécurité sont soit inopérents soit inexistants. En effet, lors de délestages, les courants circulant sur les réseaux encore opérationnels sont plus importants, et peuvent endomager les réseaux. Si tel est le cas, ces branches deviennent inopérantes, le délestage a lieu sur d’autres zones encore plus chargées du réseau, le phénomène s’emballe et l’ensemble du réseau tombe. Remarque : il existe une page Wikipedia recensant les grands black-out ayant eu lieu depuis 1965 dans le monde. Cela peut servir de point de départ à une recherche plus approfondie sur certains black out (causes et conséquences). https://fr.wikipedia.org/wiki/Liste_de_pannes_de_courant_importantes

Corrigés des exercices Mémoriser son cours 1. La puissance dissipée sous forme de chaleur par un conducteur ohmique suit la relation P = R · I². 2. Puisque la puissance dissipée par effet Joule vaut P = R · I² et que U = R ·I (2 e loi d’Ohm), si on augmente U, on diminue I et donc on diminue la puissance P dissipée. L’utilisation de hautes ou très hautes tensions permet donc de minimiser les pertes par effet Joule lors du transport de l’électricité. 3. Pour modifier (augmenter ou diminuer) une tension alternative, on utilise un transformateur. Il repose sur le phénomène d’induction et a un rendement proche de 1. 4. Un réseau de transport électrique se modélise mathématiquement sous la forme d’un graphe orienté dont les sources sont les centrales électriques, les cibles sont les utilisateurs et les nœuds sont les interconnexions entre les lignes.

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On représente ici sous forme de graphe un réseau électrique avec deux sources délivrant des intensités i1 et i2, un nœud intermédiaire et deux cibles destinatrices.

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5. Pour minimiser les pertes dues à l’effet Joule sur un réseau électrique : -

Une première solution consiste à relier les sources, les nœuds et les cibles par un réseau optimal dans lequel la résistance et les coûts de construction sont réduits. La construction de ce réseau optimal s’appuie sur des algorithmes.

-

Pour un réseau électrique donné, on détermine à l’aide de méthodes numériques et graphiques la valeur de l’intensité délivrée par la ou les centrales permettant de minimiser les pertes par effet Joule tout en répondant aux contraintes du réseau (comme la dissipation par effet Joule dans les lignes électriques, la consommation électrique des usagers et la puissance maximale des centrales).

Pour s’échauffer 1. QCM 1. a. Faux, le courant sur chaque ligne est le plus souvent différent. b. Faux. c. Vrai, c’est la loi des nœuds. d. Vrai, car il est précisé dans l’énoncé de la question que le réseau est sous une tension constante. 2. a. Vrai, la résistance est proportionnelle à la résistivité, donc on cherche à réduire la résistivité pour réduire la résistance et donc les pertes par effet Joule. b. Faux c. Vrai, souvent les câbles électriques possèdent une « âme » pour assurer leurs propriétés mécaniques (voir doc.4 p. 156). d. Faux, dans l’idéal, ce ne serait pas une mauvaise idée, mais dans les faits, ce n’est pas un critère déterminant pour le choix du matériau d’une ligne électrique.

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3. a. Vrai, car il y a des pertes ohmiques (effet Joule) lors du transport sur les lignes électriques. b. Faux. c. Vrai, à cause des pertes ohmiques, les intensités i2 et i3 transportées sont inférieures ou égales à s2. d. Faux, i3 et i4 ne proviennent pas de la même source. 4. a. Vrai, d’après la loi des nœuds qui s’applique au nœud intermédiaire N1. b. Vrai, puisque i1 + i2 = i5 + i6 d’après la loi des nœuds, on a donc i1 + i2 ⩾ i5. c. Faux, d’après la loi des nœuds, les intensités entrantes au noeud N2 équivalent les intensités sortantes. d. Faux, ces deux intensités ne proviennent pas de la même source, il n’y a pas de raison qu’elles soient égales. 5. a. Vrai. b. Faux, c3 reçoit des intensités de courant issues de deux sources. c. Vrai. d. Faux, c4 reçoit des intensités de courant issues de deux sources. 6. a. Faux. b. Vrai, la résistivité s’exprime en Ω · m. c. Faux. d. Faux. 7. a. Faux b. Vrai, c’est cette approximation qui permet de raisonner sur les intensités puisque si U est constante, P et I sont deux grandeurs proportionnelles. c. Faux, par exemple les puissances émises par les sources sont souvent différentes. d. Faux, les pertes dépendent de la résistance et de l’intensité de chaque fil électrique. 8. a. Vrai, cela permet de réduire la puissance dissipée par effet Joule (R · I²). b. Faux, les pertes par effet Joule seraient très importantes ! c. Faux, la résistance d’un fil électrique augmente les pertes par effet Joule (R · I²).

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2. Vrai/Faux 1. Faux, il arrive que du courant continu soit transporté, par exemple dans des lignes souterraines. 2. Faux, elle est proche de 120 V aux États-Unis par exemple. 3. Vrai, afin de limiter les pertes par effet Joule. 4. Faux, c’est un problème plus complexe, qui nécessite des outils de résolution mathématiques. 5. Vrai, R est inversement proportionnelle à S. 6. Faux, il existe différents algorithmes plus ou moins complexes pour optimiser un réseau.

3. Qui suis-je ? 1. La résistivité. 2. L’effet Joule (ou puissance Joule). 3. Un graphe orienté. 4. La loi des nœuds. 5. La redondance du réseau.

4. Réseau simple 1. i1 + i2 + i3 = i’1+i’’1 + i’3. i2 = i’2 + i’’2. 2. Si i2 = 0 alors i’2 et i’’2 valent également 0. On note P3 la puissance dissipée sur la ligne 3. On aura alors P3 = R3 × i3² avec R3 la résistance de la ligne entre s3 et c3. On note P1 la puissance dissipée sur la ligne 1. On aura alors P1 = R1i1+R1’i1’² + R1’’i1’’² où R1, R1’, R1’’ sont les résistances des lignes où circulent respectivement les courant i1, i1’, i1’’.

5. Aluminium ou cuivre ? 1.a. R = ρl/s = 28 · 10–9 × 250/(500 · 10–6) = 0,014 Ω. b. M = 2,7 · 103 × 250 × 500 · 10–6 = 337,5 kg 2.a. s = ρl/R = 17 · 10–9 × 250/0,014 = 3,04 · 10–4 m² = 303 mm². b. MCu = 8,96 · 103 × 250 × 3,04 · 10–4 = 680 kg. c. Pour une section à peine plus réduite, la masse est considérablement plus élevée, c’est mécaniquement beaucoup plus contraignant. 3. Soit PV le prix de vente. Pour la ligne, PVCu = 3 720 € ; PVAlu = 537 €. L’aluminium est beaucoup plus intéressant financièrement.

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6. Transformateur 1. I1 = P/U = 2 · 106/(20 · 103) = 100 A. I2 = 2 · 106/400 = 5 kA. 2. n = U2/U1 = 0,02 = 1/50. 3. On vérifie immédiatement que I2/I1 = 50. 4. nbasse_tension = n × N1 = 2 000/50 = 40.

7. Construire un réseau optimal 1. La résistivité, la longueur et la section. 2. Application de l’algorithme de Prim :

Tester ses compétences 8. Modélisation d’un réseau électrique 1.

i3

i4 2.D = R1 · i1² + R2 · i2² + R3 · i3² +

R4 · i4²

3. i1 + i2 = i3 + i4 4. i2 = K – i1 5. D = R1 · i1² + R2 · (K – i1)² + pt = (R1 + R2) i1² – 2R2 · K · i1 + R2 · K² + pt.

9. Optimiser un réseau électrique simple 1. P1 + P2 = 30 MW 2. Q1 = R1 · i1², Q2 = R2 · i2².

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3. P1 = U1 · i1 = U · i1. Q1 = R1 · i1² = R1(P1/U)² = k1 · P1² soit k1 = R1/U². 4. P = P1 – Q1 + P2 – Q2 = P1 – k1 · P1² + P2 – k2 · P2² 5. On observe dans le tableau du doc.2 qu’il existe le couple P1 = 11 W et P2 = 19 W pour lesquelles la somme des pertes Q1 + Q2 est minimale et vaut 3,38 W . Remarque : Pour les élèves de spé maths, on peut faire le raisonnement suivant : Soit P0 = P1 + P2. Alors P = P0 – k1 · P1² – k2 · (P0 – P1)² = P0 – k1P1² – k2P0²+ 2k2P0P1 – k2P1² = P0 – k2P0² – (k1 + k2)P1² + 2k2P0P1. Il s’agit d’une parabole P(P1) telle que P(P1)→moins l’infini en ± l’infini. L’extremum est donc un maximum et il a lieu tel que la dérivée dP(P1)/dP1 = 0, i.e. –2k1P1 + 2k2P0 = 0, i.e. P1 = k2/(k1 + k2) × P0 = 0,006/0,01 × 30 = 11,25 MW 6. 6

Pertes (Q1 + Q2)

5 4 3 2

1 0 0

5

10

15

20

25

P1

On retrouve graphiquement le résultat de la question 5.

Objectif BAC 10. Le réseau électrique français 1. Les lignes à 225 kV se concentrent au niveau des grosses métropoles (Lille, Île de France, Lyon, Marseille, Bordeaux, Strasbourg…) et dans une moindre mesure sur les grands axes de communication. Il s’agit d’approvisionner les consommateurs. 2. Les lignes à 400 kV ne se répartissent pas de la même façon, il s’agit d’acheminer l’énergie électrique à partir des principales sources. On les trouve sur les trajectoires des centrales nucléaires (principale source d’énergie électrique en France).

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Note : Des lignes à très haute tension relient Brest alors qu’il n’y a pas de centrale nucléaire. Cependant, une ancienne centrale qui n’est plus en fonctionnement y était présente, les lignes demeurent. 3. La production nucléaire n’a pas lieu aux endroits de consommation. D’ailleurs on fait en sorte que les centrales soient relativement éloignées des zones à haute densité de population. Leur localisation est proche des fleuves ou de la mer (pour le Nord) afin d’assurer le refroidissement de la vapeur d’eau qui entraîne la turbine dans le circuit primaire et le refroidissement du circuit tertiaire. À noter que la localisation n’a rien à voir avec les lieux historiques de production d’uranium en France (qui n’est désormais plus produit en métropole mais importé).

Focus méthode - Pour répondre aux questions, je repère sur la carte des densités de population (doc.5) les grandes métropoles que je peux identifier (ex : Paris, Lyon, Marseille…). - Je mets en relation les informations issues des différentes cartes. Par exemple, le lien entre les cours d’eau et la localisation des centrales nucléaires. - J’utilise mes connaissances sur les risques liés au nucléaire ou au transport d’électricité sous haute tension pour formuler des hypothèses.

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Chapitre 8 : Choix énergétiques et impacts sur les sociétés Pour ce dernier chapitre du thème 2 sur l’énergie, on s’intéresse aux choix de société liés à la production et à l’utilisation de l’énergie. En particulier, on s’attache à montrer l’importance des choix politiques dans l’évolution des mix énergétiques nationaux (unités 1 à 4), avec un focus particulier sur les énergies nucléaires (unités 2 et 3) et éoliennes (unité 4). Les deux dernières unités du chapitre sont consacrées à l’utilisation de l’énergie dans une activité quotidienne : le transport. D’abord avec le transport longue distance (unité 5) et les transports domicile-travail (unité 6). Ces ensembles documentaires permettent de sensibiliser les élèves aux difficultés qui se posent pour une transition énergétique : coût des installations, temps nécessaire à l’évolution des infrastructures, mutation industrielle, adéquation avec les besoins.

Programme • Chapitre 8. Choix énergétiques et impacts sur les sociétés

Savoirs

Savoir-faire

Pour que soit mise en oeuvre une adaptation efficace aux changements inéluctables et qu’en soit atténué l’impact négatif, les choix énergétiques supposent une comprehension globale du système Terre. > Unités 1 et 4

Analyser d’un point de vue global les impacts de choix énergétiques majeurs : exemple du nucléaire. > Unités 1 et 2

Ces choix doivent tenir compte de nombreux critères et paramètres : disponibilité des ressources et adéquation aux besoins, impacts (climatique, écologique, sanitaire, agricole), vulnérabilités et gestion des risques, faisabilité, conséquences économiques et sociales. L’analyse de ces éléments de décision conduit le plus souvent à une recherche de diversification ou d’évolution des ressources (mix énergétique). > Unités 1, 4, 5 et 6

Dans une étude de cas, analyser des choix énergétiques locaux selon les critères et les paramètres mentionnés. > Unités 5 et 6

• Les durées longues, liées à l’inertie de certains systèmes (infrastructures énergétiques, transports, production industrielle), sont à confronter à l’urgence de l’action. > Unités 2, 5 et 6 La transition écologique des sociétés repose sur la créativité scientifique et technologique, > Unité 3 comme sur l’invention de nouveaux comportements individuels et collectifs (consommations, déplacements, relations Nord-Sud). > Unités 5 et 6 Prérequis et limites Ce sous-thème est l’occasion de mettre en perspective l’ensemble des thématiques abordées dans les thèmes 1 et 2. La notion de risques naturels étudiée au collège et en classe de seconde (SVT) est mobilisée. À travers la diversité des exemples, les élèves comprennent l’unité du concept d’énergie.

Pour bien commencer 1. Les principaux risques liés à l’exploitation de l’énergie nucléaire sont les risques d’accident au niveau des centrales et les risques liés à la gestion des déchets radioactifs sur des temps longs. 2. Une transition énergétique est, pour une société donnée, la modification structurelle des sources d’énergie utilisées pour la réalisation des différentes activités (chauffage, transport, industrie, etc.).

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3. L’atténuation au changement climatique, est la modification d’une activité de façon à réduire les émissions de gaz à effet de serre. Par exemple, cela peut être d’utiliser le vélo à la place de la voiture. L’adaptation au changement climatique consiste, dans le cadre du changement climatique, à modifier son activité pour en tenir compte, c’est par exemple l’irrigation supplémentaire demandée par les cultures.

Unité 1 Choix pédagogiques Cette première unité propose de comparer le mix énergétique de la France et de l’Allemagne permettant de présenter quelques-uns des arguments sous-tendant les choix énergétiques de l’un et de l’autre pays. Le doc.1 présente l’évolution de la production d’électricité par l’énergie nucléaire en France et en Allemagne. Il montre l’évolution du mix énergétique pour la production d’électricité en France et l’importance de l’énergie nucléaire dans celui-ci. Il rappelle également quelques-uns des jalons du développement de l’industrie nucléaire en France. En ce qui concerne l’Allemagne, le texte explique le choix politique d’abandon de l’énergie nucléaire et la réduction en cours de la capacité nucléaire du pays. Le doc.2 compare les mix énergétiques de la France de l’Allemagne ainsi que les émissions de gaz à effet de serre liées à la production d’électricité pour les deux pays. Le doc.3 permet de faire le lien entre les sources énergétiques à l’origine de l’électricité et les émissions de gaz à effet de serre (en équivalent dioxyde de carbone) correspondantes. Le doc.4 compare la part des énergies renouvelables dans la consommation électrique des pays d’Europe. Le doc.5 évoque la nécessaire fourniture de combustible à l’industrie nucléaire et la diversité des pays fournisseurs dont dépend la France. Le doc.6 montre la puissance de production électrique installée en France et en Allemagne et la part des différentes sources d’énergie alimentant ces installations.

Exploiter les documents : Correction Proposition de texte : On constate (docs 1, 2 et 6) que la France produit l’essentiel de son électricité par des centrales nucléaires tandis que l’Allemagne produit son électricité à partir de sources énergétiques plus diversifiées, dans l’ordre, énergies renouvelables, charbon, gaz et nucléaire. Le choix d’abandonner la production nucléaire en Allemagne nécessite d’avoir recours au charbon, au moins pendant quelques années, le temps de développer les énergies renouvelables (docs 1 et 6). Les émissions de gaz à effet de serre sont ainsi plus faibles en France qu’en Allemagne (doc.2) du fait de l’importance de l’énergie nucléaire en France et de l’importance encore élevée du charbon en Allemagne (docs 2 et 3). L’importance des pollutions liées à l’usage des combustibles fossiles n’est pas

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précisée dans les documents de ces deux doubles pages mais doit également être prise en compte (voir chapitre 4 ou unité 6 de ce chapitre). La France a une proportion d’électricité produite par les énergies renouvelables relativement faible comparée à l’Allemagne (doc.2) et aux autres pays d’Europe (doc.4). Au contraire elle est dépendante de ressources énergétiques finies (l’uranium) (doc.5). Concernant la sécurité, l’importance de l’industrie nucléaire expose les populations aux risques associés : risque d’accident et risques liés à la gestion des déchets radioactifs sur des temps très longs (unité 2). Si l’aléa est faible (faible probabilité de survenue d’un accident majeur), l’enjeu, lui, est relativement fort compte tenu de la persistance dans le temps de la radioactivité et du danger potentiel qu’elle représente pour la santé humaine.

Esprit critique : Pistes d’exploitation On attend un texte présentant : - la nature des risques liés aux centrales nucléaires et en quoi ils peuvent être considérés comme spécifiques de cette industrie (accidents, déchets radioactifs). - une discussion argumentée sur la quantification de ces risques (risques environnementaux, risques sanitaires à court terme et à long terme, en fonction du type de déchets).

Unité 2 « Esprit critique » Choix pédagogiques Cette unité « Esprit critique » permet des développements autour du thème de l’énergie nucléaire proposé par le programme. La page de gauche rappelle les conséquences de l’accident de Tchernobyl en 1986 (docs 1 et 2) et une discussion sur les difficultés d’établir un bilan humain de la catastrophe (doc.3). La page de droite traite de la question des déchets radioactifs. Le doc.4 insiste sur la classification de ces déchets, extrêmement différents en termes de radioactivité et de volume produit. Les docs 5 et 6 traitent des solutions possibles pour la gestion de ces déchets et en particulier de la solution retenue en France : le stockage profond. On attend notamment les éléments suivants : - Principaux accidents nucléaires dans le cas de la production d’électricité (on attend une sélection des accidents, même si des incidents moins importants peuvent être mentionnés). - Conséquences sur le plan humain et environnemental : sources d’information, difficultés d’établir un bilan humain, incertitudes associées. - Description des différents types de déchets en mettant l’accent sur les déchets les plus dangereux et les difficultés liées à leur gestion. - Éléments du débat sur la gestion des déchets radioactifs les plus dangereux (radioactivité élevée / vie longue).

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Unité 3 « Esprit critique » Choix pédagogiques Cette unité « Esprit critique », comme la précédente, vient compléter la question de la production d’électricité par l’énergie nucléaire. Le choix est ici d’aborder la question de l’innovation scientifique demandée par le programme et de son importance pour les choix énergétiques à venir. Les docs 1 et 2 présentent les différents types de réacteurs nucléaires et leur répartition mondiale. Le doc.3 détaille le fonctionnement des réacteurs à neutrons rapides. La page de droite est consacrée à la fusion nucléaire. Une technologie très prometteuse car permettant de produire beaucoup d’énergie avec un combustible très abondant et peu coûteux, sans risque majeur ni pollutions. Cependant, la technologie est très difficile à maîtriser pour une production électrique de routine. On attend les éléments suivants : - Groupe 1 : rappeler les avantages de l’énergie nucléaire (unité 1) et en quoi les innovations présentées permettent d’en pallier certains inconvénients. - Groupe 2 : lister les inconvénients de l’électricité nucléaire (unité 2), et la difficulté de mise en œuvre des innovations proposées dans l’unité 3.

Unité 4 Choix pédagogiques Cette unité s’intéresse à l’énergie éolienne : à sa place dans la production d’électricité en France et ailleurs dans le monde, ses caractéristiques propres, ses avantages et ses inconvénients. Le doc.1 présente les « ressources de vent » existant en France et montre à la fois l’inégale répartition de la ressource, et les limites des conditions de vent permettant une production optimale. Le doc.2 montre l’évolution relativement rapide de la puissance cumulée des parcs éoliens installés en France. Le doc.4 montre la contribution variable de ce parc éolien à la production d’électricité française depuis 2016. Le doc.3 compare les puissances éoliennes de différents pays. Le doc.5 permet de comprendre le principal inconvénient reproché à l’énergie éolienne : son irrégularité et la nécessité de compenser par d’autres sources d’énergie (thermique en particulier). Le doc.6 permet de discuter de l’analyse du cycle de vie des éoliennes et la nécessaire prise en compte de l’empreinte carbone non nulle liée à l’exploitation d’une énergie pourtant disponible et gratuite. Enfin, le doc.7 présente un projet de construction d’un parc éolien à Saint-Nazaire ayant suscité une forte opposition locale. On trouvera plus d’informations sur le parc lui-même sur le site de présentation du projet http://parc-eolien-en-mer-de-saint-nazaire.fr/ et sur la fédération

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environnement durable (FED) https://environnementdurable.net/ qui regroupe des associations d’opposants aux parcs éoliens. Autres ressources : Il existe de nombreux projets de parcs éoliens sur le territoire national. Les élèves pourront rechercher des informations sur un projet local à proximité de l’établissement. On trouvera souvent des informations dans la presse quotidienne régionale (dont beaucoup d’articles sont disponibles gratuitement en ligne) sur les projets, leur dimension et leurs ambitions ainsi que les oppositions locales.

Exploiter les documents : Correction Le texte pourra présenter les éléments suivants : - Conditions et contraintes d’exploitation de la ressource en vent. - Causes de la limitation de la contribution à la production d’électricité et conséquences sur le mix énergétique. - Coût environnemental associé la création d’un parc éolien.

Esprit critique : Pistes d’exploitation Le texte pourra présenter les éléments suivants : - des innovations pour améliorer la performance (rendement énergétique, adéquation avec les besoins énergétiques), - des innovations pour réduire les coûts, - des innovations pour réduire les risques environnementaux (émissions de gaz à effet de serre, pollutions, atteinte à la biodiversité, etc.) et/ou sanitaires, - des innovations pour favoriser l’acceptabilité (conflit avec d’autres activités humaines, nuisances sonores ou visuelles, etc.).

Unité 5 Choix pédagogiques L’unité 5 fournit un ensemble documentaire concernant l’empreinte environnementale des trajets longue distance et quelques-unes des conséquences concrètes de transition énergétique des transports. Le doc.1 compare le réseau ferré français entre 1925 et 1997. Ces deux cartes produites par Etienne Auphan (CNRS) sont comparables. Il existe d’autres cartes du réseau ferré français ancien qui font figurer des réseaux secondaires gérés par des petites compagnies privées n’ayant jamais été de la compétence de la SNCF (ou des structures publiques nationales qui l’ont précédé).

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Le doc.2 montre l’évolution des carburants utilisés par les nouvelles voitures entrant sur le marché en France depuis 1940 et montre l’augmentation de la proportion de véhicules diesel dans les dernières décennies du XXe siècle et l’émergence, depuis 2010 des véhicules électriques et hybrides. Le doc.3 fournit les émissions de gaz à effet de serre de différents moyens de transport longue distance, par kilomètre parcouru par passager. On insistera auprès des élèves sur le caractère atypique de la faible empreinte carbone des transports électriques en France, puisqu’il s’agit d’une conséquence de la prépondérance du nucléaire dans le mix énergétique français. Le doc.4 compare les coûts de construction d’infrastructures ferrées et routières par kilomètres. Le doc.5 insiste sur deux aspects des investissements liés à la transition énergétique. Dans le cas d’une voie ferrée, une part importante de son empreinte carbone est liée à la construction et son amortissement en termes de bilan carbone dépend de la fréquentation (en nombre de passagers par an). Le doc.6 aborde un autre aspect de la transition énergétique des transports : la conversion industrielle, ici dans le cas de la fabrication de moteurs électriques. Le document évoque également les conséquences potentielles en termes d’emploi. Le doc.7 fournit quelques informations sur les composantes de l’empreinte carbone d’un véhicule électrique dont la consommation produit peu d’émissions (lorsque l’électricité est d’origine nucléaire), mais dont la fabrication compte pour une part importante du bilan total (davantage que pour une voiture thermique).

Exploiter les documents : Correction Les textes ou exposés produits pourront inclure les éléments suivants (on n’attend pas une présentation exhaustive sur chacun des points mais simplement que chacun soit évoqué et illustré à l’aide d’exemples). Groupe 1 - disponibilité des ressources (ressources énergétiques, matière première pour la construction, espace urbain, etc.) ; - sources énergétiques utilisées pour les différents moyens de transport et les conséquences associées cette utilisation (impact climatique notamment) ; - description des besoins des usagers et adéquation des moyens de transport à ces besoins ; - coûts socio-économiques de la construction, de la conversion industrielle, liée à l’usage des différents moyens de transport ; - durée nécessaire pour la construction des infrastructures, la conversion industrielle, etc. Groupe 2 - opportunité/pertinence de faire évoluer les moyens de transport longue distance ; - lien entre comportement individuel et impact collectif dans les transports ; - importance de la décision publique dans la disponibilité des transports longue distance ;

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- moteurs et freins des changements de comportement des usagers en matière de transport longue distance ; - place de l’innovation scientifique et technique dans le développement des nouveaux transports.

Esprit critique : Pistes d’exploitation Eléments de réponses : - la voiture électrique nécessite la mise en place d’infrastructures spécifiques (réseaux de prises électriques disponibles sur la voie publique et dans les garages privés pour la recharge) ; - conversion de l’outil industriel pour la fabrication des moteurs et des batteries ; - empreinte carbone de la fabrication imposant une longue vie d’utilisation ; - empreinte carbone très dépendante de la source d’énergie utilisée pour la production d’électricité.

Unité 6 Choix pédagogiques Cette unité s’intéresse toujours aux liens entre la consommation énergétique et les transports en se focalisant cette fois sur les transports quotidiens domicile-travail. Le doc.1 montre le lien entre lieu de résidence et lieu d’emploi en région parisienne en insistant sur l’inégale répartition des emplois (plus nombreux dans les centres-villes français que dans les périphéries). Cette inégale répartition, aggravée au cours des dernières décennies, génère de fait une obligation d’importants transports depuis les banlieues vers les centres-villes. Le doc.2 décrit la proportion relative des différents moyens de transport utilisés selon le lieu de travail. On constate que la voiture est d’autant plus utilisée que les personnes sont loin des centres-villes. En province on constate une très forte utilisation de la voiture comparée à l’Île-de-France. Le doc.3 suggère l’importance de la distance domicile – travail dans l’utilisation du vélo comme moyen de transport. Le doc.4 compare les émissions de gaz à effet de serre de la trottinette électrique (par passager et kilomètres parcourus) avec d’autres moyens de transport urbain. Cet exemple incite les élèves à réfléchir de façon holistique, sur l’ensemble du cycle de vie, à l’empreinte carbone des objets de leur quotidien. Le doc.5 s’intéresse aux transports régionaux d’Île-de-France, en fournissant des données sur le coût et le temps long nécessaire à la mise en place et à la maintenance des réseaux ferrés. Enfin le doc.6 rappelle quelques-unes des conséquences sur la santé humaine de la pollution liée au trafic routier. On pourra faire le lien entre ce document et l’unité 3 du chapitre 4.

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Exploiter les documents : Correction Les éléments suivants peuvent être utilisés dans la réponse à la question : - l’inégale répartition des zones résidentielles et des zones d’emploi ; - les besoins inégaux en transport domicile – travail selon les régions d’habitation et d’emploi ; - l’empreinte carbone associée aux différents moyens de transport quotidien ; - les changements de comportement possibles ou contraints pour le changement de moyen de transport quotidien ; - les investissements nécessaires à titre individuel ou collectif pour le changement des moyens de transport utilisés ; - les impacts sur la santé (de l’usager et collectivement) des modes de transport utilisés.

Esprit critique : Pistes d’exploitation La réponse s’appuiera notamment sur le doc.4. Elle devra inclure une réflexion sur le cycle de vie de la trottinette électrique, l’empreinte carbone associée aux différentes étapes, une réflexion sur l’origine de l’énergie (et les conséquences environnementales associées) ayant permis de produire l’électricité et une comparaison avec les autres moyens de transport urbain. Selon les types de batteries trouvées dans les trottinettes électriques (au plomb ou au lithium notamment), on peut aussi faire le lien avec la pollution engendrée par l’extraction du lithium pour les batteries. Ce point est développé dans le doc.7 p.139 (unité 4 du chapitre 6).

Corrigés des exercices Mémoriser son cours 1. Un mix énergétique est l’ensemble des sources d’énergie primaire utilisées dans un lieu donné (ville, région, pays, continent, planète entière). 2. Une centrale nucléaire peut produire de grandes quantités d’énergie avec peu d’uranium et émet très peu de CO2. Une électricité dominée par l’énergie nucléaire aura donc un très bon bilan carbone. Cependant, l’énergie nucléaire pose le problème de la gestion des déchets radioactifs de haute activité et longue durée de vie, des risques en cas d’accident majeur (impact sanitaire et écologique) et du coût de démantèlement des centrales en fin de vie (impact économique). 3. Si la contribution de l’énergie nucléaire à la production d’électricité est faible ou nulle, alors soit l’électricité est majoritairement produite par des combustibles fossiles, avec un mauvais bilan carbone, soit il est davantage fait appel à des sources d’énergies renouvelables comme le solaire et l’éolien, qui ont une faible empreinte carbone et produisent peu de déchets. Cependant, ces sources d’énergie sont intermittentes. Elles doivent donc toujours être couplées à des centrales à charbon ou à gaz, qui compensent la production électrique en cas d’insuffisance de vent par exemple. Par ailleurs, la dispersion des éoliennes a un impact important sur le paysage. 4. L’électricité produite à partir de l’énergie éolienne a un faible impact carbone et génère peu de déchet. Ses principaux inconvénients sont son intermittence et son impact sur le paysage.

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5. La fabrication des constituants, la construction et l’exploitation des éoliennes participe au bilan carbone de l’électricité éolienne. En outre, pour pallier l’intermittence du vent, il faut utiliser en complément une autre source d’énergie, le plus souvent des centrales à gaz ou à charbon. 6. Parmi les facteurs qui contribuent à la durée et à la complexité de la transition énergétique, on peut citer la durée de construction des nouvelles infrastructures (voies ferrées, réseaux urbains de transports en communs, etc.), la longue durée de vie de certaines installations (plusieurs dizaines d’années pour une centrale nucléaire par exemple) et le fait que coûts engagés dans la construction des nouvelles infrastructures ou de nouvelles unités de production d’énergie sont très élevés.

Pour s’échauffer 1. QCM 1. a. Faux, l’uranium, le combustible de l’énergie nucléaire, est une ressource épuisable b. Vrai, l’énergie nucléaire couvre environ 72 % des besoins en France. c. Vrai, il n’y a pas d’émission de CO2 lors du fonctionnement d’une centrale nucléaire (mais attention, cela ne veut pas dire que le bilan carbone est nul, il faut prendre en compte la construction, le démantèlement…). d. Vrai, les rares accidents nucléaires civils sont responsables de mort par irradiation. Une mauvaise gestion des déchets peut mener à une élévation de l’exposition à la radioactivité. 2. a. Vrai, la production est intermittente car la vitesse du vent est variable. b. Vrai. c. Faux, la construction des éoliennes et la nécessité d’avoir des sources d’énergie complémentaire (généralement fossiles) explique le bilan carbone des éoliennes. d. Vrai, nuisances sonores, altération du paysage, mortalité accrue des oiseaux… 3. a. Faux. b. Faux. c. Faux. d. Vrai, l’ordre de grandeur est de quelques milliards d’euros pour une ligne LGV. 4. a. Faux, il n’est pas nul car il faut compter la fabrication et la collecte des trottinettes pour la recharge. b. Faux, l’utilisation au sens strict ne produit pas de GES. En revanche la collecte en voiture pour les recharger, oui. c. Vrai.

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d. Vrai, voir doc.4 p. 178. 5. a. Vrai. b. Vrai. c. Vrai. d. Faux. 6. a. Vrai, car la production d’énergie électrique utilise des combustibles fossiles en Allemagne. b. Vrai. c. Faux, son prix, son bilan carbone les premières années et le recyclage des batteries. d. Faux, la généralisation des voitures électriques contribuera à l’amélioration de la qualité de l’air dans les villes. 7. a. Vrai. b. Faux, c’est une priorité beaucoup plus récente. c. Vrai. d. Faux, si les modes de production sont modifiés, ce sont nos comportements qui sont responsables de la consommation énergétique. 8. a. Vrai, le bilan carbone est réduit lorsque le nombre de passagers transportés par train augmente. b. Faux, sa fabrication notamment émet des GES. c. Vrai. d. Faux, la voiture est le moyen de transport privilégié en dehors des centres urbains. 9. a. Vrai, voir doc.2 p. 174. b. Faux, la production électrique éolienne est intermittente. c. Vrai. d. Faux, l’éolienne produit un courant alternatif qui peut être relié au réseau électrique (voir chapitre 6).

2. Qui suis-je ? 1. Mix énergétique.

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2. Le vent. 3. Sievert (Sv). 4. Bequerel (Bq). 5. La fusion nucléaire.

3. Raisonner 1. D’après ce message, 1 kg d’oranges transporté en voiture sur une distance de 10 km consomme autant de carburant (et produit autant de gaz à effet de serre) que le transport d’un kilo d’oranges sur 800 km en camion plein. Ce message étonnant peut s’expliquer par le faible chargement de la voiture : le carburant consommé par la voiture ne permet de transporter qu’un seul kg. Au contraire, le carburant consommé par le camion permet de transporter plusieurs tonnes d’oranges. 2. Cela signifie que les trajets en voiture doivent être consacrés à des courses alimentaires qui permettent d’acheter de grandes quantités de nourriture (ou associé à d’autres trajets, comme les trajets travail – domicile), et il faut privilégier quand cela est possible des transports à pied ou en vélo qui limite la consommation de carburant et les émissions de gaz à effet de serre.

4. Calculer des ordres de grandeur 1. D’après le graphique on peut estimer les parts suivantes pour les deux carburants :

Essence / total Gazole / total

1980 71% 29%

1990 56% 44%

2000 38% 62%

2010 24% 76%

2018 24% 76%

2. D’après le graphique on peut estimer les parts relatives de l’essence sans plomb dans l’essence totale :

Essence sans plomb / total essence

1980

1990

2000

2010

2018

0%

0%

25%

100%

100%

5. Réponse courte Les bus de nuit sont beaucoup moins remplis que les bus de jour aux heures de pointe. En conséquence pour la même quantité de carburant moins de personnes sont déplacées la nuit. Donc la quantité de carburant utilisé pour les déplacements d’une personne est plus importante la nuit qu’aux heures de pointe. Cette quantité de carburant est directement proportionnelle à l’empreinte carbone.

6. Réponse courte Si l’empreinte carbone est importante lors de la fabrication, une fois rapportée au nombre d’années d’usage cette empreinte carbone va réduire par unité de temps de vie de l’objet. Il est donc important que les objets aient une vie longue, c’est-à-dire qu’ils soient utilisés le plus longtemps possible

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7. Calculer et raisonner 1. Environ 5/55 milliards de km sont parcourus en vélo ou en marchant soit 9 % du total des déplacements. 2. La consommation d’énergie des ménages français pourraient diminuer en utilisant davantage des moyens de transport à faible émission de carbone : marche, vélo, transport en commun et en réalisant davantage d’achats alimentaires avec ces moyens de transport.

8. Argumenter On constate que le transport de tramway, qui se substitue au transport en bus, présente une plus grande efficacité : plus de passagers transportés par heure et vitesse moyenne supérieure. Cependant cela a nécessité trois ans de travaux et près de 300 millions d’euros d’investissement. On constate que le choix de favoriser des moyens de transport plus économe en énergie ne va pas de soi financièrement et en termes de circulation pendant la durée des travaux.

Méthode : Exercice d’application 10. Le volume des déchets nucléaires en France 1.

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2. Volume de déchets HA (en piscines olympiques) fin 2016 SR1 SR2 SNR

1 3,2 2,5 1,1

3. Les chiffres de l’article ne coïncident pas avec les chiffres du rapport de l’Andra. La somme de tous les déchets correspond à 431 piscines olympiques d’après ce rapport, tandis que l’article parle de 648 piscines olympiques. Il est probable que l’article ait inclus d’autres sources de déchets nucléaires provenant d’autres sources que celles comptabilisées par l’Andra (qui correspondent au fonctionnement des centrales productrices d’électricité). Par ailleurs tous ces déchets ne posent pas les mêmes problèmes en termes de radioactivité, puisque des déchets radioactifs à « haute activité » représentant presque 95 % de la radioactivité totale occupent un volume d’une piscine olympique. Volume en piscines olympiques Haute activité

1

Moyenne activité – vie longue

11

Faible activité – vie longue

25

Faible ou moyenne activité – vie courte

250

Très faible activité Total

143 431

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Tester ses compétences 11. La production électrique en Pologne et en Norvège 1. On remarque que la production électrique de la Pologne et de la Norvège se situe dans les mêmes gammes de production, avec toutefois une plus forte variation pour la Norvège. En revanche, les émissions de dioxyde de carbone sont très différentes : inférieures à 100 g équivalents CO2 / kilowattheure en Norvège, contre des valeurs comprises pour l’essentiel entre 600 et 800 g équivalents CO2 / kilowattheure en Pologne. 2. La différence de mix énergétique entre la Pologne et la Norvège (forte contribution du charbon en Pologne, forte contribution de l’hydroélectricité en Norvège) s’explique par les ressources disponibles sur le territoire national. En effet la Pologne dispose de très grandes réserves de charbon tandis que la Norvège peut produire l’électricité par des barrages hydroélectriques.

12. L’utilisation de l’électricité sur une semaine. 1. On constate que des consommations comme celles du chauffage sont relativement constantes tout au long de la journée et chaque jour de la semaine. La consommation pour la cuisson est en revanche très variable au cours de la journée avec un pic au milieu de la journée. L’eau chaude pour les sanitaires est surtout utilisée la nuit (c’est le moment où l’eau est chauffée). La consommation pour l’activité industrielle, elle, est plus faible le week-end. 2. Le charbon est une source d’énergie utilisée surtout pour les pics de consommation. Réduire les variations importantes de consommation permettrait de réduire la consommation de charbon. Il s’agit donc d’augmenter la consommation d’énergie la nuit. Comme cela est difficile à envisager pour la cuisson, on peut imaginer que certaines activités industrielles pourraient consommer de l’énergie la nuit pour compenser les variations des consommation liées à la cuisson.

13. Bilan carbone des biocarburants. 1. Lorsqu’on ne tient compte que des émissions directes, on se rend compte que tous les biocarburants, quels que soient les plantes d’origine ou le type de biocarburants (biodiesel, ou éthanol) ont des émissions plus faibles que les émissions dues aux carburants fossiles par mégajoule produit. En revanche, lorsque l’on tient compte du changement d’affectation des sols, tous les biodiesels de première génération (avec le colza, l’huile de palme ou le tournesol comme source) ont un bilan plus mauvais que les carburants fossiles. Les émissions sont particulièrement importantes (plus de 250 g de CO2/MJ) pour l’huile de palme. Pour l’éthanol de première génération, au contraire, les émissions restent plus faibles que celle des carburants fossiles. Pour les biocarburants de deuxième génération, on peut remarquer que les émissions sont quasiment nulles pour les plantes pérennes (les émissions directes et le changement d’affectation des sols se compensent). 2. Les sols déjà cultivés sont aujourd’hui utilisés pour la production de plantes alimentaires pour l’essentiel, la conversion de ces sols à la production de plantes destinées à la fabrication de biocarburants pourrait provoquer une moindre production de plantes alimentaires. En revanche, l’absence de changement d’affectation des sols réduirait considérablement les émissions de gaz à effet de serre pour ces biocarburants.

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14. Le mix énergétique européen. 1. Le mix énergétique des quatre pays européens représentés est très différent. Si l’on regarde les deux sources d’énergie dominante dans chaque pays, on constate qu’il s’agit du nucléaire et des énergies renouvelables pour la France, du gaz et du charbon pour le Royaume-Uni, du charbon et du nucléaire pour l’Allemagne et enfin du gaz et des énergies renouvelables pour l’Italie. 2. Les différences résultent principalement de choix politiques et peut-être aussi de la disponibilité de certaines sources d’énergie (ressources présentes sur le territoire ou accords commerciaux avec des pays fournisseurs). Toutefois, concernant le charbon, le gaz et le nucléaire, il n’y a pas les combustibles disponibles (en grande quantité) sur le territoire de ces pays, ce qui signifie que les facteurs politiques sont prédominants. Il faut prendre en compte également une dimension historique : des choix politiques anciens continuent d’avoir des conséquences aujourd’hui, par exemple concernant l’Allemagne, l’importance de l’énergie nucléaire est appelée à diminuer dans les prochaines années du fait de l’abandon progressif des centrales.

Objectif Bac 15. Empreinte environnementale de la biomasse. 1. Il s’agit d’énergie solaire, captée par les végétaux au cours de la photosynthèse et convertie en énergie chimique. 2. L’énergie de la biomasse est libérée par combustion. Le dioxyde de carbone libéré peut ensuite être reconverti en biomasse par photosynthèse. Par ce processus, les végétaux produisent de la biomasse en permanence. Un usage modéré, c’est-à-dire très inférieur au taux de renouvellement de la biomasse végétale, permet de considérer cette biomasse comme une source de combustible renouvelable. 3. Concernant l’émission de gaz à effet de serre, le fioul, le gaz et l’électricité sont les principaux contributeurs par MWh produit. La biomasse (granulés, bûches et plaquettes) a une faible contribution à l’émission de gaz à effet de serre. Concernant la pollution, en revanche, le bois émet (par joule produit) des quantités comparables au charbon (le plus polluant des combustibles) pour les oxydes d’azote, le monoxyde de carbone, la dioxine. Il émet en particulier de très grandes quantités d’hydrocarbures aromatiques polycycliques (quatre fois plus que le charbon). Il est notamment plus polluant (pour tous les polluants considérés ici) que le fioul domestique ou le gaz naturel. 4. (a) Pour l’émission de particules fines Source

Charbon Fioul domestique Gaz naturel Bois

Émissions de particules fines (g. GJ–1) d’après le document 4 100 3 0 40

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Énergie (GJ) produite avec une émission de 50 g de particules fines 0,5 GJ 16,7 GJ Infini 1,3 GJ

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(b) Pour l’émission de SO2 Source Charbon Fioul domestique Gaz naturel Bois

Émissions de SO2 (g. GJ–1) d’après le document 4 618 95 0,5 20

Énergie (GJ) produite avec une émission de 200 g de SO2 0,3 GJ 2,1 GJ 400 GJ 10 GJ

Focus méthode MATHS : Tableau de proportionnalité La production de 1 GJ à l’aide de charbon est à l’origine de l’émission de 618 grammes de SO 2. On cherche combien de GJ sont produits si l’on veut limiter les émissions de SO2 à 200 grammes. On peut réaliser un tableau de proportionnalité : Émissions de SO2

618 grammes

1 gramme

200 grammes

Énergie produite

1 GJ

1 𝐺𝐽 618

= 𝟔𝟏𝟖 × 𝟐𝟎𝟎 = 𝟎, 𝟑 𝐆𝐉

𝟏

5. Le chauffage au bois présente différents avantages : l’approvisionnement peut être local, la contribution à l’émission de gaz à effet de serre est réduite et il s’agit d’une ressource renouvelable. En revanche, le bois est émetteur de différents polluants, dont certains sont toxiques pour la santé humaine (dioxine, particules fines).

16. Empreinte environnementale des fruits et légumes consommés en France. 1. Origine

Lieu d’achat

Nouvelle-Zélande Limousin Nouvelle-Zélande Limousin

Île-de-France Île-de-France Limousin Limousin

Part approximative du Part approximative du transport maritime transport routier dans l’impact carbone dans l’impact carbone 90 % 2% 0% 25 % 80 % 7% 0% 10 %

2. Origine

Lieu d’achat

Limousin Limousin

Île-de-France Limousin

Part approximative du trajet du consommateur dans l’impact carbone 50 % 75 %

3. On constate que le transport maritime contribue à l’essentiel de l’impact carbone des pommes originaires de Nouvelle-Zélande. En revanche, pour les pommes produites dans le Limousin, le trajet du consommateur a un impact très fort : autour de 50 à 75 % du bilan carbone total. On peut être

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surpris qu’une pomme du Limousin consommée dans le Limousin ait un impact plus fort qu’une pomme du Limousin consommée en Île-de-France. Cet apparent paradoxe peut s’expliquer par la distance moyenne parcourue pour ses achats par le consommateur. La densité de commerces étant moins importante dans le Limousin qu’en Île-de-France, les trajets effectués en voiture pour réaliser ses courses par le consommateur sont en moyenne plus importants. 4. On constate que l’origine géographique, la saison et le lieu d’achat contribuent à l’impact carbone des laitues. En effet, les laitues vendues l’été ont des impacts 5 à 10 fois plus faibles que les laitues vendues l’hiver d’origine régionale. Entre les différentes laitues d’hiver : celle d’origine régionale a un impact carbone deux fois plus important qu’une laitue originaire d’Espagne. Cet apparent paradoxe s’explique par la contribution importante du chauffage des serres de la laitue régionale qui est environ trois fois plus importante que la contribution du transport pour la laitue espagnole. 5. On constate que le seul critère « local » n’est pas suffisant pour réduire l’impact carbone puisque la laitue régionale vendue l’hiver a un impact particulièrement élevé. Les impacts les plus faibles sont obtenus pour des laitues locales vendues en saison (l’été). Ce qui justifie la recommandation de manger des fruits et légumes frais « locaux et de saison » pour réduire son impact carbone.

17. Le mix énergétique français. 1. La production électrique totale en France en février 2020 correspond à la somme des productions par source d’électricité soit : 44 206 + 8 379 + 2 747 + 766 + 11 472 + 236 + 12 = 67 818 MW 2.

Source

Production février 2020

d’électricité

en En pourcentage du total

Nucléaire Hydraulique

44206 8379

65,2% 12,4%

Gaz Biomasse Éolien Charbon et fioul

2747 766 11472 248

4,1% 1,1% 16,9% 0,4%

Remarque : sur l’année, la part de l’éolien est plutôt autour de 7 % et inférieure à la part de l’hydraulique. Ces données ne représentent qu’un seul mois (février), d’une seule année (2020). 3. Les combustibles fossiles sont représentés par le gaz, charbon et le fioul soit 4,1 + 0,4 = 4,5 % 4. Les sources renouvelables sont l’hydraulique, l’éolien et la biomasse. Ce correspond à un total de 12,4 + 1,1 + 16,9 = 30,4 %.

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5. On constate que les centrales nucléaires sont réparties assez uniformément sur le territoire. Elles sont en effet assez indépendantes des contraintes géographiques puisque le combustible (uranium) est importé. Les installations de production d’électricité d’origine hydraulique sont situées dans les massifs montagneux : Pyrénées, Massif central, Alpes et Vosges. Cela s’explique naturellement par la possibilité de créer des barrages (dans les vallées, entre les reliefs) et l’importance de bénéficier d’un fort dénivelé (énergie potentielle de pesanteur) pour l’entraînement des turbines par l’eau. Les centrales thermiques sont réparties dans les régions où il n’y a pas de production hydraulique, c’est-à-dire plutôt le nord et l’ouest du territoire. Ces installations (hydraulique et thermique) sont sollicitées lors de pics de consommation. Lorsque de la production hydraulique est possible, les centrales thermiques sont moins nécessaires. L’essentiel de la production solaire est situé au sud du territoire, ce qui peut s’expliquer par la plus forte insolation dont bénéficient ces régions. La production éolienne est répartie au nord et à l’ouest. Les grandes plaines de Picardie semblent visiblement propices à l’exploitation de la ressource en vent. 6. Dans le doc.1, on constate que les installations hydrauliques et éoliennes paraissent, en nombre, dominer largement le nombre d’installations nucléaires. Pourtant, dans le doc.2, la production d’électricité d’origine nucléaire contribue pour les deux tiers à la production totale d’électricité. Cette différence entre le nombre d’installations et l’énergie électrique produite peut s’expliquer par la puissance des centrales nucléaires. Chaque centrale peut en effet produire plus de 100 MW, alors que les installations hydrauliques dépassent rarement cette puissance et les installations éoliennes sont systématiquement bien en dessous (d’un facteur 10 au moins).

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Chapitre 9 : La biodiversité et son évolution Programme THÈME 3 – Une histoire du vivant Histoire, enjeux et débats • Histoire de l’évolution humaine et découverte de fossiles par les paléontologues. • La théorie de l’évolution et son application dans différents champs. • Modèles mathématiques historiques d’accroissement des populations (Malthus, Quételet, Verhulst) et controverses autour du malthusianisme. • Histoire de grandes avancées médicales : asepsie (Semmelweis, Pasteur), antibiothérapie • (Fleming), vaccination (Jenner, Koch, Pasteur), radiologie (Röntgen), greffe, chimiothérapie… • Biodiversité et impacts des actions humaines. • Histoire du traitement de l’information : de l’invention de l’écriture aux machines programmables (Jacquard, Babbage) et aux ordinateurs (Lovelace, Turing, Von Neumann…). • Bogues (ou bugs) et failles de sécurité des systèmes informatiques, comme contrepartie parfois graves de leur flexibilité. • Chapitre 9. La biodiversité et son évolution

Savoirs Il existe sur Terre un grand nombre d’espèces dont seule une faible proportion est effectivement connue. La biodiversité se mesure par des techniques d’échantillonnage (spécimens ou ADN) qui permettent d’estimer le nombre d’espèces (richesse spécifique) dans différents milieux. Les composantes de la biodiversité peuvent aussi être décrites par l’abondance (nombre d’individus) d’une population, d’une espèce ou d’un plus grand taxon. > Unité 1

Savoir-faire Exploiter des données obtenues au cours d’une sortie de terrain ou d’explorations scientifiques historiques et/ou actuelles) pour estimer la biodiversité (richesse spécifique et/ou abondance relative de chaque taxon). > Unité 1 Quantifier l’effectif d’une population ou d’un taxon plus vaste à partir de résultats d’échantillonnage. > Unité 2

Il existe plusieurs méthodes permettant d’estimer un effectif à partir d’échantillons. La méthode de « capture-marquage-recapture » repose sur des calculs effectués sur un échantillon. Si on suppose que la proportion d’individus marqués est identique dans l’échantillon de recapture et dans la population totale, l’effectif de celle-ci s’obtient par le calcul d’une quatrième proportionnelle. > Unité 2

Estimer une abondance par la méthode de capture, marquage, recapture, fondée sur le calcul d’une quatrième proportionnelle. > Unité 2 À l’aide d’un tableur, simuler des échantillons de même effectif pour visualiser la fluctuation d’échantillonnage. > Unité 3 À partir d’un seul échantillon, l’effectif d’une population peut également En utilisant une formule donnée pour être estimé à l’aide d’un intervalle de confiance. Une telle estimation est un intervalle de confiance au niveau de toujours assortie d’un niveau de confiance strictement inférieur à 100 % confiance de 95 %, estimer un en raison de la fluctuation des échantillons. Pour un niveau de confiance paramètre inconnu dans une donné, l’estimation est d’autant plus précise que la taille de l’échantillon population de grande taille à est grande. > Unité 3 partir des résultats observés sur un échantillon. > Unité 3 Au cours de l’évolution biologique, la composition génétique des Pour la transmission de deux allèles populations d’une espèce change de génération en génération. dans le cadre du modèle de Hardy> Unité 5 Weinberg, établir les relations entre les probabilités des génotypes d’une Le modèle mathématique de Hardy-Weinberg utilise la théorie des génération et celles de la génération probabilités pour décrire le phénomène aléatoire de transmission des précédente. > Unité 4 allèles dans une population. En assimilant les probabilités à des Produire une démonstration

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fréquences pour des effectifs de grande taille (loi des grands nombres), le modèle prédit que la structure génétique d’une population de grand effectif est stable d’une génération à l’autre sous certaines conditions (absence de migration, de mutation et de sélection). Cette stabilité théorique est connue sous le nom d’équilibre de Hardy-Weinberg. > Unité 4

mathématique ou un calcul sur tableur ou un programme en Python pour prouver ou constater que les probabilités des génotypes sont constantes à partir de la seconde génération (modèle de HardyWeinberg). > Unité 4 Les écarts entre les fréquences observées sur une population naturelle Utiliser des logiciels de simulation et les résultats du modèle s’expliquent notamment par les effets de basés sur ce modèle mathématique. forces évolutives (mutation, sélection, dérive, etc.). > Unité 5 > Unités 5 et 6 Analyser une situation d’évolution biologique expliquant un écart par rapport au modèle de HardyWeinberg. > Unité 5 Les activités humaines (pollution, destruction des écosystèmes, combustions et leurs impacts climatiques, surexploitation d’espèces…) ont des conséquences sur la biodiversité et ses composantes (dont la variation d’abondance) et conduisent à l’extinction d’espèces. > Unité 6

Utiliser un modèle géométrique simple (quadrillage) pour calculer l’impact d’une fragmentation sur la surface disponible pour une espèce. > Unité 6 À partir d’un logiciel de simulation, La fragmentation d’une population en plusieurs échantillons de plus montrer l’impact d’un faible effectif de faibles effectifs entraîne par dérive génétique un appauvrissement de la population sur la dérive génétique et diversité génétique d’une population. > Unité 6 l’évolution rapide des fréquences alléliques. > Unité 6 La connaissance et la gestion d’un écosystème permettent d’y préserver Analyser des documents pour la biodiversité. > Unité 7 comprendre les mesures de protection de populations à faibles effectifs. > Unité 7 Identifier des critères de gestion durable d’un écosystème. Envisager des solutions pour un environnement proche. > Unité 7 Prérequis et limites Les notions déjà connues de gènes et d’allèles, de diversité allélique, de sélection naturelle, de dérive génétique, de calcul de probabilités et de fluctuation d’échantillonnage sont mobilisées (classe de seconde).

Pour bien commencer 1. La biodiversité représente la diversité du monde vivant et ce à différentes échelles. On peut distinguer la diversité des écosystèmes, la diversité spécifique (diversité des espèces au sein d’un écosystème) et la diversité génétique des individus au sein d’une espèce. 2. La fréquence des allèles peut se modifier au cours du temps à cause de deux forces évolutives. La sélection naturelle favorise les individus qui possèdent un allèle leur apportant un avantage par rapport aux autres. Dans ce cas, la fréquence de l’allèle avantageux augmente au cours du temps dans la population. Lorsque les allèles ne confèrent pas d’avantage, on peut observer des variations aléatoires de la fréquence des allèles : c’est la dérive génétique. Celle-ci est d’autant plus forte que la population est de petite taille. 3. Que ce soit en génétique, en écologie ou dans tout autre domaine, il est souvent impossible d’effectuer une analyse d’une population entière. On ne peut qu’étudier un échantillon, idéalement tiré au sort, ce qui engendre une incertitude sur le résultat. Pour extrapoler les résultats de l’échantillon à la population entière, on est conduit à définir un intervalle de confiance. Plus

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l’échantillon est grand, plus l’intervalle de confiance est resserré, ce qui traduit une incertitude plus faible.

Unité 1 Choix pédagogiques Cette première unité s’intéresse à la biodiversité dans un milieu. La biodiversité évoquée ici est plutôt la biodiversité spécifique. Le doc.1 permet d’illustrer schématiquement les notions de richesse spécifique, d’abondance et d’équitabilité. Cela permet de nuancer la notion de diversité spécifique et d’évoquer le fait que le nombre d’individus est aussi un paramètre à prendre en compte dans l’évaluation de la biodiversité. Le doc.2 présente un suivi de la diversité spécifique des oiseaux communs (programme STOC) à partir de données réelles. On pourra évoquer avec les élèves les limites de cette méthode et notamment le fait qu’il peut y avoir des fluctuations d’échantillonnages d’une année sur l’autre. Le doc.3 présente une méthode plus moderne d’estimation de la richesse spécifique basée sur l’étude de l’ADN environnemental. Une illustration de l’intérêt de cette méthode est proposée dans le doc.4. Les docs 4 et 5 présentent les résultats d’une étude scientifique pour estimer la biodiversité des requins dans les eaux de la Nouvelle-Calédonie. Le doc.4 indique les trois méthodes utilisées pour cette estimation ainsi que les lieux et le nombre d’observations/prélèvements pour chacune des méthodes. Le doc.5 présente les résultats de cette étude et le nombre d’espèces de requin détectées par chacune des méthodes (plongées, vidéos avec appâts et ADN environnemental).

Exploiter les documents : Correction 1. Concernant la richesse spécifique : zone A (2 espèces) < zone C et D (4 espèces) < zone B (7 espèces). Concernant l’équitabilité : zone C et B (une espèce majoritaire) < zone A et D (répartition équitable) 2. La richesse spécifique de la zone étudiée à légèrement diminué puisque l’on est passé de 8 espèces détectées en 2002 à 7 espèces en 2018. Certaines espèces ont vu leurs effectifs diminuer (Grive musicienne, Linotte mélodieuse, Tourterelle turque et Verdier d’Europe), d’autres leurs effectifs augmenter (Pigeon ramier, Petit gravelot, Merle noir, Choucas des tours). Pour certaines espèces, on observe des fluctuations dans les effectifs sans tendance claire (Corneille noir, Rougegorge familier). Ces données ne concernent qu’une petite zone géographique, il faut des données sur l’ensemble de la France pour conclure qu’une espèce est en déclin au niveau national. 3. Les plongées et les vidéos avec appâts ont permis de détecter 9 espèces de requins à partir de 2 758 et 385 observations, respectivement. La méthode de l’ADN environnemental permet de détecter 22 espèces de requin avec 13 échantillons seulement. La méthode se basant sur l’ADN environnemental ne détecte que les requins ayant séjourné récemment dans les eaux échantillonnées, l’ADN se dégradant vite. Il faut un très grand nombre de plongées pour observer les requins et tous ne sont pas visibles. De même, les vidéos avec appâts n’attirent que certains requins et pas la totalité. Ces méthodes sont donc complémentaires.

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Esprit critique : Pistes d’exploitation Quelques éléments de réponse : Il existe de nombreux programmes de recherche participatives dans différents domaines. Dans le domaine de la biodiversité, le portail OPEN (https://www.open-sciencesparticipatives.org/home/) recense de nombreux exemples de suivi de la biodiversité. Dans le domaine de l’astronomie, le programme LOFAR Radio Galaxy zoo (https://www.zooniverse.org/projects/chrismrp/radio-galaxy-zoo-lofar/about/research) permet de localiser les trous noirs en étudiant à l’aide d’un simple ordinateur des images issuent d’un télescope. Enfin on pourra évoquer le programme Fold it (https://fold.it/portal/), un jeu en ligne qui permet de résoudre la structure 3D des protéines et ainsi d’envisager des traitements médicamenteux par exemple. Tous ces exemples montrent l’intérêt des sciences participatives : impliquer les citoyens dans un effort collectif notamment pour traiter ou recueillir un grand nombre de données. Dans les situations où ces données ne peuvent pas être traitées automatiquement, les sciences participatives demandent un petit travail à plusieurs milliers de participants plutôt qu’un effort très important et très long à quelques scientifiques. Pour que ces données soient exploitables, il faut la plupart du temps une formation courte pour que le recueil de données soient fiables. Le protocole établi par les chercheurs doit ^petre simple mais rigoureux pour s’assurer de la bonne collecte des données par exemple. La plupart du temps, des tutoriels sont proposés pour former les participants. D’autres programmes s’adressent en priorité aux amateurs éclairés.

Unité 2 Choix pédagogiques Cette unité présente la méthode de capture-marquage-recapture qui permet de déterminer l’abondance d’une espèce dans un milieu. Elle vient directement à la suite de l’unité où la biodiversité spécifique a été étudiée, notamment sous l’angle de l’abondance et de l’équitabilité. Le doc.1 présente de manière visuelle la méthode de capture-marquage-recapture. La formule proposée permettra à l’élève de faire quelques calculs en utilisant les données des documents suivants, notamment le doc.3. L’application de cette méthode nécessite qu’un certain nombre d’hypothèses soient remplies : c’est l’occasion de discuter avec les élèves des limites de cette méthode par exemple. Le doc.2 présente un exemple de marquage, ici sur des moustiques à l’aide de marques fluorescentes. Le doc.3 présente les résultats d’une étude de la taille de population de moustiques aux abords d’un village du Burkina Faso. Les élèves peuvent ainsi estimer la taille de la population de moustiques à différents moments de l’année. Le doc.4 propose une modélisation basée sur des tirages aléatoires de billes de couleur. Il est intéressant de faire manipuler les élèves des sacs contenant des billes afin de leur faire entrevoir la

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notion de fluctuation d’échantillonnage. L’objectif peut être de déterminer le nombre de billes dans le sac en ayant le droit d’en retirer seulement 8 à chaque fois. On pourra aussi faire varier le nombre de billes capturées puis replacées dans le sac et/ou le nombre de billes total pour démontrer que ces paramètres influent sur la précision des résultats. Ces notions seront approfondies dans l’unité 3. Le doc.5 en complément de la modélisation du doc.4 permet de préciser la différence entre valeurs réelles et valeurs estimées et d’envisager que la taille de l’échantillon est importante dans l’estimation de la fréquence réelle.

Exploiter les documents : Correction 1. La mortalité, l’immigration et l’émigration sont négligeables de qui ne modifie pas la taille de la population (N). Les méthodes de captures sont parfaitement reproductibles : cela affecte les paramètres M et C. Le marquage n’affecte pas la survie ni la probabilité de recapture des individus, donc n’affecte pas le nombre d’individus R. Le marquage est permanent donc le nombre d’individus M ne change pas. 2. En saison humide 3 407 individus capturés ont été marqués (M). 5 887 moustiques ont ensuite été recapturés (C) : 5 843 moustiques non marqués + 44 moustiques marqués (R). On peut alors calculer N = C/R × M N = 5887/44 × 3407 = 455 841 moustiques en saison humide. Le même raisonnement nous donne N = 44 285 moustiques en saison sèche. 3.Il y a 8 billes marquées (M) et 8 billes capturées (C) dans chaque cas. Le nombre de billes marquées recapturées (R) varie dans chaque cas. Les effectifs obtenus pour chaque échantillon sont : N = C/R × M On observe une dispersion des valeurs de N obtenues : N varie de 64 billes (R = 1) à 16 billes (R = 4). Cette expérience permet de mettre ne évidence la fluctuation d’échantillonnage (voir unité 3). 4. La méthode CMR donne une estimation et pas une valeur exacte car l’échantillonnage aléatoire lors de la 2ème capture n’est pas toujours représentatif de la population réelle. Plus les échantillons seront grands et plus les estimations se rapprocheront de la réalité.

Esprit critique : Pistes d’exploitation Les manipulations et le marquage des moustiques pourraient réduire la durée de vie des moustiques en provoquant une plus forte prédation : les moustiques colorés en étant plus visibles que les non marqués pourraient être plus facilement repérer par des prédateurs. Le produit déposé pourrait aussi avoir un effet toxique et réduire leur durée de vie. Si les moustiques marqués ont une durée de vie plus courte alors le nombre d’individu R (capturés marqués) pourrait être inférieur à la réalité. Si R était plus grand, alors le nombre de moustique N estimé serait plus petit. Donc ce biais aurait tendance à surestimer la taille de la population.

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Unité 3 Choix pédagogiques Cette unité introduit la notion d’intervalle de confiance associé à l’estimation d’une proportion sur la base d’un échantillon. Elle vient directement à la suite de l’unité sur la méthode de capture-marquagerecapture, en conclusion de laquelle on a vu que l’estimation de l’abondance était relativement incertaine. Cette unité vise à quantifier l’incertitude associée à l’estimation effectuée. Le doc.1 présente à l’aide d’un histogramme la notion de fluctuation d’échantillonnage. On demande à l’élève de mobiliser ses capacités de lecture d’histogramme (à l’instar de ce qui a été fait en classe de troisième en mathématiques), pour comprendre que la proportion issue d’un échantillon n’est pas toujours égale à celle de la population. Cela fait écho aux docs 4 et 5 de l’unité 2, qui précède. Dans une démarche de différenciation, on peut demander à l’élève de construire cet histogramme, par exemple à l’aide d’un tableur. Le doc.2 explique que l’écart-type quantifie la dispersion des données, et donc l’étalement l’histogramme, comme cela a été vu en classe de physique de seconde. Il introduit une expression mathématique qui permet d’estimer l’écart-type de la proportion observée dans un échantillon de taille finie C, en exploitant les données d’un unique échantillon. Ainsi est-il est possible de caractériser l’histogramme des proportions sans avoir le réaliser, ce qu’on revoit au doc.4. Le doc.3 propose de réaliser une expérimentation numérique, qu’on appelle parfois « simulation Monte-Carlo ». Le protocole est explicite, ce qui fait que le travail de l’élève peut consister soit à l’implémenter dans un tableur, soit à analyser ce que cette succession d’instruction effectue, soit enfin d’analyser le résultat obtenu. Le doc.4 introduit la notion d’intervalle de confiance, intervalle centré sur la valeur mesurée et dont la largeur est proportionnelle à l’écart-type. La constante de proportionnalité est déterminée par le niveau de confiance qu’on se fixe. L’intervalle de confiance représente un intervalle dont on est plus ou moins certain qu’il recouvre la proportion vraie au sein de la population, proportion qu’on ne pourra jamais obtenir avec certitude. La didactique des mathématiques s’est saisie de cette question : les objectifs peuvent rester modestes dans la mesure où il s’agit d’une notion délicate souvent mal comprise des élèves, voire même des scientifiques ! Le doc.5 détaille le raisonnement qui permet d’écrire l’intervalle de confiance sur l’effectif de la population mesurée par une méthode de capture-recapture (unité 2 qui précède), en se servant de la définition de l’intervalle de confiance (doc.4) et de l’écart-type (doc.3) de la proportion d’un échantillon. Ici on cherche à ce que l’élève puisse suivre le raisonnement mathématique qui mène à l’expression de l’intervalle de confiance à 95 %.

Exploiter les documents : Correction 1. Pour faire C = 100, il suffit de recopier verticalement la formule « =SI(ALEA() appariements non aléatoires).

Tester ses compétences 13. Estimer l’effectif d’une population de baleines 1. On calcule les effectifs des baleines pour chaque année en utilisant la formule 𝑁 =

Effectif (N)

2011 37

2012 37

𝑀 ×𝐶 𝑅

2013 39

Les effectifs des baleines sont relativement stables même si on observe une légère augmentation en 2013. 2. La taille calculée n’est qu’une estimation car il existe des fluctuations d’échantillonnage : les individus repérés ici ne sont pas forcément complétement représentatifs de la population de baleine. 3. Effectif (N) Péch (R/C) Séch Ninf Nsup

2011 37 0,85 0,17 24 77

2012 37 0,87 0,06 32 43

2013 39 0,76 0,08 33 50

À la vue des résultats obtenus, on ne peut pas conclure que la population de baleine ait augmenté.

14. Estimer la richesse spécifique de poissons 1. On s’inspire du schéma du doc.3 p.195, ci-dessous :

2. En comptant les espèces identifiées uniquement par la pèche (6), il y a donc 20 espèces identifiées au total. La pêche ne permet d’en identifier que 45 % (9/20), mais 30 % (6/20) des espèces ne sont identifiables que par cette méthode.

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L’ADNe dans l’estomac permet d’identifier 45 % (9/20), l’ADN dans les sédiments permet d’identifier 65 % (13/20) des espèces et l’ADN dans l’eau permet d’identifier 35 % des espèces. Les techniques sont donc toutes complémentaires. L’ADN environnemental est vite dégradée et ne permet pas de détecter toutes les espèces.

15. Construction de la ville de Jiangwan On constate dans le doc.1 que la surface des zones construites a fortement augmenté au détriment des espaces naturels comme les prairies et les zones à arbustes entre 2000 et 2013. Les zones humides ont fortement diminué et les surfaces aquatiques ont totalement disparu. On voit que durant la même période, la richesse spécifique de l’ensemble des espèces a fortement diminué, passant d’une richesse spécifique de 70 espèces à une trentaine en 2012. Les espèces d’oiseaux benthivores ont totalement disparu. On peut émettre l’hypothèse que la destruction des habitats a entraîné la disparition de certaines espèces d’oiseaux par disparition de leurs ressources alimentaires. Ces oiseaux ont pu migrer vers d’autres régions.

16. Taille des populations et diversité génétique 1. La fragmentation des habitats détruit une partie des habitats et ainsi diminue la taille des populations. 2. On voit dans le doc.1 que plus la taille de la population est importante et plus l’hétérozygotie est importante. Dans le doc.2, on constate que plus la taille des populations est grande et plus le polymorphisme de la population est grand. Le polymorphisme et l’hétérozygotie permettent d’estimer la diversité génétique des individus. Ainsi, la diversité génétique dépend de la taille de la population dans ces 2 exemples : une réduction de taille de la population entraîne une réduction de la diversité génétique. 3. Plus la population est de petite taille et plus l’effet de la dérive génétique est important. Or, la dérive génétique entraîne parfois la perte de certains allèles ce qui réduit la diversité génétique.

Objectif BAC 17. Estimer la survie de la phalène du bouleau 1. La proportion de papillons typica lâchés à Birmingham (région polluée) est égale à : 64 = 0,293 = 29,3 % (64 + 154) La proportion de papillons carbonaria lâchés à Birmingham est donc de 71,7 %.

La proportion de papillons typica lâchés à Dean End Wood (région non polluée) est égale à :

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496 = 0,512 = 51,2 % (496 + 473) La proportion de papillons carbonaria lâchés à Dean End Wood est donc de 48,8 %.

La proportion de papillons typica recapturés à Birmingham (région polluée) est égale à : 16 = 0,163 = 16,3 % (16 + 82) La proportion de papillons carbonaria recapturés à Birmingham est donc de 84,7 %. La proportion de papillons typica recapturés à Dean End Wood (région non polluée) est égale à : 62 = 0,674 = 67,4 % (62 + 30) La proportion de papillons carbonaria recapturés à Dean End Wood est donc de 32,6 %.

Focus méthode MATHS : Pourcentages « Pourcent (%) » équivaut à « divisé par 100 ». Donc : 0,512 =

51,2 = 100

51,2 %

On peut aussi faire le raisonnement suivant. À Birmingham, 969 papillons ont été lâches, dont 496 du morphe typica. La proportion

496 (496+473)

= 0,512 est donc rapportée à 1 (autrement dit, si tous les 969

individus lâchés avaient été du morphe typica, cette proportion aurait été de (496+473) = 1,000). Pour rapporter cette proportion à 100, et donc calculer un pourcentage, il faut multiplier le résultat pas 100 : 0,512 x 100 = 51,2

2. Les scientifiques ont recapturé moins de carbonaria que prévu dans la zone non polluée (déficit en carbonaria) et moins de typica que prévu dans la zone polluée (deficit en typica). Les papillons sont plus ou moins visibles sur les troncs en fonction de la pollution de la zone. En zone polluée, les forme typica sont plus visibles, ce qui pourrait entraîner leur élimination par prédation. On constate d’ailleurs que plus on s’éloigne de la zone polluée et plus la fréquence de la forme carbonaria diminue. On peut donc penser que la sélection naturelle entraîne l’élimination sélective des individus non adaptés à leur environnement, c’est-à-dire de la forme carbonaria en zone non polluée et de la forme typica en zone polluée. Les simulations du doc. 3 nous montrent cependant que des facteurs autres que la sélection naturelle par prédation expliquent également les observations : la migration et une sélection indépendante de la prédation (simulation S3).

18. Les mangroves d’Asie du Sud-Est 1. Les causes principales de destruction des mangroves sont les activités humaines et les modifications climatiques (liées également aux activités humaines). Les humains détruisent les mangroves pour

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cultiver du riz ou de l’huile de palme, faire de l’aquaculture ou tout simplement pour agrandir les zones urbaines. 2. L’exploitation des mangroves entraîne une baisse importante de la matière carbonée présente dans les sédiments, une baisse de la biomasse des décomposeurs microbiens et une baisse de l’abondance des petits invertébrés marins. On observe aussi une baisse de la richesse spécifique avec la disparition de plusieurs groupes d’êtres vivants. L’exploitation des mangroves, en diminuant la matière carbonée présente dans les sédiments, impacte l’ensemble de la chaîne alimentaire en diminuant la quantité des décomposeurs et des petits invertébrés qui se situent à la base de ce réseau trophique.

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Chapitre 10 : L’évolution comme grille de lecture du monde Un fil conducteur entre les unités de ce chapitre est le temps. Depuis une unité 1 où les processus évolutifs prennent plusieurs centaines de milliers d’années (évolution de l’œil chez les vertébrés et les mollusques) à une unité 4 où l’évolution des micro-organismes en laboratoire peut être observée à l’échelle de la semaine, en passant par l’évolution des insectes dans les cultures, à l’échelle de l’année (unité 3). Cette notion d’évolution à différentes échelles de temps peut être une clef de lecture du chapitre et permettre aux élèves de réaliser que l’évolution n’est pas forcément un processus qui dure des millions d’années.

Programme • Chapitre 10. L’évolution comme grille de lecture du monde

Savoirs

Savoir-faire Les structures anatomiques présentent des particularités surprenantes Expliquer l’origine d’une structure d’un point de vue fonctionnel, pouvant paraître sans fonction avérée ou anatomique en mobilisant les concepts bien d’une étonnante complexité. Elles témoignent de l’évolution des de hasard, de variation, de sélection espèces, dont la nôtre. Les caractères anatomiques peuvent être le naturelle et d’adaptation (exemple de résultat de la selection naturelle mais certains sont mieux expliqués par l’oeil). > Unité 1 l’héritage de l’histoire évolutive que par leur fonction. > Unités 1 et 2 Interpréter des caractéristiques L’évolution permet de comprendre des phénomènes biologiques ayant anatomiques humaines en relation une importance médicale. L’évolution rapide des organismes microbiens avec des contraintes historiques nécessite d’adapter les stratégies prophylactiques, les vaccins et les (comme le trajet de la crosse antibiotiques. > Unité 4 aortique), des contraintes de Depuis la révolution agricole, la pratique intensive de la monoculture, la construction (comme le téton domestication et l’utilisation de produits phytosanitaires ont un impact masculin), des compromis sélectifs sur la biodiversité et son évolution. > Unité 3 (comme les difficultés obstétriques) ou des régressions en cours (comme les dents de sagesse). > Unité 2 Mobiliser des concepts évolutionnistes pour expliquer comment des populations microbiennes pourront à longue échéance ne plus être sensibles à un vaccin (ou un antibiotique) > Unité 4 ou comment l’utilisation de produits phytosanitaires favorise le développement de ravageurs des cultures qui y sont résistants. > Unité 3 Prérequis et limites Il n’est pas attendu de développement spécifique en matière d’embryologie ou d’agronomie.

Pour bien commencer Une pression de sélection désigne une contrainte de l’environnement qui aboutit à l’évolution des êtres vivants. C’est une force qui pousse les êtres vivants à évoluer dans une direction donnée. Un caractère qui se transmet de génération en génération est un caractère héréditaire. Les caractères héréditaires sont codés par des gènes.

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L’évolution biologique est un fait scientifique démontrée par des observations, des modèles et des expériences. Comme tout fait scientifique, il est réfutable et fait l’objet d’un large consensus scientifique.

Unité 1 Choix pédagogiques Dans cette première unité, l’évolution de l’œil est abordée au travers d’exemples chez les vertébrés et les mollusques, 2 groupes qui possèdent des yeux complexes. L’idée est de montrer que l’évolution ne conduit pas toujours à des organes parfaits ni à une complexité de plus en plus importante et plutôt à un organe adapté à l’environnement et au milieu de vie. Le doc.1 présente différents mollusques et quelques éléments d’écologie de ses mollusques, notamment leur alimentation. Associé au doc.2, ce document permettra de faire le lien entre milieu de vie et organisation de l’œil. Le doc.2 est un arbre de parenté des mollusques sur lequel apparaît les structures visuelles. L’objectif est de montrer que des yeux complexes ont pu apparaître dans différentes branches de cet arbre, par exemple chez la coquille St-Jacques et chez le calamar, qui ne présentent pas la plus forte parenté dans cet arbre. Le doc.3 complète le document précédent : cette interview permet d’expliquer qu’il n’y a pas d’évolution linéaire des structures complexes et que certaines caractéristiques peuvent apparaître plusieurs fois de manière indépendante (convergence évolutive) alors que d’autres peuvent disparaitre comme dans le cas du gastéropode cavernicole évoqué. Le doc.4 compare la structure de l’œil des céphalopodes et des vertébrés. Malgré des similitudes, il est simple de constater que la rétine est disposée différemment dans les 2 cas. De plus, on pourra constater que des organismes souvent considérés, à tort, « moins évolués que l’être humain » (les calamars par exemple) présentent un système visuel plus performant (absence de tache aveugle). Cela peut servir de point de départ pour une discussion sur le fait que l’humain n’est pas l’espèce la plus évoluée (voir pour cela le doc.3 p.251 dans le chapitre 11) Le doc.5 compare l’origine embryologique des tissus qui forment l’œil chez les vertébrés et les céphalopodes. Cela permet de démontrer que malgré une convergence de forme globale, les tissus qui forment l’œil dans ces 2 groupes ne proviennent pas des mêmes tissus et n’ont donc pas de lien de parenté ou d’héritabilité.

Exploiter les documents : Correction 1. Dans le doc.1, on constate que les nautiles et les calamars sont des prédateurs qui se nourrissent de proies tels que des crustacés ou des poissons. On voit dans le doc.2 que ces deux espèces possèdent un œil relativement complexe constitué d’une rétine et d’une cavité remplie de liquide. Les patelles et les ormeaux sont des mollusques qui se nourrissent d’algues et qui présentent un système visuel beaucoup moins complexe, constitué uniquement de cellules photosensibles. Les coquilles St-Jacques et les calliostomes présentent un système visuel relativement complexe qui leur permet de fuir les prédateurs, dans le cas de la coquille St-Jacques par exemple. On peut imaginer que la sélection

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naturelle a participé à l’évolution de l’œil chez les mollusques, la pression exercée par le milieu entraînant des modifications dans les structures constituant l’œil. 2. L’évolution des mollusques n’est pas linéaire puisqu’on retrouve des mollusques ayant un lien de parenté fort avec des différences importantes en termes de système visuel. Par exemple les patelles qui possèdent un système visuel constitué uniquement de cellules photosensibles sont apparentés avec les ormeaux et les calliostomes qui présentent un système visuel beaucoup plus complexe. 3. L’œil des céphalopodes et des vertébrés présente de fortes similitudes en termes d’organisation. Cependant, on est certain qu’ils n’ont pas la même origine puisqu’ils ne se forment pas à partir des mêmes tissus. À une même contrainte environnementale, la réponse évolutive est identique, c’est bien un cas de convergence évolutive.

Esprit critique : Pistes d’exploitation L’œil des vertébrés n’est pas une structure parfaite, en tout cas moins « idéale » que l’œil des céphalopodes par exemple. Le départ du nerf optique chez les vertébrés entraine la présence d’une tache aveugle. De plus, la lumière doit traverser les fibres nerveuses avant d’atteindre les photorécepteurs. Une structure complexe n’est pas nécessairement moins évoluée qu’une structure qui semble plus simple. Par exemple, chez les mollusques cavernicoles, l’absence d’œil est liée à la perte de cet organe dans un milieu où celui-ci devient inutile. On est bien dans un cas ou l’absence d’organe est liée à une évolution récente et non pas une évolution plus simple.

Unité 2 Choix pédagogiques Après avoir montré dans l’unité 1 que l’évolution biologique n’est pas toujours « complexifiante », qu’elle produit des structures adaptées parfois convergentes, et qu’elle peut expliquer la formation de structures complexes, on s’intéresse dans l’unité 2 à montrer que les structures héritées de l’histoire évolutive peuvent présenter des imperfections et ne sont pas toujours parfaitement adaptées à leurs fonctions. Dans cette unité, on traite deux exemples classiques : le nerf laryngé des mammifères (page de gauche) et le dilemme obstétrical chez les humains (page de droite). Le doc.1 présente le trajet étonnant du nerf laryngé et met en évidence la boucle qu’il fait à proximité du cœur avant d’innerver le larynx. Les élèves doivent théoriquement s’interroger sur le caractère non optimal et non adaptatif de ce trajet. Le doc.2 compare la disposition anatomique du nerf laryngé par rapport aux arcs aortiques chez l’humain et chez la truite, au stade adulte et au stade embryonnaire. Le schéma propose une représentation hypothétique permettant de voir une disposition des ramifications du nerf vague (dont le nerf laryngé) adapté à l’organisation des arcs aortiques chez l’ancêtre commun des vertébrés. Ce document doit permettre de comprendre que le trajet actuel du nerf laryngé chez les mammifères est un héritage historique associé à une contrainte structurale.

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Le doc.3 montre la disposition du corps du nouveau-né pendant la parturition et la rotation nécessaire de la tête permettant de passer l’orifice du bassin. Le texte insiste sur les difficultés particulières associée à l’accouchement chez les humains. Ces difficultés sont largement réduites aujourd’hui par l’accompagnement médical et la bonne connaissance des risques. Le doc.4 présente le dilemme obstétrical en comparant les dimensions du grade du nouveau-né et de l’orifice du bassin chez une femelle chimpanzé et chez une femme. C’est un exemple classique (mais encore en débat) de compromis évolutif entre la station debout et les difficultés de l’accouchement. Les élèves doivent discuter de cette notion en comprenant qu’il existe des forces de sélection contraires qui mène à ce compromis : pression de sélection associée au maintien de la station bipède (les individus les mieux adaptés à la station bipède ont une plus grande valeur sélective), et pression de sélection en faveur d’une moindre mortalité accouchement (les mères ayant moins de difficultés à l’accouchement ont plus d’enfants, et donc une meilleure valeur sélective). Sources bibliographiques : Falk, D., Zollikofer, C. P., Morimoto, N., & de León, M. S. P. (2012). Metopic suture of Taung (Australopithecus africanus) and its implications for hominin brain evolution. Proceedings of the National Academy of Sciences, 109(22), 8467-8470. Rosenberg, K., & Trevathan, W. (1995). Bipedalism and human birth: The obstetrical dilemma revisited. Evolutionary Anthropology: Issues, News, and Reviews, 4(5), 161-168. Le doc.5 présente le triangle du paléontologue Adolf Seilacher, qui stipule qu’un caractère anatomique donné est un compromis entre des contraintes phylogénétiques, adaptatives et structurales. On pourra également s’appuyer sur l’article de référence de S. J. Gould et R. C Lewontin et leur critique du pan-adaptationisme : Gould, S. J., & Lewontin, R. C. (1979). The spandrels of San Marco and the Panglossian paradigm: a critique of the adaptationist programme. Proceedings of the Royal Society of London. Series B. Biological Sciences, 205(1161), 581-598.

Exploiter les documents : Correction 1. La sélection naturelle est un processus qui, au fil des générations, élimine les formes les moins adaptées à leur environnement et favorise celles qui sont les plus adaptées. Le trajet du nerf laryngé n’est pas optimal : sa destination est proche de sa source et pourtant il effectue un long trajet autour des vaisseaux du cœur. Un tel caractère devrait être contre-sélectionné par la sélection naturelle. En effet, si on considère une population fictive présentant différents trajets de nerf laryngé, les individus ayant les trajets les plus courts, auront consacré moins d’énergie et de matière au développement de ce nerf, ressources qui auront pu être utilisées pour améliorer la survie ou la reproduction. Au fil des générations, les individus présentant les trajets de nerf laryngé optimaux seraient sélectionnés. Si on n’observe pas une adaptation de la longueur du nerf à sa fonction c’est probablement qu’il existe une contrainte sur laquelle la sélection naturelle ne peut agir. Cette contrainte c’est une contrainte historique. En effet, le nerf laryngé est une structure héritée des ramifications du nerf vague irriguant les arcs aortiques scellés ancêtre des vertébrés. Tous les mammifères, pour des raisons structurales, ont la même disposition du nerf laryngé, une malformation étant probablement létale. Par conséquent, s’il n’y a pas de variation du caractère, il n’y a pas de sélection possible. Ce qui montre que tous les caractères ne sont pas parfaitement en adéquation avec leurs fonctions mais sont le fruit à la fois d’une sélection adaptative mais aussi d’héritage phylogénétique et de contrainte structurale (voir doc.5). 2. Chez les humains, la forme du bassin a été modifiée au fil des générations depuis notre ancêtre commun avec le chimpanzé pour s’adapter à la fonction de bipédie. Les différences morphologiques

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par rapport aux chimpanzés sont sa plus grande largeur, et la modification de la forme de l’orifice permettant le passage des nouveau-nés. 3. La bipédie, en exerçant une pression de sélection sur la forme du bassin, rend les accouchements difficiles. En effet, la tête du nouveau-né passe difficilement et à condition d’une rotation par l’orifice du bassin. 4. La forme du bassin chez la femme est contrainte structurellement pour son implication dans la fonction de la bipédie (il faut que le bassin puisse soutenir la position debout), elle est également contrainte car elle doit être adaptée à la marche, enfin le bassin est hérité de nos ancêtres communs avec les grands singes non bipèdes. Par conséquent, il est logique de placer le caractère « forme du bassin chez la femme » comme le compromis des trois contraintes (pour rappel, la quantification de la contribution de chacune des trois contraintes n’est pas possible, il s’agit d’une approche qualitative).

Esprit critique : Correction La phrase de Pangloss indique qu’il pense que chaque caractère est déterminé au mieux pour sa fonction. L’exemple du nerf laryngé montre le contraire puisque son trajet n’est pas optimal compte tenu de sa fonction. Le pan-adaptationnisme est un courant de pensée qui stipule que toutes les structures observées dans le vivant sont parfaitement adaptées à leurs fonctions. Ce qui sous-entend que la sélection naturelle est le seul processus expliquant l’évolution biologique et qu’elle élimine les structures mal adaptées à leur situation fonctionnelle.

Unité 3 Choix pédagogiques Cette unité montre, comme la suivante, que les principes de l’évolution biologique s’appliquent à toutes les populations d’êtres vivants, quels qu’ils soient. En l’occurrence, on s’intéresse aux espèces qui évoluent sous l’effet des pratiques agricoles : espèces cultivées et bioagresseurs des cultures. Le doc.1 fournit quelques éléments sur l’évolution des pratiques agricoles depuis l’origine de l’agriculture (–10 000 ans dans le Croissant Fertile). Cette frise permet de placer les événements de

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domestication (traités page de gauche) et les pressions de sélection due aux pesticides (traités page de droite). Le doc.2 donne des éléments sur la domestication du soja en comparant morphologiquement les formes sauvages, plus grandes et plus ramifiées et les formes domestiques plus trapues et plus petites. Pour rappel, l’ensemble des caractères qui différencient les formes cultivées des formes sauvages se nomme le syndrome de domestication. L’essentiel de ces caractères est hérité de la sélection artificielle (qui ne présente pas de différence conceptuelle avec la sélection naturelle, si ce n’est que la pression de sélection est d’origine humaine), qu’elle soit volontaire ou involontaire. Le doc.3 fournit une vision synthétique du passage des populations sauvages vers les formes domestiques puis les variétés anciennes et enfin modernes. On constate la perte de diversité génétique dans chaque sous-ensemble au fur et à mesure des processus de sélection artificielle et de migration. Cette figure est simplifiée, chacune des étapes pouvant en effet être en interaction (reproduction sexuée plus ou moins contrôlée) avec des populations sauvages ou d’autres variétés qui modifient la diversité de la population considérée. Le doc.4 rappelle ce que sont les pesticides agricoles, dont il est question dans les autres documents de la page, comme facteur de sélection menant à des résistances chez les insectes bioagresseurs et chez les adventices. Le doc.5 a été produit à partir des bases de données internationales compilant les résistances observées dans le monde. Notons que le nombre cumulé, en ordonnée, recense chaque nouvelle espèce dont on a signalé au moins une résistance. Une résistance est généralement valable pour une sous-population d’une espèce de bioagresseur dans une localisation géographique donnée. La même espèce peut développer une résistance, moléculairement totalement différente, dans une autre région du monde, et ne sera alors pas comptabilisée dans ce graphique. Le doc.6 s’intéresse à l’une des résistances décrites chez le puceron vert, celle affectant le gène CYP6CY3. C’est l’occasion de rappeler le mécanisme de la sélection qui s’exerce sur une population diversifiée.

Exploiter les documents : Correction La sélection naturelle (incluant la sélection artificielle) contribue à faire évoluer les espèces présentes dans les milieux agricoles. Par exemple, à partir des individus sauvages, les premiers agriculteurs ont choisi (sélectionné) les meilleurs fruits et les meilleures graines pour s’en servir de semences les années suivantes. Ainsi, ils ont favorisé les allèles portés par ces fruits et ces graines et réalisé une sélection des caractères qui les intéressaient le plus. Ce processus a pu s’effectuer sur plusieurs centaines ou plusieurs milliers d’années, dans toutes les régions du monde où l’agriculture a eu lieu, et peut théoriquement se poursuivre aujourd’hui. La sélection naturelle s’applique également aux espèces présentes dans les milieux agricoles mais indésirables. : les bioagresseurs. Ces espèces subissent une forte pression de sélection par les pesticides agricoles. Néanmoins, les populations sauvages de ces espèces présentant une certaine diversité, certains individus supportent mieux que d’autres cette lutte chimique. Les plus résistants se reproduisent davantage, et dans la génération suivante, on retrouve les gènes conférant la résistance en plus grande proportion. Ainsi au fil des générations, on sélectionne les individus les plus résistants aux pesticides. Ce mécanisme est assez rapide, puisque l’on produit des résistances en quelques décennies au maximum (la frise du doc.1 montre en effet que les pesticides sont utilisés depuis le

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milieu du XXe siècle environ et les premières résistances signalées, dans le doc.5, datent des années 1990). Cette sélection s’applique également sur les espèces adventices des cultures.

Esprit critique : Correction L’usage des pesticides génère des bioagresseurs résistants à ces molécules de synthèse. Par conséquent, un risque potentiel de l’usage massif des pesticides est de générer des résistances chez la plupart des insectes des milieux agricoles qui sont la cible de ces produits. Ces résistances nécessiteront un dosage plus important des pesticides pour surmonter les résistances, ce qui peut conduire à des expositions accrues à ces molécules du personnel agricole et de l’environnement. C’est une boucle de rétroaction positive.

Unité 4 Choix pédagogiques Cette unité a pour objectif de présenter l’évolution sous l’angle des agents pathogènes et de leur évolution vis-à-vis des traitements qui visent à les éliminer. Des données classiques sur la résistance bactérienne et sur l’évolution des virus sont présentées dans cette double page. Le doc.1 expose comment les micro-organismes peuvent évoluer rapidement par leur taux de reproduction et le taux de mutation élevés. L’objectif est de montrer que ces organismes peuvent s’adapter rapidement aux contraintes environnementales. Le doc.2 explique comment les médicaments et le système immunitaire peuvent exercer une pression de sélection sur les micro-organismes pathogènes. La mise en relation avec les données du doc.1 permettra d’envisager une évolution de ces micro-organismes. Le doc.3 montre la corrélation entre la quantité de pénicilline utilisée dans chaque pays et la résistance bactérienne à ce même antibiotique. La mise en relation avec les documents précédents permettra d’envisager un lien de causalité entre usage de l’antibiotique et résistance bactérienne. Le doc.4 présente la structure du virus grippal. Le texte d’accompagnement précise le rôle des protéines de surface H et N dans la reconnaissance par le système immunitaire et la possibilité de mutation de ces protéines. Le doc.5 est un exemple d’évolution d’un virus grippal sous la forme d’un arbre de parenté. Enfin le doc.6 explique, sous forme d’un schéma, le processus de production d’un vaccin contre la grippe saisonnière. Il permet de comprendre que le choix des souches virales qui composeront le vaccin se fonde sur des prévisions et des modélisations.

Exploiter les documents : Correction 1. La résistance bactérienne aux antibiotiques provient directement de l’utilisation de ces antibiotiques qui a tendance à sélectionner les souches bactériennes résistantes.

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2. Le virus de la grippe possède un taux de mutation élevé (doc.1), ce qui va entrainer des modifications des protéines de surface comme les hémagglutinines et les neuraminidases (doc.4). Chaque année, de nouvelles souches virales, légèrement différentes des souches virales précédentes apparaissent (doc.5). Il est donc nécessaire de produire des nouveaux vaccins chaque année. Les modèles permettent de prédire les virus qui ont le plus de probabilité de circuler l’année suivante puisqu’il faut produire le vaccin avant l’épidémie grippale pour que le vaccin protège les individus.

Esprit critique : Pistes d’exploitation La modélisation qui permet de prévoir les virus circulant l’année suivante a des limites, puisque les souches circulantes peuvent elles-mêmes subir des mutations et évoluer. On risque ainsi d’utiliser des souches virales qui ne correspondent pas totalement aux souches virales qui circulent réellement. Ainsi, on ne pas être sûr à 100 % que le vaccin sera efficace. Cependant, cette démarche prédictive reste la seule valable pour permettre la plupart du temps de produire des vaccins efficaces, même si l’efficacité n’est pas de 100 %. Cette démarche reste valide malgré ces limites.

Unité 5 « Esprit critique » Choix pédagogiques En traitant du créationnisme, cette unité est l’occasion de faire réfléchir les élèves à la différence entre savoir scientifique, opinion et croyance. Le doc.1 présente sous forme de frise historique le lien entre créationnisme et histoire des sciences. Il faut en effet distinguer deux créationnismes : un créationnisme qui était la norme avant le XIXe siècle, quand science et religion n’étaient pas séparées. On trouve ainsi de nombreux grands scientifiques créationnistes comme Cuvier ou von Linné. Puis un créationnisme qui naît au XXe siècle sous l’influence de religieux américains et dont le but est de prouver une vérité « scientifique » de la Bible. Ce créationnisme prend la forme de différents courants, dont l’intelligent design créé à la fin du XXe siècle. Les docs 2 et 3 présentent des réponses scientifiques à des arguments créationnistes comme « la nature est bien faite » ou « l’œil ne peut pas avoir été obtenu par hasard ».

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Enfin, les docs 4 et 5 permettent de comprendre que le créationnisme relève d’une croyance et non d’un savoir scientifique. Le doc.4 met en lumière les éléments qui distinguent savoir, opinion et croyance, tandis que le doc.5 s’intéresse plus particulièrement à la définition du mot croyance.

Corrigés des exercices Mémoriser son cours 1. Une structure telle que l’œil d’un animal n’est pas apparue tout entière, comme par un coup de baguette magique. Elle est au contraire le fruit d’une longue histoire évolutive. Cela signifie qu’au cours du temps de l’évolution qui a conduit à l’animal considéré (des dizaines ou des centaines de millions d’années), des variations dues à des mutations sont apparues. Certaines ont provoqué des modifications de la structure du système visuel (l’œil). Par le biais de la sélection naturelle, seules les variations avantageuses ont été conservées. C’est pourquoi le système visuel que nous pouvons observer aujourd’hui est adapté aux contraintes subies par l’animal.

2. Certaines structures anatomiques peuvent ne pas paraître en adéquation avec leur fonction car, au cours de l’évolution, beaucoup de caractères sont soumis à des pressions de sélection contraires : aux contraintes d’adaptation s’ajoutent des contraintes phylogénétiques, fruit de notre histoire évolutive, et des contraintes structurales, c’est-à-dire de développement. Par exemple, le nerf laryngé des mammifères parcourt un trajet « étonnant » (il semble faire un détour « inutile ») qui s’explique par l’histoire évolutive des mammifères.

3. L’histoire évolutive d’une structure anatomique est l’histoire des processus dus au hasard (mutations) et/ou à la sélection naturelle, ayant conduit à la structure anatomique actuelle. L’histoire évolutive n’est pas linéaire : on ne va pas d’une structure plus « simple » à une structure plus « complexe ».

4. Une résistance à un antibiotique apparaît chez à un micro-organisme pathogène suite à une mutation. En présence de l’antibiotique, cette mutation lui permet de survivre et elle est donc sélectionnée par la sélection naturelle.

5. La sélection artificielle effectuée par les humains au cours du temps sur plantes (on parle de « domestication des plantes ») a contribué à réduire la biodiversité génétique de ces dernières. Ainsi, les caractères morphologiques des plantes domestiquées changent au cours du temps (ex : grains de blé de plus grande taille). Les individus d’une population de plantes domestiques étant très proches génétiquement, si un individu est sensible à un bioagresseur des cultures, tous les individus le seront. Par ailleurs, les pesticides agricoles exercent des pressions de sélection sur les populations des bioagresseurs (espèces indésirables dans les cultures). Si un individu résistant apparaît par l’effet de mutations dues au hasard, l’emploi de pesticides contribue, par sélection naturelle, à sélectionner des populations résistantes.

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Pour s’échauffer 1. QCM 1. a. Faux, l’évolution a lieu à différentes échelles de temps (de l’ordre du jour ou de la semaine pour des microorganismes dans une boîte de culture par exemple). b. Faux, c’est une variation qui apparaît par hasard. c. Vrai. 2. a. Faux, c’est incomplet, si les variations sont apparues par hasard, cela ne suffit pas à expliquer les similitudes. Ce sont des pressions de sélection identiques du milieu qui expliquent ces similitudes (convergence évolutive). b. Vrai. c. Faux, c’est la sélection naturelle qui est en jeu. 3. a. Faux, l’évolution n’est pas linéaire : on ne va pas du plus « simple » au plus « complexe ». b. Faux, l’évolution n’est pas linéaire : on ne va pas du plus « simple » au plus « complexe ». c. Vrai, c’est le cas de l’acquisition de certaines structures comme une lentille. d. Faux. 4. a. Faux, l’évolution n’est pas linéaire : on ne va pas du plus « simple » au plus « complexe ». b. Vrai. c. Faux, cela n’a pas de sens de dire qu’une espèce « est plus évoluée » qu’une autre. 5. a. Vrai. b. Faux, les antibiotiques sélectionnent une résistance déjà apparue, ils ne favorisent pas l’apparition. c. Faux, il n’y a pas de « transformation » mais une sélection des bactéries déjà résistantes. d. Faux, il n’y a pas de « transformation » mais une sélection des bactéries déjà résistantes. 6. a. Faux, pas d’allaitement par les mammifères mâles. b. Vrai. c. Faux, toutes les structures ne sont pas forcément en parfaite adéquation avec une fonction.

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7. a. Vrai. b. Vrai, la faible diversité génétique rend les plantes plus vulnérables aux bioagresseurs (si un individu est sensible, tous le sont). c. Faux.

2. Vrai/Faux 1. Vrai. 2. Faux, l’évolution biologique peut s’étudier sur des périodes courtes, par expérimentation (exemple des microorganismes). 3. Vrai. 4. Vrai. 5. Faux, au cours de l’histoire de la vie, on assiste parfois à la simplification de certaines structures anatomiques sous l’effet de de la sélection naturelle. Par exemple la disparition du système visuel chez les gastéropodes cavernicoles (doc.3 p.221).

3. Questions à réponse courte 1. Un pesticide applique une pression de sélection sur les populations de bioagresseurs des cultures. Si une mutation conférant une résistance apparaît par hasard chez les bioagresseurs, elle sera ainsi sélectionnée par l’usage du pesticide. La population de bioagresseurs va comporter alors de plus en plus d’individus présentant cette résistance, ce qui explique que le pesticide sera de moins en moins efficace au cours du temps. 2. Chaque structure anatomique est le fruit d’un compromis entre sélection naturelle, contraintes structurales et histoire évolutive. Par exemple, le trajet du nerf laryngé peut paraître non optimal, mais est le fruit d’une histoire évolutive et de contraintes structurales que la sélection naturelle n’a pas pu contourner (en d’autres termes, cette structure n’est pas suffisamment « non-optimale » pour être contre sélectionnée). Autres exemples possibles : le trajet du nerf phrénique (exercice 13 p.237) chez les mammifères, la présence de tétons masculins, etc. 3. Les antibiotiques permettent d’éliminer les bactéries plus ou moins efficacement selon leur résistance. Un traitement mal suivi en termes de durée ou de dose permet aux bactéries les plus résistantes de survivre et de proliférer, ce qui conduit à une population bactérienne résistante. 4. Les contraintes structurales et l’histoire évolutive de la structure anatomique. Ces trois contraintes (avec la sélection naturelle) sont représentées dans le triangle de Seilacher.

4. Carottes sauvages et cultivées Imaginons une population de carottes sauvages dont les caractères varient, certaines étant davantage orange, d’autres plus grosses, d’autres plus sucrées ou moins amères. On peut imaginer que les êtres

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humains identifiant cette plante comme une plante comestible ont eu tendance à rechercher les pieds de carottes qui présentaient les racines les plus intéressantes sur le plan alimentaire. En prélevant les graines des individus présentant les meilleures caractéristiques, les caractères intéressants ont pu être sélectionnés progressivement. Ce qui a permis de s’affranchir de la récolte des carottes sauvages et de cultiver des carottes, domestiquées, aux caractéristiques intéressantes.

5. La vaccination grippale La vaccination permet de produire des anticorps contre les souches grippales présentes dans la préparation vaccinale. Le choix de ces souches virales par les scientifiques se fonde sur le suivi des épidémies de grippe à travers le monde et sur des modélisations. Cependant, les souches virales qui circuleront réellement durant l’épidémie de grippe ne sont pas connues à l’avance. Il arrive donc que les individus vaccinés soient infectés par une autre souche virale que celle présente dans le vaccin, ce qui explique une efficacité non totale du vaccin.

6. Résistance bactérienne aux antibiotiques Plus la zone claire autour de la pastille d’antibiotiques est importante et plus l’antibiotique est efficace. On peut donc classer les antibiotiques selon leur efficacité décroissante dans l’ordre suivant : n°4, n°7, n°1, n°6 et 5. Les antibiotiques n°2 et 3 sont complétement inefficaces (pas de zone claire autour de la pastille).

7. Champs visuels 1. Vrai, la chouette hulotte a un champ de vision binoculaire de 48° contre 22,5° pour le héron gardebœufs 2. Faux, le héron garde-bœufs à un champ visuel qui couvre 321,5°. Il ne voit pas derrière sa tête. 3. Faux, le héron garde-bœufs possède le champ de vision monoculaire le plus étendu, 149,5° pour chaque œil. 4. Vrai, la zone aveugle du héron est de 38,5° contre 159° pour la chouette hulotte (soit environ 4 fois moins étendue).

Méthode : Exercices d’application 9. Effets de la domestication animale Dans le doc.2, on constate qu’en 30 générations, la sélection artificielle sur des poulets a permis à partir d’une population initiale relativement homogène avec une masse corporelle autour de 2 kg d’obtenir deux populations très différentes : l’une où les individus font autour de 2,5 kg et l’autre où les individus font autour de 500 g. Cette expérience montre que par sélection artificielle on peut modifier assez rapidement les caractéristiques des poulets. On peut imaginer que les populations sauvages d’Asie du Sud-Est ont de la même façon été sélectionnées au fil des générations en choisissant comme reproducteurs à chaque génération les parents les plus gros, et les femelles produisant le plus d’œufs.

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10. La résistance du VIH aux médicaments L’énoncé nous indique que le virus du VIH accumule des mutations à une fréquence 100 000 fois plus importante que les cellules humaines. Ce taux de mutation élevé peut faire apparaître des versions résistantes du virus aux médicaments. Le doc.1 nous montre que la résistance aux antiviraux est d’autant plus importante que les individus ont été exposé à un traitement antiviral auparavant. L’exposition aux antiviraux va sélectionner chez les individus malades les virus résistants par sélection naturelle. Le traitement devient alors inefficace.

11. Voir le jour ou la nuit On calcule le rapport taille cristallin/longueur axiale pour pouvoir ensuite comparer la morphologie de l’œil. Espèce

Souris Homme Gecko léopard Iguane vert Engoulevent d’Europe Autruche

Mode de vie

Nocturne Diurne Nocturne Diurne Nocturne Diurne

Rapport taille cristallin/longueur axiale 0,66 0,38 0,60 0,45 0,71 0,39

On constate que toutes les espèces diurnes ont un rapport 0,5 : la morphologie de l’œil est donc dépendante du mode de vie des espèces. La quantité de lumière qui entre dans l’œil est proportionnelle à la taille du cristallin : plus une espèce a un rapport élevé et plus la quantité de lumière qui entre dans l’œil est importante. On peut supposer que la sélection naturelle a favorisé pour les espèces nocturnes les individus qui possédaient en moyenne un cristallin plus large qui permettait une plus grande quantité de lumière d’entrer dans l’œil, permettant une meilleure survie de ces individus.

12. Le figuier de barbarie 1. On peut imaginer que les habitants de ces villages ont l’habitude d’aller chercher, loin du village s’il le faut, les meilleures figues de barbarie. Ils les consomment, avec leurs graines, et font leurs déjections à proximité des villages. Ces déjections contenant les graines des figues les plus belles choisies sur les arbres lointains vont donner de nouveaux figuiers à proximité des villages. 2. Il est probable que cette sélection soit involontaire. En tout cas, il n’est pas nécessaire qu’elle soit volontaire pour qu’elle se produise.

13. Pourquoi ai-je le hoquet ? On constate avec cet exemple que certaines structures sont héritées des ancêtres des êtres vivants mais n’ont plus les mêmes fonctions chez les organismes contemporains. En l’occurrence, le nerf phrénique est à l’origine du hoquet chez les humains, phénomène ne présentant aucune fonction connue. On peut considérer que les contraintes phylogénétiques et structurales qui s’exercent sur le nerf phrénique expliquent qu’il n’y a pas de variabilité dans son anatomie qui donnerait lieu à une

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sélection naturelle. Par conséquent, tous les individus ont la même organisation anatomique de ce nerf et tous en supportent les conséquences, le hoquet, qui ne doit pas être à l’origine d’une contre sélection suffisamment forte pour disparaître. On peut donc considérer que le nerf phrénique est une structure « mal adaptée » mais toutefois suffisamment fonctionnelle (innervation du diaphragme) pour se maintenir au fil des générations.

14. Les récepteurs olfactifs des mammifères 1. On constate chez les mammifères représentés que le nombre de gènes de récepteurs olfactifs varie de 380 chez le chimpanzé à 1 207 chez la souris. Les organismes apparentés ayant des nombres de gènes relativement proches (396 et 380 pour l’humain et le chimpanzé ; 1 207 et 1 035 pour la souris et le rat ; 811 et 970 pour la chèvre et la vache). On remarque également que le nombre de gènes de récepteurs olfactifs est particulièrement faible chez le poulet. 2. On peut supposer que le nombre de gènes de récepteurs olfactifs dépend du mode de vie et de l’environnement dans lequel vivent les animaux. Les humains et les chimpanzés utilisent principalement la vue pour se nourrir (les chimpanzés ont un régime principalement constitué de fruits et de noix), les souris et les rats capables d’un mode de vie nocturne utilisent probablement davantage leur sens olfactif pour se déplacer, identifier leur nourriture ou des dangers potentiels. Ces animaux sont par ailleurs omnivores, ce qui représente une source d’incertitude et de diversité alimentaire pour laquelle un sens olfactif développé doit être avantageux. Les chèvres et les vaches sont des herbivores, capable d’identifier les plantes comestibles, il est possible que leur sens olfactif les aide dans leurs choix alimentaires. Le poulet, granivore forestier sous sa forme sauvage, utilise probablement comme la plupart des oiseaux principalement la vue pour se nourrir et identifier d’éventuels dangers.

Objectif BAC 15. L’œil des primates Le doc.1 nous montre que les primates terrestres ont un œil plus allongé (largeur/hauteur > 2) que les primates semi-arboricoles ou arboricoles, qui possèdent un œil plus rond. La morphologie de l’œil des primates diffère donc en fonction de leur mode de vie. Le doc. 2 nous montre les relations de parenté entre différents primates. On constate que le gibbon a un œil plus proche du celui du saki que de celui de l’être humain alors qu’il est plus proche parent de l’être humain que du saki. Le rapport largeur/hauteur de l’œil dépend donc plus du milieu de vie des primates que de leurs liens de parenté. Le doc. 3 nous apprend que les primates arboricoles passent deux fois plus de temps à scruter leur environnement dans l’axe horizontal que dans l’axe vertical. Les primates terrestres observent 17 fois plus leur environnement dans l’axe horizontal que dans l’axe vertical. Les primates semi-arboricoles présentent une situation intermédiaire. La mise en relation des données des trois documents nous permet de supposer que la morphologie de l’œil dépend de l’environnement et au mode de vie des primates et non pas de leurs relations de parenté. L’œil allongé horizontalement des primates terrestres est en effet associé avec un temps plus long consacré à scruter l’environnement horizontalement. L’œil plus rond des primates arboricoles est associé avec un temps plus long passé à scruter l’environnement dans l’axe horizontal et vertical. On

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peut en déduire que la morphologie des yeux des primates est adaptée à leur mode de vie et que cette morphologie doit être liée à un processus de sélection naturelle dans chaque espèce.

Focus méthode : Exploiter des données – Commencez par décrire, puis par interpréter chaque document. – Mettez ensuite en relation chacune de vos interprétations et concluez.

16. La diversité des blés cultivés 1. On constate (doc.1) que depuis 1912, les variétés anciennes de blés ont été progressivement par des variétés lignées pures modernes. 2- Le nombre de variétés n’est pas un bon indicateur de la diversité génétique. En effet à partir d’un même ensemble d’allèles on peut faire de nombreuses variétés différentes. L’indice Ht* qui tient compte à la fois de la diversité à l’intérieur des variétés, entre les variétés et leur répartition fournit une vision plus objective de la diversité génétique. Le fait que l’indice Ht* reste faible alors que le nombre de variétés augmente suggère que les nouvelles variétés supplémentaires sont apparentées les unes avec les autres et possèdent pour l’essentiel les mêmes allèles. 3. Si la diversité génétique cultivée diminue, il n’existe plus dans les populations cultivées de variabilité, notamment dans la capacité à répondre à des environnements variables. Autrement dit, tout changement de l’environnement (nouveaux bioagresseurs, changement climatique, etc.) est susceptible d’avoir un impact majeur sur des variétés homogènes génétiquement.

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Chapitre 11 : L’évolution humaine À la suite du chapitre sur les mécanismes évolutifs du vivant, ce chapitre propose de découvrir le récit de l’évolution humaine, à partir de données s’appuyant sur la découverte d’ossements. Ce chapitre est aussi l’occasion de remobiliser les connaissances abordées dès le collège, sur la phylogénie, à partir des espèces actuelles et fossiles d’hominines.

Programme • Chapitre 1. L’atmosphère terrestre et la vie

Savoirs L’espèce humaine actuelle (Homo sapiens) fait partie du groupe des primates et est plus particulièrement apparentée aux grands singes avec lesquels elle partage des caractères morphoanatomiques et des similitudes génétiques. > Unité 1 C’est avec le chimpanzé qu’elle partage le plus récent ancêtre commun. > Unité 1

Savoir-faire Analyser des matrices de comparaison de caractères morpho-anatomiques résultant d’innovations évolutives afin d’établir des liens de parenté et de construire un arbre phylogénétique. > Unité 1 Mettre en relation la ressemblance génétique entre les espèces de primates et leur degré de parenté. > Unité 1

Des arguments scientifiques issus de l’analyse comparée de fossiles permettent de reconstituer l’histoire de nos origines. > Unité 2 L’étude de fossiles datés de 3 à 7 millions d’années montre des innovations caractéristiques de la lignée humaine (bipédie prolongée, forme de la mandibule). > Unité 2

Positionner quelques espèces fossiles dans un arbre phylogénétique, à partir de l'étude de caractères. > Unité 3

Le genre Homo regroupe l’espèce humaine actuelle et des espèces fossils qui se caractérisent notamment par le développement de la capacité crânienne. Plusieurs espèces humaines ont cohabité sur Terre. > Unité 3

Analyser des arguments scientifiques qui ont permis de préciser la parenté de Homo sapiens avec les autres Homo, et notamment la parenté éventuelle avec les Néandertaliens ou les Dénisoviens. > Unité 3

Certains caractères sont transmis de manière non génétique : microbiote, comportements appris dont la langue, les habitudes alimentaires, l’utilisation d’outils… > Unité 4 Prérequis et limites L’objectif n’est pas de conduire une approche exhaustive des fossiles et de leurs caractères biologiques, mais de présenter la démarche scientifique permettant de construire une histoire raisonnée de l’évolution humaine. Les notions de liens de parenté, étudiées au collège, sont mobilisées ; un accent particulier est mis sur l’importance de l’identification d’innovations évolutives communes.

Pour bien commencer 1. L’ancêtre commun à tous les êtres vivants vivant actuellement sur Terre se nomme LUCA (Last Universal Common Ancestor). Il était constitué d’une cellule (SVT Cycle 4). 2. Pour établir les liens de parenté entre les êtres vivants, les scientifiques s’appuient sur des ressemblances de caractères morpho-anatomiques (cycle 4) ou de séquences d’ADN, ARN ou d’acides aminés.

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3. C’est le genre Homo qui regroupe les espèces les plus proches parentes de l’espèce humaine actuelle (cycle 4).

Unité 1 Choix pédagogiques Cette unité rappelle la place l’être humain parmi les primates et les grands singes. Le doc.1 illustre les caractères dérivés exclusifs des primates ou des grands singes. L’écureuil roux est l’extra-groupe. Le doc.2 est une matrice de comparaison de quelques caractères morpho-anatomiques de primates et de l’écureuil roux (extra-groupe), dont certains sont illustrés dans le doc 1. Le doc.3 est un arbre phylogénétique établi à partir de 6 espèces du doc.2. Ce document permet à l’élève d’identifier les caractères dérivés des primates et des grands singes. En mettant en relation les docs 2 et 3, il peut aussi replacer les 2 espèces du doc.2 qui n’ont pas été placées dans l’arbre (l’être humain et le Saki à face blanche) et leurs caractères dérivés. Ce faisant, l’élève met en évidence une notion du programme : nous appartenons au groupe des primates et des grands singes, et l’espèce actuelle la plus proche parente de nous est le chimpanzé commun. Le doc.4 explique que le partage de l’état dérivé d’un caractère par plusieurs espèces résulte de l’héritage d’ancêtres communs uniquement à ces espèces. Ce document, mis en relation avec le doc 3, permet de construire une 2e notion du programme : c’est avec le chimpanzé commun que nous partageons le plus récent ancêtre commun. Le doc.5 montre la ressemblance génétique entre l’être humain et trois autres grands singes. Cette méthode, la phénétique, corrobore les résultats obtenus par la cladistique (docs 2 et 3).

Exploiter les documents : Correction 1. Nous avons des ongles, des pouces opposables et des orbites en avant. Or, ce sont des caractères dérivés des primates. Nous sommes donc des primates. De plus, nous possédons un coccyx, caractère dérivé exclusivement partagé par les grands singes. C’est pourquoi nous pouvons affirmer que nous sommes des grands singes. 2. Voici l’arbre phylogénétique complété ci-dessous. D’après cet arbre et le doc 4, nous pouvons en déduire que c’est avec le chimpanzé commun que nous partageons le plus récent ancêtre commun.

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3. L’être humain est plus proche génétiquement du chimpanzé commun que du gorille de l’ouest. C’est avec l’orang-outang de Bornéo qu’il est le plus éloigné génétiquement. Or, plus deux espèces se ressemblent d’un point de vue génétique, plus leur divergence depuis leurs derniers ancêtres communs est récente (doc 5). Ce résultat corrobore la conclusion de la réponse précédente : parmi ces trois espèces de grands singes, c’est avec le chimpanzé commun que l’être humain partage le plus récent ancêtre commun.

Esprit critique : Pistes d’exploitation Ce questionnement trouve sa réponse dans le doc.1 p.250. Il permet de faire réfléchir les élèves à la différence entre le registre des faits scientifiques et le registre des valeurs. « Scientifiquement, nous sommes des singes. En revanche, la valeur à accorder à la vie d’un singe ou à celle d’un humain ne relève pas de la science ».

Unité 2 Choix pédagogiques Après avoir exposé les synapomorphies des primates et des grands singes dans l’unité 1, l’unité 2 se focalise sur les hominines (ou lignée humaine), sous-groupe des grands singes. La page de gauche aborde ce sujet sous l’angle de la paléoanthropologie. La page de droite donne des éléments pour faire de la phylogénie. Cette distinction entre paléoanthropologie et phylogénie est par ailleurs précisée dans l’unité.

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Le doc.1 cite quelques fossiles d’hominines, leur âge et leur localisation. Il précise que les archives fossiles et les données génétiques sur les populations humaines actuelles confirment l’hypothèse selon laquelle le berceau de l’humanité est situé en Afrique. Le doc.2 est une frise montrant la durée d’existence de quelques espèces. On n’établit pas ici de lien de parenté entre elles. On aborde l’idée du récit de la lignée humaine, reconstitué à partir des archives fossiles. Ces archives permettent par ailleurs de déterminer les caractéristiques morphoanatomiques des espèces fossiles, leur mode de vie, leurs productions. C’est le travail de la paléoanthropologie, à la différence de la phylogénie, qui s’intéresse au lien de parenté entre les espèces, comme le mentionne le doc.3. Les docs 4 et 5 illustrent quelques caractères anatomiques associés à l’aptitude propre aux hominines : la bipédie prolongée. L’interview de Dominique Grimaud-Hervé dans le doc.6 explique que c’est la présence de ces caractères sur des fossiles qui permet de les attribuer au groupe des hominines. Mais cette tâche n’est pas toujours aisée, notamment parce que certains de ces caractères se présentent sous des formes variées. L’exemple d’Australopithecus afarensis permet de faire réfléchir l’élève sur ce point. Remarques : • Le programme mentionne la forme de la mandibule, comme innovation évolutive de la lignée humaine, mais ce caractère est propre au genre Homo, qui sera abordé dans l’unité suivante. •

Le terme de lignée humaine peut nourrir l’idée d’une évolution linéaire. Il peut être pertinent d’en discuter avec les élèves. Le doc.2 montrant la coexistence de plusieurs espèces peut être un support pour cette discussion. Si ce terme doit être connu des élèves, il peut être préférable d’employer le terme d’hominines, en l’expliquant aux élèves.

Exploiter les documents : Correction 1. L’évolution des hominines a abouti à 7 genres différents : Sahelanthropus, Orrorin, Ardipithecus, Kenyanthropus, Australopithecus, Paranthropus et Homo (docs 1 et 2). D’après la datation des ossements, certaines espèces ont coexisté (doc.2). Ce fait est incompatible avec une évolution linéaire et corrobore l’hypothèse d’une évolution buissonnante. 2. Au contraire du chimpanzé commun, Homo sapiens présente quatre courbures de la colonne vertébrale, un bassin court et évasé, des fémurs inclinés, et un trou occipital en position avancée, sous le crâne (docs 4 et 5). Or, cette espèce est bipède stricte, contrairement au chimpanzé commun. Nous pouvons en déduire que ces caractères anatomiques sont associés à la bipédie stricte. D’autre part, cette aptitude caractérise exclusivement les hominines (doc.6). C’est pourquoi on peut affirmer qu’Homo sapiens est un hominine. Homo ergaster présente, d’après les données fournies par les docs 4 et 5, un bassin court et évasé, des fémurs inclinés et un trou occipital en position avancée, sous le crâne. On peut donc conclure à son appartenance au groupe des hominines. Si Australopitecus afarensis présente un trou occipital en position arrière du crâne, il possède toutefois un bassin court et évasé et des fémurs inclinés : cela permet raisonnablement de l’assigner au groupe des hominines également. Remarque : •

Le doc.6 de l’unité suivante (p.247) développe l’idée du doc.6 de cette unité selon laquelle un caractère associé à la bipédie permanente peut se présenter en réalité sous différents états. En effet, le doc.6 de l’unité 3 précise que la marche bipède habituelle a pu être réalisée « de manière variée, propre à chaque espèce, et parfois associée a d’autres modes

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de locomotion comme le grimper », et ce grâce à des états et des combinaisons de caractères variés. L’exemple de A. afarensis dont la position du trou occipital est en position arrière, avec des fémurs inclinés et un bassin court et évasé illustre une combinaison de caractères, différente de celle d’Homo sapiens.

Esprit critique : Pistes d’exploitation On peut se servir de l’élément suivant dans le doc.6 : « C’est le cas du crâne de Sahelantropus, dont la morphologie a été reconstituée grâce à une modélisation numérique. Or cette reconstitution est l’objet de débats parmi les scientifiques. ». Cette phrase peut être le point de départ de la recherche internet pour trouver où se situe la controverse sur ce crâne. Les ressources Internet proposées cidessous donnent les réponses à cette question. L’interview de Gilles Berillon (doc.6 p.247) permet de souligner le fait que les caractères soient à l’état de mosaïques dans les fossiles trouvés, ce qui rend la tâche des paléoanthropologues complexe pour assigner un fossile à une espèce donnée. Cette idée est également développée dans l’interview de Florent Detroit, doc.4 p.251, découvreur d’un fossile attribué à une nouvelle espèce : Homo luzonensis. Ressources possibles : - Affinités morphologiques du crâne de Sahelanthropus tchadensis, « Toumaï » : le plus ancien représentant de la famille humaine, Guy et al., Med Sci (Paris) 2006 ; 22 : 250–251 https://www.medecinesciences.org/en/articles/medsci/full_html/2006/04/medsci2006223p250/me dsci2006223p250.html - Résumé de l’article de l’encyclopédie Universalis : https://www.universalis.fr/encyclopedie/hominides/7-sahelanthropus-tchadensis/

Unité 3 Choix pédagogiques Après s’être intéressé aux primates et grands singes (unité 1), puis aux hominines (unité 2), on concentre notre étude cette fois sur le genre Homo. Comme dans l’unité 2, la page de gauche aborde ce sujet sous l’angle de la paléoanthropologie. La page de droite donne des éléments pour faire de la phylogénie. Les docs 1 et 2 présentent deux fossiles qui ont marqué l’histoire des découvertes de restes du genre Homo : le plus vieil ossement du genre Homo, un reste de mandibule datant de 2,8 Ma, découvert en 2013 ; et des ossements des plus vieux représentants de notre espèce, découverts à partir de 1960, mais datés en 2017 de 315 000 ans +/- 34 000 ans, faisant reculer de 100 000 ans l’âge de notre espèce. Le doc.3 montre les aires de répartition supposées de 5 espèces du genre Homo il y a 40 000 ans. Il met en évidence un des points du programme : « plusieurs espèces humaines ont cohabité sur Terre ». Le doc.4 explique que des métissages se sont produits entre espèces humaines différentes, ce qui pose la question de la définition d’une espèce.

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Le doc.5 illustre les caractères crâniens à l’état dérivé du genre Homo, en les comparant à ceux d’un extra-groupe, Australopithecus afarensis : mandibule parabolique, volume crânien et angle facial supérieurs à ceux d’Australopithecus afarensis. Le doc.6 présente la combinaison de caractères associés à la bipédie habituelle, caractéristique du genre Homo : un trou occipital situé sous la tête, une colonne vertébrale à quatre fortes courbures, un pelvis court en forme de bassin, des membres inférieurs relativement longs, des genoux adductés, un pied voûté et un centre de gravité proche des hanches. Ce document précise que d’autres combinaisons de caractères de la bipédie habituelle sont possibles, comme celle d’A. afarensis évoquée dans l’unité 2.

Exploiter les documents : Correction 1. Voici l’arbre phylogénétique :

2. Des ossements, outils et productions artistiques attribués à différentes espèces humaines ont été datés (doc.2). Certains sont de même âge, comme le montrent les restes d’Homo sapiens, H. neanderthalensis, H. floresiensis, H. denisovensis, et H. luzonensis, datés de 40 000 ans (doc.3). De plus, certaines aires de répartition de ces restes se chevauchent (doc.3) et des séquences génétiques d’origine néandertalienne ou dénisovienne se retrouve dans des populations humaines actuelles (doc.4). Ces indices révèlent que des espèces différentes d’Homo se sont hybridées.

Esprit critique : Pistes d’exploitation Ce questionnement permet de mettre en avant la difficulté de classer des fragments de corps fossilisés (os, dents, etc.) dans une espèce donnée. Le doc.6 p.247 souligne la difficulté des caractères « en mosaïque » présentés par les fragments retrouvés, le plus souvent incomplets : « Dans l’histoire des hominines, ces caractères présentent des états et des combinaisons variés » ; « Au fil des découvertes, le plus souvent constituées de restes incomplets, la tâche des paléoanthropologues s’avère complexe. ». Le doc.4 p.251 relève également ces difficultés : des fragments de fossiles ont été attribués à une nouvelle espèce car leur mosaïque de caractère primitifs et dérivés diffère des combinaisons trouvées dans les espèces connues. C’est en croisant les différents caractères trouvés sur les fossiles et la datation de ces fossiles que les paléoanthropologues les assignent à une espèce. Cette idée est développée dans le doc.6 p.245 : « C’est donc par un ensemble de caractères liés au squelette qu’on peut rattacher un fossile aux hominines. ».

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Unité 4 Choix pédagogiques Dans cette unité, il s’agit de décrire une partie de la diversité culturelle des humains actuels. On rappelle que la diversité génétique entre populations actuelles est très faible et ne permet pas de les distinguer les unes des autres. La page de gauche aborde les régimes alimentaires, source de diversité culturelle, et leur influence sur le microbiote intestinal. La page de droite aborde la transmission culturelle des langues et leur évolution. Le doc.1 s’appuie sur une publication phare de 2010, montrant un lien de corrélation entre le régime alimentaire d’enfants burkinabés et italiens et la diversité de leur microbiote intestinal. Le doc.2 démontre expérimentalement un lien de causalité : le changement de régime alimentaire d’individus modifie provisoirement la composition de leur microbiote. Le doc.3 aborde la phylogénie des langues. La méthode se fonde sur une approche évolutionniste : les mots communs de langues sont interprétés comme hérités d’une langue ancestrale commune. Toutefois cette méthode ne prend pas en compte le métissage de langues ou la disparition brutale d’une langue. Le doc.4 explique la différence entre langue et langage et les principales étapes du processus d’acquisition du langage chez l’enfant. Il présente d’autre part quelques moteurs d’évolution des langues.

Exploiter les documents : correction Description de la diversité culturelle actuelle (utilisation des documents et d’une recherche personnelle) : Voici quelques traits culturels, source de diversité des populations humaines actuelles : - les habitudes alimentaires et leur influence sur le microbiote intestinal (docs 1 et 2). Ces habitudes peuvent être illustrées de différentes manières > les régimes alimentaires, > les plats traditionnels (attiéké, tacos, bobun...), > les différentes façons de cuisiner un aliment (riz : pilaf, à la créole, à la vapeur) - la langue - le type d’habitat individuel (yourte mongole, tente bakhtiari, maison Han, maison Yanomami...), - le type d’habitat collectif (shabono de la tribu yanomami, tulous des hakka, nos barres d’immeuble...), - le mode de vie sédentaire, nomade (yanomami, hadza...), semi-nomade (mongol éleveurs, bakhtiari éleveurs...), - le mode de vie chasseur-cueilleur/agriculteur (l’un ou l’autre à l’état pur est rare, on parle plutôt de dominante, sauf pour les hadza visiblement qui seraient encore uniquement chasseurs-cueilleurs), - le transport collectif urbain (des exemples typiques : bus londoniens, bus sénégalais qui sont d’anciens fourgons Renaud mis au rebuts, tuk-tuk collectifs) - le transport individuel (vélo en hollande et Chine, cheval chez les mongols, péruviens montagnards...) - les ustensiles pour s’alimenter : doigts, cuillère et/ou fourchette/couteau, et/ou baguettes chinoise. Cet article aborde la diversité des façon de s’alimenter : https://www.lemonde.fr/lesdecodeurs/article/2019/01/23/fourchettes-doigts-baguettes-avec-quoi-se-nourrissent-les-7-5-

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milliards-d-humains_5413471_4355770.html, - les tenues vestimentaires traditionnelles, - les accessoires vestimentaires (par exemple pour se protéger du Soleil : parapluie japonais, chapeau chinois, casquette/chapeau occidental) - les outils de chasse: sarbacane des Yanomami, arc/flèche des Awa et bushmen, fusil des occidentaux... Explication de cette diversité : On peut utiliser pour cette partie les deux exemples de l’unité : le microbiote et la transmission des langues. Le doc.2 présente un lien de causalité entre l’alimentation et la composition de notre microbiote. Ainsi, quelques jours de changement de régime alimentaire permettent de changer la composition microbiologique du microbiote. La diversité du microbiote est donc très sensiblement liée à l’alimentation, elle-même un héritage culturel des populations. Le doc.4 explique quant à lui le mécanisme d’évolution du langage. L’évolution des langues peut être représentée sous forme d’arbres phylogénétiques, à l’instar de l’avolution biologique des espèces. Cette représentation possède cependant des limitations (doc.3). Cette évolution s’explique par des modifications des langues au cours du temps, soit par des facteurs internes à la langue (certaines langues sont plus ou moisn aptes par leur structure à se modifier par exemple phonétiquement au cours du temps), soit par des facteurs externes : politiques, sociétaux, etc. On peut ainsi conclure que la diversité culturelle des populations humaines est intimement liée à l’histoire de chacune de ces populations.

Esprit critique : Pistes d’exploitation L’idée est de faire le lien entre l’approche présentée dans le doc.3 et les connaissances en phylogénie des élèves. S’il existe des ressemblances de méthodes entre les deux approches (évolution d’un caractère culturel et évolution d’un caractère anatomique), il existe aussi des différences qui sont abordées dans le doc.3. Le parallèle entre l’évolution des langues et des espèces nous permet de conclure qu’on peut faire une phylogénie des langues. En effet, celles-ci évoluent, se transmettent de génération en génération et divergent lors d’un isolement géographique comme la création d’une nouvelle espèce. Ainsi, les langues sont apparentées et on peut supposer la présence d’ancêtres communs hypothétiques aux langues. Cependant, Gilles Siouffi nous explique dans le texte et le podcast que l’évolution d’une langue est liée à un contexte historique et politique (exemple : l’abandon du Gaulois lors de la conquête de la Gaule par l’empire romain). De plus, toujours selon cet auteur, les arbres phylogénétiques peuvent être utilisés pour visualiser l’évolution de langues plus récentes comme les langues indo-européennes. Contrairement aux structures anatomiques qui peuvent être fossilisées, il est difficile de remontrer dans le temps pour trouver des indices de langues parlées dans des civilisations anciennes. Gilles Siouffi nous indique ainsi que l’hypothèse d’un « LUCA » des langues n’est pas supportée par suffisamment d’éléments et n’est pas une question à laquelle la linguistique actuelle peut répondre. Pour aller plus loin sur cette thématique, voir exercice 14 p.259.

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Unité 5 « Esprit critique » Cette unité aborde quelques questions et idées préconçues sur l’être humain, en lien avec son évolution et sa diversité. Le doc.1 aborde une idée largement véhiculée, selon laquelle l’être humain n’est pas un singe mais descend d’un singe. Guillaume Lecointre revient sur la définition d’un singe, terme utilisé en zoologie, explique pourquoi l’être humain est un singe et pourquoi il est gênant de dire qu’il descend d’un singe. Ce document permet également de revenir sur la différence entre le registre des faits scientifiques et celui des valeurs (=quelle valeur est attribuée à la vie d’un humain par rapport à la vie d’un animal), ce dernier ne relevant pas de la science. Le doc.2 explique que, si le concept de races existe en zootechnique, il ne peut s’appliquer à l’être humain. En effet, il n’existe aucun critère scientifique qui permette de définir des groupes d’humains. La couleur de la peau par exemple est en réalité un continuum de gradations si on prend un échantillon de personnes suffisamment important, et ne permet en aucun cas d’établir des catégories. Le doc.3 explique pourquoi l’on ne peut affirmer que l’être humain est l’espèce la plus évoluée. Cette espèce, comme toutes les autres, présente une mosaïque de caractères initiaux et dérivés. Les termes « primitifs » et « évolués » sont parfois utilisés à la place des états initiaux et dérivés des caractères, sans jugement de valeur. Ils contribuent toutefois à nourrir la fausse idée d’une espèce plus évoluée qu’une autre. Le doc.4 explique comment quelques restes fossiles peuvent être attribués à une nouvelle espèce. C’est la combinaison unique d’une mosaïque de caractères identifiables sur les restes qui le permet.

Ressources complémentaires pour les unités du chapitre 11 Unités 1 et 2 : https://planet-vie.ens.fr/thematiques/evolution/hominoides-hominides-hominines-etles-autres Discussions sur la place de l’Homme dans la classification des primates Unité 3 : http://atlasofhumanevolution.com/HomoSapiens.asp#2 carte interactive des aires de répartition des espèces d’Homo. Unité 5 : https://www.youtube.com/watch?v=WQwzEKFdTL4 : conférence d’Evelyne Heyer sur la notion de race chez l’être humain

Corrigés des exercices Mémoriser son cours 1. Les caractères morpho-anatomiques exclusifs au groupe des primates sont le pouce opposable, la présence d’ongles et les orbites en avant de la face. 2. Un caractère morpho-anatomique exclusif au groupe des grands singes (ou hominoïdes) est la queue remplacée par un coccyx. Ce dernier résulte de la réduction et soudure des dernières vertèbres. 3. Dans la nature actuelle, l’espèce dont l’être humain est le plus proche parent est le chimpanzé.

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4. Les caractères morpho-anatomiques exclusifs aux espèces de la lignée humaine sont les fémurs inclinés, le bassin court et évasé, le trou occipital central. Ces caractères permettent une bipédie prolongée. 5. La capacité crânienne dans le genre Homo est importante (supérieure à 550cm3). 6. Des exemples de caractères qui sont transmis de façon non génétique sont le microbiote et des caractères culturels comme l’utilisation d’outils, la langue ou la gastronomie.

Pour s’échauffer 1. QCM 1. a. Vrai, car elles partagent des caractères dérivés. b. Vrai, les propositions a et b disent la même chose de deux façons différentes. c. Faux, cela ne dépend pas de la nature des caractères. 2. a. Faux, ils ont le même pourcentage de différence dans la séquence protéique dans les deux cas (2,64 %) b. Vrai, 3,08 % de différence dans la séquence de la protéine avec le gorille contre 11,9 % avec le macaque. c. Vrai, , 2,64 % de différence dans la séquence de la protéine avec le bonobo contre 3,08 % avec le gorille. 3. a. Faux. b. Faux. c. Vrai, elles n’ont que 0,881 % de différences dans la séquence protéique étudiée, valeur la plus faible du tableau. 4. a. Vrai. b. Faux, on peut avoir indifféremment le bonobo ou le chimpanzé commun en B et en C. c. Faux, le chimpanzé est plus proche du bonobo que du gorille. 5. a. Faux, c’est l’inverse : leur ancêtre commun sera plus proche dans le passé. b. Vrai. c. Faux. 6. a. Faux.

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b. Faux. c. Vrai, car ce sont les deux espèces les plus proches donc leur ancêtre commun est plus récent.

2. Vrai/faux 1. Vrai (voir carte de répartition doc.3 p.246). 2. Faux, elle est transmise de façon non génétique, grâce à un apprentissage. 3. Vrai. 4. Faux, les grands singes sont des primates. Tous les primates ne font pas partie du groupe des grands singes (ex : le maki). 5. Vrai. 6. Faux, les êtres humains actuels sont à la fois des primates et des grands singes. 7. Vrai.

3. Rédiger une phrase 1. Homo sapiens est un primate et est particulièrement apparenté aux grands singes. 2. Un trou occipital central, des fémurs inclinés et un bassin court et évasé sont des caractères [permettant/adaptés à] la bipédie prolongée. 3. Parmi les espèces actuelles, c’est avec le chimpanzé commun que l’être humain partage les plus récents ancêtres communs. 4. Plus deux espèces ont des caractères communs, plus leurs derniers ancêtres communs sont récents, et donc plus leur degré de parenté est fort. 5. Une matrice de comparaison de caractères morpho-anatomiques permet d’établir des liens de parenté que l’on peut représenter sous forme d’un arbre phylogénétique.

4. Retrouver la question 1. Quels caractères morpho-anatomiques caractérisent les espèces du genre Homo ? 2. Quels caractères morpho-anatomiques caractérisent les primates ? 3. Quel caractère morpho-anatomique caractérise les grands singes (=hominoïdes) ?

5. Découverte d’une nouvelle espèce en 2015 Cette mandibule est de forme parabolique. Or cette forme caractérise le genre Homo. Cette mandibule appartient donc à une espèce humaine.

6. Qui suis-je ? 1. Un arbre phylogénétique.

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2. Un caractère morpho-anatomique. 3. Les ancêtres communs les plus récents. 4. Une matrice de comparaison.

7. Paranthropus boisei Le trou occipital est en position relativement centrale : Paranthropus boisei était donc bipède, de façon prolongée. Il s’agit donc d’un hominine (lignée humaine). Sa face n’est pas plate (elle est prognathe) et sa mandibule n’est pas parabolique. Elle ne possède donc pas les caractères du genre Homo.

8. Ressemblance génétique et degré de parenté

Méthode : Exercices d’application 10. Parenté de quelques primates

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11. Parenté entre être humain actuel et espèces fossiles 1.

2. Paranthropus bosei avait vraisemblablement des pouces opposables et un coccyx.

Tester ses compétences 12. Néandertal et Denisova dans notre ADN ? 1. Les populations du Proche et Moyen -Orient, de l’Eurasie et du continent américain ont entre 1,5 % et 2,5 % d’ADN néandertalien. En Asie de l’est et en Océanie on trouve des génomes contenant entre 2,5 % et 3 % d’ADN néandertalien. Quant à l’ADN dénisovien, on le retrouve dans des proportions quasi nulles dans les populations d’Europe, de Proche et Moyen-Orient. En Asie, il constitue entre 0,3 % et 0,6 % des génomes et il est compris entre 0,6 % et 1% en Océanie. Sur le continent américain, on le retrouve dans des proportions autour de 0,3 %. 2. La présence d’ADN de néandertaliens et de dénisoviens dans le génome de populations sapiennes actuelles signifie que nos ancêtres sapiens se sont hybridés avec ces espèces disparues. Cela témoigne de la coexistence de ces trois espèces. 3. En théorie, deux espèces différentes ne peuvent se reproduire entre elles, et/ou avoir une descendance fertile. Toutefois, on constate que cette définition biologique de l’espèce présente des limites puisque nos ancêtres se sont hybridés avec des néandertaliens et des dénisoviens, qui sont des espèces différentes de la nôtre. 4. Soit Néandertal et Denisova ont colonisé le continent africain peu de temps avant leur disparition, et se seraient très peu hybridés avec sapiens (hypothèse reconnue comme fausse aujourd’hui). Soit des populations sapiennes hybridées avec des dénisoviens et des néandertaliens hors d’Afrique, ont recolonisé plus tard le continent africain (hypothèse faisant consensus aujourd’hui).

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13. Néandertal et Denisova dans notre ADN ? La différence génétique que présente Denisova 4 avec chacun des cas comparés est toujours similaires à celle de Denisova 8. En outre, c’est avec l’ADN de Denisova 3 que l’ADN de Denisova 4 et 8 présentent le moins de différence (environ 3 %). Ces résultats montrent que les trois restes de la grotte de Denisova appartiennent à trois individus différents, mais génétiquement proches : ils appartiennent à la même espèce. De plus, les différences génétiques de Denisova 4 et 8 avec Néandertal s’élèvent à environ 8 %, et entre 11 % et 12 % avec celui des populations humaines actuelles. Ces données sont des indices forts en faveur d’une nouvelle espèce, différente de Néandertal et de l’être humain actuel, et plus proche parente de Néandertal que de nous.

14. L’origine des langues anciennes de Tasmanie 1. Le parallèle entre l’évolution des langues et des espèces nous permet de conclure qu’on peut faire une phylogénie des langues. En effet, celles-ci évoluent, se transmettent de génération en génération et divergent lors d’un isolement géographique comme la création d’une nouvelle espèce. Ainsi, les langues sont apparentées et on peut supposer la présence d’ancêtres communs hypothétiques aux langues. 2. D’après le doc.2, 12 langues sont réparties en 5 grands groupes. Ces cinq groupes peuvent être mis en relation avec les frontières tribales historiques en Tasmanie (doc.3). La géographie de l’île et les modes de déplacement des individus (à pieds) peuvent expliquer que les tribus se soient retrouvées isolées les unes des autres, ce qui peut expliquer une divergence entre les langues. Si les aborigènes circulaient sans obstacles tout le temps dans le temps d'une vie, nous n'aurions pas de correspondance entre les regroupements de vocabulaires et les zones tribales définies par l'ethnographie. (Même si des différenciations légères auraient pu voir le jour parce qu'il faut bien habiter quelque part, les emprunts auraient été si fréquents que l'arbre n'aurait pas pu être structuré).

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Objectif BAC 15. Liens de parenté entre espèces

16. La découverte d’Orrorin tugenensis La longueur de la phalange du pouce d’Orrorin tugenensis est de 19 mm, la largeur de sa base est de 11 mm, la largeur de son apex est de 7,5 mm (doc.1). Sur le fossile présenté doc.1, le rapport (largeur de l’apex)/(largeur de la base ) × 100 vaut 68,2 et le rapport (largeur de l’apex)/(longueur totale ) × 100 vaut 39,5.Ces deux valeurs rapprochent Orrorin davantage de l’être humain, qui est un hominine, que du chimpanzé commun et de l’orang-outan (doc.2). D’après le doc.3, Orrorin présente un col du fémur long, comme l’être humain, contrairement au chimpanzé. Enfin, toujours d’après le doc.3, chez Orrorin et chez l’être humain, l'épaisseur de la paroi osseuse supérieure du col du fémur est plus fine que celle de la paroi inférieure du col, ce qui n’est pas le cas chez le chimpanzé commun. Or une telle caractéristique est un indice en faveur d'un appui répété sur les membres inférieurs, résultant d’une bipédie prolongée. Cette aptitude étant une particularité des hominines, c’est la raison pour laquelle les chercheurs, en plus des indices apportés par l’étude de la phalange, ont assigné Orrorin au groupe des hominines (ou lignée humaine).

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Chapitre 12 : Les modèles démographiques Dans sa première partie, ce chapitre aborde les aspects mathématiques des progressions arithmétiques et géométriques tout en les appliquant à des phénomènes de la vie courante. Une application de ces connaissances consiste à étudier quelques-unes des principales réflexions de Robert Malthus concernant la démographie humaine. La dernière unité traite des dynamiques démographiques humaines contemporaines à partir d’exemples précis, et aborde les principaux éléments de compréhension de ses évolutions récentes et à venir.

Programme • Chapitre 6. Les atouts de l’électricité

Savoirs Savoir-faire Un modèle mathématique simple est le modèle linéaire. > Exprimer u(n) en fonction de u(0) et n. Unité 1 > Unité 1 Une grandeur discrète u varie de manière linéaire en fonction Produire et interpréter des graphiques d’un palier entier n si sa variation absolue u(n + 1) – u(n) est statistiques traduisant l’évolution d’effectif constante. Dans ce cas, les points (n, u (n)) sont situés sur une d’une population ou de droite. La suite de terme général u(n) est arithmétique. > ressources, notamment sous forme de nuages de Unité 1 points. > Unité 1 Dans la réalité, pour une population dont la variation absolue À l’aide d’une calculatrice ou d’un tableur, est Presque constante d’un palier à l’autre, on peut ajuster le ajuster un nuage de points par une droite et nuage de points qui la représente par une droite (modèle utiliser ce modèle linéaire pour effectuer des linéaire). > Unité 1 prévisions. > Unité 1 Le modèle linéaire est inadapté pour représenter l’évolution Exprimer u(n) en fonction de u(0) et de n. > d’une grandeur dont la variation absolue change fortement Unité 2 d’un palier à l’autre. > Unité 2 À partir de données démographiques, calculer le Une grandeur discrète u varie de manière exponentielle en taux de variation d’une population entre deux fonction du palier entier n si sa variation absolue u(n + 1) – dates. > Unité 2 u(n) est proportionnelle à sa valeur courante u(n). Dans ce cas, sa variation relative (ou taux de variation) est constante et la suite de terme général u(n) est géométrique. > Unité 2 Dans la réalité, pour une population dont le taux de variation est Presque constant d’un palier à l’autre, on peut ajuster le nuage de points par un modèle exponentiel. > Unité 2 Le modèle démographique de Malthus est un modèle Calculer l’effectif final d’une population à partir exponentiel d’évolution de l’effectif de la population. Il de son effectif initial, de son taux de natalité et prévoit que l’effectif de la population décroît vers 0 si le taux de son taux de mortalité. Selon le modèle de de mortalité est supérieur au taux de natalité et croît vers Malthus, prédire l’effectif d’une population au l’infini si le taux de natalité est supérieur au taux de mortalité. bout de n années. > Unités 2 et 3 > Unité 3 À l’aide d’un tableur, d’une calculatrice ou d’une Si les prédictions du modèle de Malthus peuvent se révéler représentation graphique, calculer le temps de correctes sur un temps court, elles sont irréalistes sur un doublement temps long, notamment en raison de l’insuffisance des d’une population sous l’hypothèse de croissance ressources disponibles. > Unité 3 exponentielle. > Unité 2 Des modèles plus élaborés prévoient que la population À partir de documents fournis, proposer un mondiale atteindra environ 10 milliards d’humains en 2050. > modèle de croissance de ressources alimentaires Unité 4 (par exemple la production mondiale de blé ou de riz) et la comparer à une croissance exponentielle. > Unité 3 Comparer les valeurs fournies par un modèle à des données réelles afin de tester sa validité. > Unités 3 et 4

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Prérequis et limites Différentes notions déjà étudiées sont mobilisées : fonctions affines, représentations graphiques de droites, fonction de variable entire et notation u(n). La connaissance de la fonction exponentielle n’est pas exigible.

Pour bien commencer 1. Une fonction affine est une fonction dans laquelle la variable est multipliée par une constante. Sa représentation graphique est une droite. Sa formule générale est f(x) = ax + b ou x est la variable, a et b des constantes réelles. 2. Des facteurs abiotiques (température pour les plantes par exemple) ou biotiques (disponibilité en nourriture pour les animaux par exemple, des prédateurs, des maladies infectieuses) peuvent influencer la dynamique des populations. 3. Un modèle mathématique a pour but de réduire la complexité d’un phénomène pour pouvoir mieux l’expliquer, voire le prévoir. Il fournit une approximation du phénomène réel, avec des simplifications et des incertitudes.

Unité 1 Choix pédagogiques Cette unité permet d’aborder le modèle linéaire à travers les suites arithmétiques. Notons d’emblée qu’il n’existe pas de populations naturelles dont la croissance peut être décrite par un modèle linéaire. Le doc.1 est un exercice d’introduction visant à placer le vocabulaire et à montrer la traduction mathématique d’un problème simple. On pourra choisir de faire réfléchir les élèves au problème et de leur demander une mise en équation avant de les familiariser avec les notations. Le doc.2 propose d’aborder le problème et de le résoudre avec un tableur. Cela est l’occasion d’utiliser les fonctions mathématiques de base, d’apprendre à étirer une formule sur plusieurs cases et à réaliser un graphique simple. Le doc.3 donne la définition d’une suite arithmétique. Le doc.4 présente la notion de modèle linéaire, qui s’appuie sur les fonctions affines et s’applique lorsqu’une variable semble s’incrémenter régulièrement. L’exemple choisi, la croissance d’un arbre, permet également d’aborder la question de la variation par rapport au modèle et donne l’occasion d’utiliser les courbes de tendance dans le tableur. Cette représentation graphique est visuellement parlante pour discuter de l’approximation mais aussi l’intérêt que présente un modèle. Le doc.5, conformément au titre du chapitre, cherche à appliquer le modèle linéaire à une croissance de population pour mieux se rendre compte qu’il n’est pas possible de les y appliquer. Ce document permet de faire la transition avec l’unité 2.

Exploiter les documents : Correction 1. Doc.3 : « Une suite arithmétique de raison r est une suite dont chaque terme s’obtient en ajoutant r au terme précédent. » Doc.1 : Raison r = 0,6 ×20 = 12, premier terme u(0) = 13.

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2. Environ 8,5 années seront nécessaires. 3. Un chêne âgé de 20 ans mesurera environ 12 m (voir graphique ci-dessous).

4. Pour que la croissance de la population de lapins puisse être approchée par un modèle linéaire, il faudrait que l’on puisse identifier une valeur constante s’appliquant chaque année à la population et augmentant ses effectifs. Par exemple, si l’on regarde l’évolution de la population entre la première et la deuxième génération, la population passe de 100 lapins à 1 600 lapins. La différence, 1 500 lapins, correspondrait alors à la raison de la suite. Mais parce que le nombre de petits dépend du nombre de femelles qui augmente rapidement, il n’y a pas une valeur constante d’augmentation du nombre de lapins mais un taux d’augmentation qui doit s’appliquer au nombre de femelles présentes. À la troisième génération, si on compte qu’il y a 750 femelles (1 500/2) produisant chacune 30 lapins de la génération suivante, la population compte 22 500 nouveaux lapins, soit une augmentation de 22 500 qu’il faut comparer à l’augmentation de 1 500 lapins entre la première et la deuxième génération. On voit ainsi qu’il n’y a pas de possibilité de dégager une valeur constante pour décrire la croissance de la population de lapins d’une génération à l’autre.

Esprit critique : Pistes d’exploitation L’idée est de faire réfléchir les élèves sur la notion d’échelle dans la représentation graphique et dans la modélisation. Il est vrai qu’avec une grande échelle comme sur le graphe de gauche, on peut approximer l’augmentation du nombre de lapins sur les deux voire trois premières générations par un modèle linéaire. Ce n’est pas faux, mais c’est une approximation. En revanche, quand on zoome sur deux générations comme dans le graphe de droite, on se rend compte que le modèle linéaire n’est plus adapté. Un modèle étant une approximation, il est toujours dépendant de l’échelle à laquelle on considère le phénomène étudié. (On peut faire le lien avec les modèles climatiques notamment (chapitre 3) qui dépendent toujours de l’échelle de temps sur laquelle on étudie le climat : on n’aura pas les mêmes modèles pour les variations climatiques sur les 30 dernières années ou sur le dernier millénaire).

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Unité 2 Choix pédagogiques Cette unité s’intéresse au modèle exponentiel, qui, en première approche permet de décrire la croissance d’une population non freinée. Les docs 1 et 2 traitent un exemple proche du réel, celui d’un papillon pendant une phase de réintroduction. Après avoir fourni les différents paramètres démographiques, le document en propose une traduction mathématique. On peut, pédagogiquement, faire chercher aux élèves cette traduction mathématique sans leur fournir d’autres informations que les données démographiques initiales. On pourra alors s’appuyer sur les différentes étapes de l’estimation du doc.2. Le doc.3 propose une manipulation sur un tableur pour représenter graphiquement la dynamique de la population et répondre à des questions simples (temps de doublement). Le doc.4 rapporte la légende classique de Sissa, qui permet d’introduire de façon spectaculaire et mémorable le lien entre suite géométrique et croissance exponentielle. Le doc.5 donne l’exemple de la dynamique des perruches à collier depuis la fin du XXe siècle. Cet exemple permet de remobiliser la croissance exponentielle déjà vu, caractéristique des espèces invasives, mais de noter également sur le graphique un aplatissement des courbes suggérant l’existence de freins à la croissance des populations. Cela permet d’évoquer sans le détailler le modèle logistique de Verhulst et répondre ainsi à la dernière phrase du programme sur les « modèles plus élaborés ».

Exploiter les documents : Correction 1. L’effectif initial de la population est tel que N(0) = 100. Le doc.2 montre que cette population a chaque année un taux de croissance constant de 1,4. Par conséquent on a N(1) = N(0) × 1,4 = 140. On peut écrire le terme général de la suite géométrique avec comme premier terme N(0) et comme raison 1,4. 2. Sur le doc.3, on constate que le passage de 2 000 (année 9) à 4 000 individus (année 11) prend deux ans. C’est donc le temps de doublement de la population que l’on peut constater également entre les années 11 (4 000) et 13 (8 000). Ce modèle n’intègre aucun frein à la croissance de la population : prédateur, limitation des ressources alimentaires, existence de maladies, etc. 3. Le calcul du 64e terme de la suite, correspondant au nombre de grains de riz sur la 64e case donne : u(64) = u(1) × 2(64-1) = 263 = 9,2 · 1018 grains ce qui représente environ 1 million de fois la production mondiale de 2018. Difficile d’imaginer que le souverain ait pu accéder à sa demande. 4. Sur le graphique du doc.5, on constate que l’allure du nuage de points montre une stabilisation avec un plateau à partir de la fin des années 2000. Or les modèles exponentiels n’incluent pas l’existence d’un tel ralentissement de la croissance de la population. On ne peut donc pas appliquer un modèle exponentiel pur. 5. La stabilisation des populations de perruches à collier européennes sur le graphique du doc.5 peut avoir plusieurs origines, comme une insuffisance de ressources alimentaires empêchant la population de continuer à croître, une insuffisance d’emplacement pour la nidification, une compétition avec des espèces déjà présentes (pour des ressources alimentaires ou des emplacements de nidification par exemple), une régulation par les humains (limitation des populations par destruction des nids par exemple), etc.

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Esprit critique : Correction Élément pouvant être tiré du doc.5 : la dynamique de population d’une espèce invasive peut, après une phase exponentielle, connaître une phase de stabilisation. La croissance exponentielle n’implique pas obligatoirement des effets délétères sur l’environnement d’installation de l’espèce invasive. Ressources Internet pouvant être utilisées : - Ressources documentaires sur la perruche à collier : http://perruche-a-collier.fr/ressourcesdocumentaires - La perruche collier (Psittacula krameri) introduits en Île-de-France : distribution et régime alimentaire ALIMENTAIRE Philippe CLERGEAU(1), Alan VERGNES(1) et Rémy DELANOUE(2), 2009. http://perruchea-collier.fr/images/PDF/Alauda2009-Perruches.pdf - Pârâu, L. G., Strubbe, D., Mori, E., Menchetti, M., Ancillotto, L., Kleunen, A. V., ... & Clergeau, P. (2016). Rose-ringed Parakeet Psittacula krameri populations and numbers in Europe: a complete overview. The Open Ornithology Journal, 9(1). https://benthamopen.com/contents/pdf/TOOENIJ/TOOENIJ-9-1.pdf

Unité 3 Choix pédagogiques L’unité 3 aborde les écrits de Malthus à travers leur approche mathématique sur l’évolution des populations humaines. Elle est aussi l’occasion de montrer l’intrication de ces questions mathématiques et démographiques avec les questions sociales et économiques. Les docs 1 et 2 présentent Robert Thomas Malthus et le contexte social de la révolution industrielle pendant laquelle ses écrits ont eu un fort retentissement. Le doc.3 fournit des extraits du « Principe de population », dans lequel Robert Malthus fournit quelques-unes des bases mathématiques de son raisonnement, mais également les solutions qu’il envisage, non acceptables socialement aujourd’hui, pour résoudre les problèmes consécutifs à une surpopulation. La page de droite montre quelques-unes des nombreuses limites du raisonnement de Malthus. Le doc.4 montre que les fondements mathématiques de son raisonnement ne sont pas confirmés par les données du XXe siècle dans le cas du blé. Les figures ci-dessous montrent des résultats équivalents pour les céréales en général.

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Le doc.5 montre que la croissance arithmétique des ressources (dans un contexte de croissance géométrique de la population) proposée par Malthus a posé problème à plusieurs auteurs dont l’économiste Ester Boserup (1910-1999). Cette dernière, en s’appuyant sur de nombreux exemples de terrains, a montré que la production alimentaire est généralement corrélée aux effectifs de la population et croît en parallèle. L’interview de Bastien Michel, chercheur en économie du développement, dans le doc.6, permet de replacer la lutte contre la pauvreté dans un contexte contemporain tenant compte à la fois des impératifs moraux et des justifications économiques.

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Exploiter les documents : Correction 1.

D’après les hypothèses de Malthus, on constate que la croissance arithmétique des moyens de subsistance ne suit pas la croissance géométrique de la population. 2. Graphiquement il semble que le modèle exponentiel décrive mieux l’évolution des ressources que le modèle arithmétique, ce qui suggère que l’hypothèse de Malthus sur ce point est fausse. 3. Il ne semble pas que les ressources alimentaires aient une croissance linéaire tandis que les populations humaines auraient une croissance géométrique, ce qui inévitablement créerait d’importants décalages. Il est d’ailleurs difficile d’imaginer comment une croissance de la production alimentaire peut être arithmétique, puisque comme le rappelle le doc.5, la production alimentaire est une fonction des effectifs de population. Par ailleurs, dans les propositions de solutions pour freiner préventivement la croissance des populations humaines, Malthus propose de ne pas « aider les pauvres », ce qui est contraire à la fois l’impératif moral de lutte contre la pauvreté mais aussi à l’intérêt économique, puisque le développement économique dépend justement de la réduction de la pauvreté (doc.6).

Esprit critique : Pistes d’exploitation Parmi les éléments du doc.6 qui peuvent être exploités : La pauvreté étant une source d’inefficience dans le fonctionnement des sociétés, parce qu’elles entravent le développement, le processus d’accumulation des connaissances et les activités génératrices de revenus, on peut considérer que la lutte contre la pauvreté est un levier potentiellement important de développement économique. Parmi les éléments que l’on peut trouver sur Internet, on pourra s’appuyer sur les ressources suivantes : - Esther Duflo : « Plus on aide les gens, plus ils sont aptes à sortir de la trappe à pauvreté » Propos recueillis par Laurence Caramel et Antoine Reverchon, Le Monde, le 03 janvier 2020. https://www.lemonde.fr/idees/article/2020/01/03/esther-duflo-il-faut-cesser-de-se-mefier-despauvres_6024720_3232.html

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- Esther Duflo : repenser la lutte contre la pauvreté, 2011. http://ses.ens-lyon.fr/articles/esther-duflorepenser-la-lutte-contre-la-pauvrete-118071 - La pauvreté : une approche socio-économique, Entretien avec Jean-Luc Dubois. Elena Lasida, Kevin Minkieba Lompo, Jean-Luc Dubois. dans Transversalités 2009/3 (N° 111), pages 35 à 47 https://www.cairn.info/revue-transversalites-2009-3-page-35.htm#

Unité 4 Choix pédagogiques L’unité 4 aborde l’évolution démographique humaine contemporaine. Elle apporte de nombreux éléments : les termes mathématiques qui permettent de la décrire, des données précises sur les tendances globales ou à travers des exemples régionaux, le concept de transition démographique qui permet de prévoir des tendances à venir et une réflexion sur l’accroissement et la stabilisation de la population mondiale dans les prochaines décennies. Le doc.1 donne les paramètres démographiques permettant de décrire et de comparer trois pays, la France, le Niger et le Portugal. Le doc.2 montre que la croissance géométrique ne peut permettre de décrire l’évolution d’une population humaine sur le long terme car le taux d’accroissement est variable. Le doc.3 fournit les paramètres démographiques pour les six continents et permet de constater la grande variabilité d’un pays à l’autre. Ces différences peuvent être mises en relation avec le doc.5 pour comprendre que les différentes régions du monde ne sont pas au même stade de la transition démographique. Le doc.4 fournit la courbe classique et spectaculaire de progression de la population humaine mondiale au cours du XXe siècle. Le doc.5 présente la transition démographique, un processus essentiel pour comprendre les accroissements de population rapide au XXe siècle et la diminution du taux de croissance lorsque la transition démographique se termine. Ce document pourra être mis en relation avec le doc.6 et montre l’évolution du taux de croissance démographique mondiale. Ce taux de croissance qui diminue depuis les années 1960 pourrait devenir nul d’ici la fin du siècle conduisant à une stabilisation de la population mondiale. Le doc.7 revient sur la question malthusienne de l’adéquation entre les ressources disponibles et la population humaine à nourrir. Il montre que les différences de consommation alimentaire (et plus généralement de consommation tout court) doivent être prises en compte dans la réflexion sur la disponibilité suffisante des ressources pour accompagner la croissance démographique à venir. L’interview de Gilles Pison, démographe, dans le doc.8 confirme la décélération de la croissance démographique mondiale observée dans le doc.6 (et expliquée par le doc.5). Il fournit quelques exemples de la forte disparité régionale de la fécondité et de subsistance de foyers de croissance importants. Enfin il insiste sur le levier important que représente l’adoption de modes de vie économes pour limiter les conséquences négatives de l’accroissement à venir de la population mondiale.

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Ressources complémentaires Beaucoup de ressources pédagogiques, documentaires et des bases de données sur le site de l’Institut National d’Etudes Démographiques (INED) : https://www.ined.fr/ Les données sur la population mondiale et par pays sont disponibles sur le site de l'ONU consacré à population mondiale : https://population.un.org/wpp/

Exploiter les documents : Correction 1.

2.

Continent

Population en Taux de Taux de Taux de Population 2050 Population 2100 2019 natalité mortalité croissance (milliards) (milliards) (milliards

Afrique

1,341

0,0326

0,0078

0,0248

Amérique latine et 0,654 Caraïbes

0,0159

0,0064

0,0095

Amérique du Nord Asie Europe Océanie

0,36887

0,0118

0,0088

0,003

4,641 0,747636 0,042678

0,0158 0,0101 0,0162

0,007 0,0112 0,0068

0,0088 -0,0011 0,0094

4,56

15,54

1,05

1,68

0,43 7,19 0,71 0,07

0,50 11,15 0,67 0,11

Les calculs obtenus à partir de ces données montrent une augmentation considérable de la population africaine et asiatique qui chacune dépasse la population humaine actuelle. Ces calculs ont été réalisés dans l’hypothèse où le taux de croissance de 2019 se maintiendrait pendant toute la période étudiée (jusqu’en 2100). Cependant, d’après le doc.5, le doc.6 et le doc.8, on constate que le taux de croissance d’une population diminue au fur et à mesure que la transition démographique avance. On peut donc supposer que ces valeurs sont très nettement supérieures aux évolutions envisageables. 3- Proposition de texte

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Les modèles démographiques reposent sur un paramètre démographique essentiel pour décrire la croissance des populations : le taux de croissance. Ces taux de croissance qui sont calculés par la différence entre le taux de natalité et le taux de mortalité sont connus à un instant t. L’évolution d’un taux de croissance dans le futur ne peut être qu’estimé à partir d’un certain nombre de paramètres (évolution de la natalité et évolution de la mortalité en premier lieu). L’expérience du XXe siècle montre que dans le cadre de la transition démographique, les taux de croissance d’une population augmentent d’abord puis diminuent. La rapidité de la transition démographique peut de plus varier d’une région géographique à l’autre. Par ailleurs, on peut imaginer que des excès inattendus de mortalité (guerre, famine, épidémie) ou une absence de réduction des taux natalité (pas de recours à la contraception par exemple) amènent à modifier les prévisions d’évolution des taux de croissance. Ces différentes raisons expliquent que les modèles démographiques proposent des estimations qui peuvent différer des évolutions qui seront réellement constatées.

Esprit critique : Pistes d’exploitation Parmi les éléments disponibles dans cette unité et la précédente, le texte pourra rappeler les points suivants : - l’augmentation de la production alimentaire suit l’augmentation démographique au cours du XXe siècle. - l’augmentation d’un facteur huit de la population mondiale depuis 1800 ne s’est pas accompagnée de rupture d’approvisionnement alimentaire durable d’ampleur mondiale - la consommation moyenne par individu est un facteur à prendre en compte dans la relation entre l’augmentation démographique et la disponibilité des ressources alimentaires et il existe d’importantes marges de manœuvre de réduction de la consommation pour augmenter la disponibilité alimentaire. Sur Internet, parmi les éléments intéressants pour répondre à la question, on peut citer : - l’existence d’importantes réserves de terre en Amérique du Sud et en Afrique subsaharienne ; - la possibilité de réduire la consommation de viande, cette réduction libérerait des terres pour la production végétale (laquelle apporte plus d’énergie alimentaire à surface équivalente) ; - réduction des pertes et gaspillages, 30 % de la production agricole n’arrivant pas à l’estomac du consommateur ; - la possibilité d’augmenter les rendements agricoles dans de nombreuses régions où elle est encore faible, notamment par des pratiques à faible impact environnemental (agroécologie au sens large).

Corrigés des exercices Mémoriser son cours 1. Une suite arithmétique de raison r est une suite dont chaque terme s’obtient en ajoutant r au terme précédent. On peut écrire : u(n+1) = u(n) + r 2. Une suite géométrique de raison q est une suite dont chaque terme s’obtient en multipliant le terme précédent par q. On peut écrire : v(n+1) = q x v(n).

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3. Le modèle linéaire peut être utilisé pour décrire un phénomène dont la variation absolue d’un palier à l’autre est presque constante. 4. Le modèle exponentiel peut être utilisé pour décrire un phénomène dont le taux de variation d’un palier à l’autre est presque constant. 5. Les taux de natalité et de mortalité sont les deux grandeurs qui permettent de calculer le taux de croissance, et donc l’évolution, d’une population : - Le taux de natalité d’une population humaine est le nombre de naissances d’enfants pour 1 000 habitants en un an, exprimé en pour mille (en ‰). - Le taux de mortalité d’une population humaine est le nombre de décès pour 1 000 habitants en un an, exprimé en pour mille (en ‰). => Le taux de croissance d’une population est la différence entre le taux de natalité et le taux de mortalité. 6. Au début du 19e siècle, l’économiste Robert Malthus propose un modèle de croissance géométrique de la population humaine et de croissance arithmétique des ressources alimentaires. 7. La phase de croissance exponentielle actuelle des populations humaines est liée au fait que le taux de natalité baisse moins vite que le taux de mortalité. Mais quand le taux de natalité se stabilise, la transition démographique est terminée et la population ne croît plus de façon exponentielle. La transition démographique est achevée en Europe et en Amérique du Nord. La population humaine mondiale atteindra 10 milliards d’habitants en 2050. Au-delà, ses effectifs dépendront de la valeur du taux de natalité après la transition démographique : stabilité, croissance ou diminution.

Pour s’échauffer 1. QCM 1. a. Faux, u(n + 1) – u(n) est une constante. b. Faux, c’est le cas pour une suite géométrique. c. Vrai. d. Faux, u(n + 1) = u(n – 1) + 2r. 2. a. Vrai. b. Faux, par une droite (ou fonction affine). c. Faux, c’est le cas du modèle exponentiel. d. Faux, les populations ont le plus souvent des croissances de type exponentiel (temporairement et en l’absence de frein). 3.

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a. Faux, c’est le cas d’une suite arithmétique, dans une suite géométrique u(n + 1) – u(n) est proportionnelle à la valeur courante u(n). b. Vrai, c’est le taux de variation. c. Faux, ils sont situés sur une courbe exponentielle. d. Vrai. 4. a. Faux, il considère qu’elles ont une croissance géométrique (doublement de la population tous les 25 ans). b. Vrai. c. Vrai d. Faux, la population mondiale a été multipliée par huit depuis Malthus, et la production alimentaire d’un facteur plus élevé 5. a. Vrai. b. Faux, la différence entre le taux de natalité et le taux de mortalité définit le taux d’accroissement, si ce taux est positif, alors la population augmente. c. Faux, dans ce cas les effectifs tendent vers zéro. d. Faux, dans ce cas les effectifs tendent vers zéro. 6. a. Vrai, on peut modéliser les points de B par une fonction affine. b. Faux, A ne peut pas être décrit par un modèle exponentiel. c. Faux, B est plutôt décrit par un modèle linéaire. d. Vrai, un modèle strictement exponentiel ou linéaire ne permet pas de décrire la courbe A.

2. Qui suis-je ? 1. Une suite arithmétique. 2. Une suite géométrique. 3. Une suite arithmétique. 4. Robert Thomas Malthus.

3. Vrai/Faux 1. Faux, il peut être modélisé par une suite arithmétique. 2. Vrai.

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3. Vrai. 4. Faux, il peut être modélisé par une suite arithmétique de raison 2.

4. Réponse courte 1. Une baisse de la natalité, une augmentation de mortalité. 2. La population mondiale est restée relativement faible pendant plus de 2000 ans, jusqu’à 1800 environ elle était inférieure 1 milliard d’habitants. À partir de 1800, l’accroissement de la population mondiale a été rapide, probablement sous l’effet d’une baisse de la mortalité suivie plus tard d’une baisse de la natalité (transition démographique). Elle a alors été multipliée par huit en 220 ans pour atteindre 8 milliards de personnes autour de 2020. 3. Un modèle exponentiel.

5. Calcul 100 femmes en une génération ont 187 enfants dont (100/205) × 100 soit 48,78% sont des filles, soit 91 filles environ.

6. Calcul 1. Taux de natalité en France 750 000/67 000 000 = 11,2 ‰ 2. Calcul du taux de croissance en France : Tc =11,2 – 9,2 = 2 ‰ ; au Japon Tc = 7,5 – 9,9 = –2,4 ‰ On en déduit que la population japonaise est en décroissance tandis que la population française continue de croître. 3. Le taux de natalité est de 7,5 ‰, ce qui, appliqué à une population de 127 millions d’habitants, donne 952 500 naissances.

7. Trouver la bonne suite 1. Suite arithmétique dans le premier terme vaut 0,75 et la raison 0,3. 2. Taux de croissance = 0,002 et le premier u(2020) = u(2000) × (1 + 0,002)20 = 936 692 habitants.

terme

u(2000)=900 000

donc :

3.

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8. Vrai / Faux 1. Faux, l’Inde également. 2. Faux, il a augmenté dans les années 1960 et dans les années 1980. 3. Vrai. 4. Faux, cela peut être la natalité. 5. Vrai. 6. Faux, le taux de fécondité est inférieur à 2,1. 7. Faux, c’est son taux de fécondité. Elle continue d’augmenter aujourd’hui.

Méthode : Exercices d’application 10. La population des États-Unis 1. TVAM(1900-1910)=(92/76)1/10– 1 = 0,019 TVAM(2000-2020) = (330/282)1/20– 1 = 0,0078 2. La forte croissance annuelle de la population des États-Unis sur la période 1900-1910 s’explique en partie par une forte immigration. Il est également possible qu’à cette période les États-Unis se trouvaient dans une phase de la transition démographique où le taux de croissance était plus important. En revanche, sur la période 2000 – 2020, l’immigration s’est sans doute réduite et le taux de croissance lié à la fin de la transition démographique également.

11. Le rapport Meadows 1. On retrouve, comme dans les écrits de Malthus, le fait que les ressources soient finies et que la croissance démographique puisse mener à leur épuisement. En revanche, les aspects écologiques (pollution par exemple) sont plus développés. 2. On constate que les deux courbes avant 2025 sont assez proches. Cela indique que les prévisions du rapport Meadows étaient assez exactes pour cette période. En revanche, il y a une divergence entre les scénarios de l’ONU et ceux du rapport Meadows après 2025, puisque ce dernier prévoit un pic nettement au-delà de 11 milliards de personnes en 2050, alors que le scénario central de l’ONU prévoit plutôt un amortissement de la courbe. 3. Les scénarios de l’ONU datant de 2019, leurs incertitudes sont plus faibles que le rapport Meadows établi sur des données de 1970. On peut donc considérer que les prévisions de l’ONU seront plus proches de l’évolution réelle de la population mondiale. Cela ne remet pas en cause fondamentalement un certain nombre de limites possibles mises en évidence par le rapport Meadows, comme l’excès de pollution ou l’épuisement de certaines ressources.

Tester ses compétences 12. La contribution des différents continents à la population mondiale 1. On observe une augmentation rapide sur la période de 1950 – 2020 suivis d’une période d’amortissement sur la période 2020 – 2100 2.

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Afrique Asie Europe Amérique latine et caraïbes Amérique du Nord Océanie

1950 9% 55% 22% 7% 7% 1%

2020 17% 60% 10% 8% 5% 1%

2100 39% 43% 6% 6% 5% 1%

3. Si en proportion de la population mondiale, la population d’Océanie, d’Amérique du Nord et d’Amérique latine varie relativement peu, la population d’Europe contribuera trois fois moins en 2100 à la population mondiale comparée à 1950. En revanche, la population d’Afrique qui ne représentait que 9 % de la population mondiale en 1950 en représentera 40 % en 2100. À eux deux, les continents africains et asiatiques représenteront plus de 80 % de la population mondiale en 2100.

13. Les rennes de l’île Saint Mathieu (Alaska) 1. TVAM(1944-1957) = 0,34 ; TVAM(1957-1963) = 0,29 2. Compte tenu de la forte population en 1963, on peut effectivement supposer que la surpopulation a provoqué un effondrement des effectifs faute de nourriture. Si toute l’île est couverte de toundra pouvant nourrir les rennes, on peut théoriquement nourrir 3 750 rennes sur cette île. Donc l’hypothèse de la surpopulation est plausible. L’hiver particulièrement rigoureux de 1963-1964 a pu également empêcher un si grand nombre de rennes de trouver suffisamment de nourriture. En conclusion, il n’est pas possible de trancher entre ces deux hypothèses avec les éléments disponibles. Remarque : Pour information, parmi les cadavres de rennes, les femelles gestantes ont permis de dater assez précisément la mort d’un certain nombre de membres du troupeau qui a eu lieu en quelques jours au cœur de l’hiver. Cette donnée supplémentaire accrédite l’importance de l’hiver comme cause de leur surmortalité. 3. En 1966, il reste 42 rennes vivants, c’est-à-dire plus qu’en 1944, mais seulement un mâle parmi eux. On pourrait imaginer que ces effectifs relativement faibles auraient permis en théorie à la population de se reconstituer en quelques années. Si cela n’a pas été le cas, c’est peut-être que le mâle est mort sans se reproduire.

14. Les éléphants du parc Kruger 1.

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2. Le temps de doublement sur cette période est d’environ 10 ans (on passe de 3 000 à 6 000 individus entre 1950 et 1960). 3. u(1960) = 6 000 u(1970) = 6 000 × 2 Or il y a 4 × 10 ans entre 1960 et 2000 donc on peut écrire u(2000) = 6000 × 24 = 96 000. 4. Le taux de croissance sur cette période est proche de zéro. 5. Le taux de doublement est d’environ 20 ans. On constate une reprise de la croissance assez rapide des populations d’éléphants avec des taux semblables en première approche à la période 1945-1960. Il semble qu’en dehors de l’abattage il n’y ait pas de frein à l’augmentation de cette population (telle que la limitation des ressources alimentaires). La surpopulation peut mener à une destruction des habitats, voire des ressources alimentaires nuisibles pour les autres espèces et pour les éléphants également.

15. Temps de doublement 1. On exprime les valeurs en milliard de personnes. u(1798) = 1 u(1798 + 25) = u(1798) × 2 = 1 × 2 = 2 u(1798 + 25 + 25) = 1 × 2 × 2 = 4 et ainsi de suite. Il y a 8 × 25 ans entre 1798 et 1998, on peut donc écrire u(1998) = u(1798) × 28 = 1 × 256 = 256 milliards. 2. On observe une grande différence entre les prévisions de Malthus et les valeurs réelles : la population mondiale a été multipliée par six et non pas par 256 en 200 ans. Cette différence peut s’expliquer par une mauvaise estimation du temps de doublement de Malthus (le passage de 1 milliard à 2 milliards d’humains a pris 127 ans et non pas 25) mais également par l’existence de freins qui augmentent le temps doublement.

16. Une espèce invasive : la perruche à collier 1. Le modèle exponentiel rend bien compte Concernant les données de Esher, R2 vaut 0,982 pour le modèle exponentiel et 0,9515 pour le modèle linéaire. Le modèle exponentiel rend donc bien compte des données de Esher. En revanche, pour Ramsgate aucun des deux modèles ne semble vraiment adapté (R2 = 0,521 pour le modèle exponentiel et R2 = 0,5127 pour le modèle linéaire). 2. 1

Tvam =

5000(2015−1990) 50

1

−1=

500025 50

− 1 = 0,2.

Le taux de variation annuel moyen entre 1990 et 2015 est de 20 %

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Focus méthode MATHS : Le taux de variation annuel moyen La formule donnée p.276 du manuel est rappelée ci-dessous :

3. Année Effectif calculé Effectif mesuré

2006

2008

2012

= 50 x (1,2)16= 952

= 50 x (1,2)18= 1 377

=50 x (1,2)22= 2877

500

1000

2700

On constate, que l’application d’un taux de croissance de 20 % (correspondant à une croissance exponentielle) donne des valeurs légèrement supérieures aux valeurs observées, mais les valeurs calculées restent dans les mêmes ordres de grandeur que les valeurs observées. Les différences peuvent être dues au fait que la croissance n’est pas parfaitement exponentielle du fait d’une natalité ou d’une mortalité irrégulière. 4. On constate une corrélation négative entre le nombre de cavités occupées par les chauves-souris et le nombre de cavités occupées par les perruches à collier : plus il y a de cavités occupées par les perruches à collier, moins il y a de cavités occupées par les chauves-souris. Une corrélation ne suffit pas pour conclure à un lien de causalité, c’est-à-dire pour conclure à une interaction négative entre les perruches et les chauves-souris. D’autres études seraient nécessaires : observation directe ou indirecte d’agression de chauves-souris par des perruches, études d’autres parcs où les perruches à collier ne sont pas installées par exemple. Remarque : Pour compléter ces informations, des cadavres de chauves-souris avec des traces de bec de perruche ont été retrouvés ce qui accrédite l’hypothèse d’une agression directe.

17. La démographie de la Chine et de l’Inde 1. 1950 : 19,9 ‰ ; 2000 : 7,9 ‰ ; 2100 : – 4,7 ‰. On constate qu’après avoir été très élevés au XXe siècle, les taux de croissance de la population chinoise diminuent puis deviennent négatifs à la fin du XXIe siècle. Cela signifie que la population chinoise va vieillir puis diminuer assez rapidement si ces taux de croissance négatifs se confirment. 2. Robert Malthus considérait que la croissance des populations suivait une croissance géométrique tandis que les ressources alimentaires suivaient une croissance arithmétique. 3. Le doc.2 semble montrer que la production de riz suit globalement la croissance de la population chinoise. 4. Soit q la raison de la suite : q = [v(20)/v(0)]1/20 = 1,02.

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5. v(n) = v(0) × qn donc v(12) = 623 × (1,02)12= 809 millions. 6. Non, car la courbe montre très nettement un infléchissement. Elle ne suit plus un modèle exponentiel (celui que nous utilisions avec la suite géométrique précédente). 7. Cette modification est due à une diminution du taux de croissance, c’est-à-dire soit une diminution de la natalité, soit une augmentation de la mortalité. 8. On peut dire qu’une croissance diminue lorsque le taux de croissance lui-même diminue, ce que l’on observe à partir des années 2000 environ pour l’Inde.

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Chapitre 13 : L’intelligence artificielle Le chapitre 13 s’inscrit dans le troisième thème du programme d’enseignement scientifique : Une histoire du vivant. Cette partie s’intitule « intelligence artificielle » et permet d’investiguer plusieurs notions autour de l’intelligence et de l’algorithmique. Le choix a été fait d’aborder certaines notions sous un œil critique ou avec une approche historique plutôt que d’une manière technique. Cette approche permet des débats argumentés autour de notions en lien avec la vie quotidienne sans pour autant noyer les élèves les moins à l’aise avec les concepts scientifiques ou la programmation. D’autres unités, plus techniques comme l’impose le programme, ont donné lieu à de nombreux exercices afin de bien manipuler les différentes grandeurs et de réinvestir les notions. Même pour ces unités, un angle d’attaque critique de la notion est systématiquement proposé. Des animation, vidéos, documents complémentaires ou exercices interactifs sont proposés pour toutes les unités.

Programme • Chapitre 13. L’intelligence artificielle

Savoirs Jusqu’au début du XXe siècle, les machines traitant l’information sont limitées à une ou quelques tâches prédéterminées (tisser grâce à un ruban ou des cartes perforées, trier un jeu de carte perforées, séparer des cartes selon un critère, sommer des valeurs indiquées sur ces cartes, ...). Turing a été le premier à proposer le concept de machine universelle qui a été matérialisé dix ans plus tard avec les premiers ordinateurs. Ceux-ci sont constitués a minima d’un processeur et d’une mémoire vive. > Unité 1

Un ordinateur peut manipuler des données de natures diverses une fois qu'elles ont été numérisées : textes, images, sons. Les programmes sont également des données : ils peuvent être stockés, transportés, et traités par des ordinateurs. En particulier, un programme écrit dans un langage de programmation de haut niveau (Python, Scratch…) peut être traduit en instructions spécifiques à chaque type de processeur. > Unité 2

Savoir-faire Analyser des documents historiques relatifs au traitement de l’information et à son automatisation. > Unité 1 Recenser les différentes situations de la vie courante où sont utilisés les ordinateurs, identifier lesquels sont programmables et par qui (thermostat d'ambiance, smartphone, box internet, ordinateur de bord d'une voiture…). > Unité 1 Savoir distinguer les fichiers exécutables des autres fichiers sous un système d’exploitation donné. > Unité 2 Connaître l’ordre de grandeur de la taille d’un fichier image, son, vidéo. > Unité 2 Savoir calculer la taille en octets d’une page de texte (en ASCII et non compressé). > Unité 2

Étant donné un programme très simple, proposer des jeux de données d’entrée permettant d’en tester toutes les lignes. Corriger un algorithme ou un programme bogué simple. > Unité 3 Le terme « intelligence artificielle » (IA) recouvre un ensemble de Analyser des documents relatifs à une theories et de techniques qui traite de problèmes dont la résolution fait application de l’intelligence appel à l’intelligence humaine. > Unité 4 artificielle. > Unité 5 Un programme peut comporter jusqu’à plusieurs centaines de millions de lignes de code, ce qui rend très probable la présence d’erreurs appelées bogues (ou bugs). Ces erreurs peuvent conduire un programme à avoir un comportement inattendu et entraîner des conséquences graves. > Unité 3

L’apprentissage machine (ou « apprentissage automatique ») utilise des Utiliser une courbe de tendance

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programmes capables de s’entraîner à partir de données. Il exploite des méthodes mathématiques qui, à partir du repérage de tendances (corrélations, similarités) sur de très grandes quantités de données (big data), permet de faire des prédictions ou de prendre des décisions sur d’autres données. > Unité 4

(encore appelée courbe de régression) pour estimer une valeur inconnue à partir de données d’entraînement. > Unité 4

Analyser un exemple d’utilisation de La qualité et la représentativité des données d’entraînement sont l’intelligence artificielle : identifier la essentielles pour la qualité des résultats. Les biais dans les données source des données utilisées et les corrélations exploitées. > Unités 4 et 5 peuvent se retrouver amplifiés dans les résultats. > Unité 6 Sur des exemples réels, reconnaître les possibles biais dans les données, les limites de la représentativité. > Unité 6

L’inférence bayésienne est une méthode de calcul de probabilités de causes à partir des probabilités de leurs effets. Elle est utilisée en apprentissage automatique pour modéliser des relations au sein de systèmes complexes, notamment en vue de prononcer un diagnostic (médical, industriel, detection de spam…). Cela permet de détecter une anomalie à partir d’un test imparfait. > Unité 7

Expliquer pourquoi certains usages de l'IA peuvent poser des problèmes éthiques. > Unités 5 et 6 À partir de données, par exemple issues d’un diagnostic médical fondé sur un test, produire un tableau de contingence afin de calculer des fréquences de faux positifs, faux négatifs, vrais positifs, vrais négatifs. En déduire le nombre de personnes malades suivant leur résultat au test. > Unité 7

Prérequis et limites Les probabilités étant assimilées à des fréquences, il est possible de raisonner sur des tableaux à double entrée sans faire appel explicitement à la théorie des probabilités conditionnelles ni à la formule de Bayes.

Pour bien commencer 1. La numérisation entraîne une perte d’information par rapport au signal analogique. Pour augmenter la qualité de la numérisation et reproduire un son analogique le plus fidèlement possible, il faut augmenter la fréquence d’échantillonnage, c’est-à-dire le nombre de valeurs du signal analogique enregistrées par seconde (ES 1re). 2. La compression peut avoir lieu avec ou sans pertes. La compression sans pertes, par exemple dans les formats ZIP, consiste à écrire les mêmes données mais de façon plus concise. On supprime le maximum de répétitions présentes dans le fichier original. La compression avec pertes supprime des informations. Il est alors impossible de revenir au fichier original. C’est le cas de sons compressés en MP3 ou d’images compressées en JPEG. 3. L’intelligence artificielle est très présente à l’heure actuelle et vous en avez sans doute déjà utilisé même sans le savoir. Par exemple, lorsque vous utilisez une boite mail, le détecteur de spam utilise des algorithmes à base d’IA, lorsque vous utilisez l’appareil photo d’un smartphone, les réglages sont choisis par un algorithme à base d’IA, lorsque vous naviguez sur internet, les publicités qui apparaissent sont choisies par un algorithme à base d’IA, enfin lorsque vous utilisez un dispositif avec de la reconnaissance vocale type Siri ou google home, vous utilisez des algorithmes à base d’IA.

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Unité 1 Choix pédagogiques L’unité 1 balaye sous un angle historique les grandes avancées qui ont conduit au développement de l’informatique. L’apparition des cartes perforées pour stocker de l’information (doc.1), les calculateurs mécaniques et électroniques (docs 2 et 3), la notion de « Machine de Turing » (doc.4) et l’architecture machine de Von Neumann (doc.5) sont abordés. Enfin le doc.6 permet de visualiser la place de l’informatique et notamment de l’informatique embarquée dans notre vie quotidienne tout en pointant les évolutions sur le type de données traitées par les machines modernes depuis l’avènement du multimédia. Remarque : le rôle d’Ada Lovelace dans la publication du premier programme informatique peut être utilisé pour traiter du rôle des femmes dans le développement de l’informatique et, de façon plus générale, dans les sciences. Ce point est en effet mentionné explicitement dans le programme d’ES. Voir aussi l’unité « Femmes et Sciences » p.142-143 (chapitre 6, Unité 6).

Exploiter les documents : Correction 1. Eléments à placer sur la frise : 1801 – Métier à tisser Jacquard : Automatisation du tissage et stockage de l’information sur des cartes perforées. 1834 – Machine de Babbage : Calculateur mécanique programmable à l’aide de cartes perforées. 1842 – Premier programme : Ada Lovelace propose le premier programme informatique. Celui-ci est conçu pour s’exécuter sur la machine de Babbage. 1936 – Machine de Turing : Alan Turing pose le concept de l’ordinateur. 1945 – Architecture de Von Neumann : Von Neumann propose une architecture matérielle pour la réalisation d’ordinateurs encore utilisée aujourd’hui. 1950 – Intelligence Artificielle : Alan Turing pose les bases de l’intelligence artificielle. Remarque : Une recherche sur internet permet de rajouter 1967 : Naissance de l’informatique embarquée avec le calculateur de bord utilisé lors des missions Apollo ou encore 2007 : Naissance des smartphones : ordinateur multimédia de poche ou encore 1969 : Réseau ARPANET d’origine militaire, il est remplacé par Internet en 1990. 2. Ada Lovelace développe le concept d’algorithme, Alan Turing celui d’ordinateur et Von Neumann l’architecture machine efficace permettant de le réaliser. 3. Au départ, un seul type d’information : le métier Jacquard n’utilise que des plans de tissage, l’Eniac que des données permettant de calculer des tables de tir… Ensuite, les machines sont devenues multimédia, c’est-à-dire capables de traiter un grand nombre d’informations de type différent. On voit de plus dans le doc. 3 que la rapidité augmente au cours du temps, rendant possible des calculs impossibles au départ car trop longs à réaliser. 4. Tablette, ordinateur de bord de voiture, et même four à micro-onde, réfrigérateur, montre connectée, box internet, caméra de vidéosurveillance, drone, etc. Tout ce matériel a dû être

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programmé par le concepteur sinon, il ne sait rien faire. L’utilisateur peut en programmer certains plus ou moins facilement comme la tablette, la montre connectée ou le drone par exemple.

Esprit critique : Pistes d’exploitation Ce questionnement permet de faire le lien avec un des objectifs généraux mentionnés dans le programme : « Ce sera aussi l’occasion de montrer que l’histoire du savoir scientifique est une aventure humaine. Cela permettra d’interroger la dimension sociale et culturelle de la construction du savoir scientifique, en particulier la place des femmes dans l’histoire des sciences. Des controverses, parfois dramatiques, agitent la communauté scientifique. Ainsi, peu à peu, le savoir progresse et se précise. » Une recherche internet avec les mots-clefs « femme » et « informatique » peut facilement permettre aux élèves de donner d’autres noms de femmes qui, comme Ada Lovelace, ont eu un rôle clé dans le développement de l’informatique. Pour n’en citer que quelques unes : -

Hedy Lamarr : pour son travail sur un système de radio communication, qui sera plus tard utilisé pour donner naissance aux technologies Bluetooth et Wifi. Jean Bartik et les « ENIAC girls » qui travaillent au développement de la machine ENIAC (doc.3) Joan Clarke, qui travaille aux côtés d’Alan Turing pour décrypter le code Enigma Margaret Hamilton, à la tête de l’équipe qui conçoit le logiciel de la mission Apollo etc.

Unité 2 Choix pédagogiques L’unité 2 a principalement deux objectifs, avoir une idée de l’espace mémoire occupé par des fichiers de différents types (texte, son, image et vidéo) et faire la distinction entre une donnée et un programme. Pour le premier objectif, des ordres de grandeur des tailles de fichiers image, son et vidéo sont donnés (doc.1) ainsi qu’une méthode pour déterminer la taille d’un fichier texte encodé à partir de tables (tables ASCII et norme ISO-8859-15 ; docs 2 et 3). Pour le deuxième objectif, une petite manipulation est proposée utilisant uniquement le BlocNote de Windows, système d’exploitation le plus répandu dans les établissements. Cette manipulation permet de construire un fichier de données (texte ; doc.4) et un exécutable (fichier .bat ; doc.8) afin de visualiser facilement les différences de comportement explicitées dans les docs 5 et 6. Un travail sur les extensions de fichier est là pour compléter et aider à repérer facilement les exécutables pour différents systèmes d’exploitation. Un document supplémentaire a été ajouté pour expliquer ce qu’est l’assembleur et sa dépendance au processeur de la machine (doc.7).

Exploiter les documents : Correction 1. Le fichier fait 10 octets soit 1 octet par lettre. Cette taille ne change pas pour les caractères courants, majuscules ou minuscules, les chiffres et les caractères de ponctuation les plus courants. 2. L’extension n’est pas la même. Le fichier donnees.txt n’est qu’un fichier de données, c’est un texte. Le fichier executable.bat est aussi une donnée mais pour un interpréteur intégré au système

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d’exploitation qui permet de le traduire en langage machine et de l’exécuter. Il contient donc des instructions et fait faire quelque chose à la machine. 3. Avec la table ASCII, 1 caractère est codé sur 1 octet. Pour stocker 2 500 signes, il faut donc 2 500 octets. 5. Le film prendra toujours plus de place qu’une photo par page. Filmer les pages n’est donc pas adapté. Une photo prendra plus de place en mémoire qu’un fichier texte. Ainsi, pour limiter l’espace de stockage nécessaire, il faut privilégier le format texte. Cependant, si le livre comporte des schémas et des illustrations, le format texte ne pourra pas les coder et c’est donc le format image qui permettra de les stocker avec un espace en mémoire minimal.

Esprit critique : Pistes d’exploitation L’idée est de faire réfléchir les élèves sur le problème actuel du stockage des données. Les données stockées dans les cloud sont stockées dans des datacenters, privés ou publics, que l’on trouve partout dans le monde. Le nombre de données à stocker ayant explosé ces dernières années, le nombre de datacenters a lui aussi fortement augmenté, ce qui n’est pas neutre d’un point de vue écologique car stocker des données utilise de l’énergie. Aux Etats-Unis, on estime 73 milliards de kWh utilisé pour les datacenters en 2020. (https://www.lebigdata.fr/data-centers-environnement).

Unité 3 Choix pédagogiques L’unité 3 s’attache à présenter la notion de bug et son caractère incontournable vu la taille et la complexité des programmes que nous utilisons aujourd’hui (docs 1 à 3). Une recherche est proposée afin que les élèves se rendent compte de l’impact économique et humain que peuvent avoir ces bugs. Cet impact peut aller bien plus loin que les petits désagréments que nous connaissons au quotidien. Une deuxième partie plus technique est là pour trouver des bugs dans des fonctions simples écrites en python et proposer des jeux de données afin de tester toutes les lignes d’un programme (docs 4 à 6). Cette étude est complétée par une animation en ligne permettant aux élèves de modifier les fonctions, de proposer des données d’entrée et d’afficher le résultat pour chacun des tests effectués en autonomie (lien numérique du doc.4).

Exploiter les documents : Correction 1. Les logiciels de Toyota ou de tout autre constructeur automobile sont aujourd’hui trop complexes et trop longs pour certifier qu’ils ne contiennent aucun bug. 2. Les autres constructeurs ne sont pas à l’abri de bugs de ce type. Avec un véhicule autonome, un bug peut avoir un impact très important, bien plus grave que des conséquences strictement économiques. En effet, des vies humaines (passagers du véhicule et piétons extérieurs au véhicule) sont soumises au bon fonctionnement des programmes du véhicule. 3. On peut essayer val_frac( 1, 2 ) qui permet de tester un comportement classique, val_frac ( 0, 2 ) pour tester le cas particulier du numérateur nul ou val_frac( 1, 0) qui permet de tester un cas particulier qui pourrait être problématique (dénominateur nul).

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De même, on peut essayer sqrt( 4 ) qui permet de tester un comportement classique, sqrt( 0 ) pour un cas limite et sqrt( -1 ) pour un cas particulier qui pourrait être problématique. 4. Les cas qui pourraient poser problème sont val_frac( 1, 0 ) car rien n’est fait dans la fonction pour prendre en compte ce cas que l’on ne peut pas calculer. Si l’on donne pour a ou pour b le mauvais type de donnée, cela conduira aussi à un bug car la fonction n’est pas écrite pour ça. De même pour sqrt( -1 ) il risque d’y avoir un problème car la fonction racine carrée n’est définie que sur les nombres réels positifs ou nuls (ici python renvoie en réalité une valeur correspondant à un nombre complexe). Si on utilise sqrt avec un mauvais type de donnée comme une chaîne de caractères par exemple, cela risque aussi de poser problème.

Esprit critique : Pistes d’exploitation - En 1996, le bug informatique dans le programme de navigation de la fusée Ariane 5 entraîne l’explosion de la fusée en vol, environ 35 secondes après son décollage. Ce bug est dû à un mauvais copier-coller de valeurs utilisées pour la fusée Ariane 4, mais erronées pour Ariane 5 (dont les moteurs étaient bien plus puissants). Le vol étant inhabité, il n’y a pas de victimes. Le bug aura coûté plus de 500 millions de dollars. Ce bug est connu comme « le plus cher de l’histoire des bugs informatiques ». Source : https://www.supinfo.com/articles/single/235-erreur-informatique-plus-couteuse-histoire - Entre 2009 et 2011, la Lexus ES350 a été impliquée dans de nombreux accidents, dont des sorties de route à grande vitesse. Toyota accuse initialement les conducteurs, qui, selon le constructeur, auraient confondu les pédales de frein et d'accélération. Un recours collectif en justice, notamment aux ÉtatsUnis, met cependant en lumière des problèmes importants dans le fonctionnement de l'ordinateur de bord. Celui-ci pouvait enclencher l'accélération jusqu'à 150 km/h et désactiver la pédale de frein. Ce bug a fait entre 200 et 400 morts aux États-Unis. C'est le bug informatique le plus grave de l'histoire. Sources : https://www.lemonde.fr/ameriques/article/2010/03/04/etats-unis-une-plainte-deposeecontre-toyota-apres-un-accident-mortel_1314153_3222.html https://www.liberation.fr/futurs/2010/02/04/toyota-pris-en-flagrant-delit-d-arrogance_608005

Unité 4 Choix pédagogiques L’unité 4 présente ce qu’est l’intelligence artificielle et plus particulièrement l’apprentissage machine, comme définis dans le doc.1. Deux exemples sont exploités, un sur la reconnaissance d’image et leur classement en catégories (page de gauche) et l’autre sur l’exploitation de données afin d’obtenir un modèle mathématique et la prévision d’une donnée chiffrée (page de droite). Le premier objectif est de présenter une démarche commune pour ces deux applications. On travaille d’abord avec des données d’entraînement afin d’obtenir un modèle, ce modèle est alors testé avec des données de test, puis, si le modèle est validé, il est utilisé avec de nouvelles données (doc.2). Le deuxième objectif est l’utilisation d’une courbe de régression pour obtenir une valeur chiffrée (doc.3). Cette approche est proposée avec des modèles linéaires par lecture graphique puis en utilisant l’équation du modèle et un calcul. Une réflexion qualitative sur la précision de la technique et sur les améliorations possibles du modèle est proposée. Un protocole est également fourni afin de reproduire les expériences un peu plus ludiques de reconnaissance de piéton, d’animal et de véhicule en utilisant une webcam et une IA en ligne (doc.2) ce qui peut aider à accrocher les élèves dans une unité qui est sinon un peu plus calculatoire.

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Exploiter les documents : Correction 1. a- On utilise des données d’apprentissage dans les deux cas. b- On entraîne l’IA avec ces données pour obtenir un modèle c- On teste le modèle avec des données de test d- Si la réponse du modèle est convenable, on l’utilise ensuite sur des données nouvelles sinon on ajoute des données et on retourne au point b, pour obtenir un nouveau modèle. 2. Classer des photos ou prévoir le prix d’un logement sont des actions difficiles nécessitant de l’intelligence, le travail effectué sur ces données fait donc appel à l’IA. 3. On exploite dans le doc.3 les corrélations entre le nombre de pièces moyen et le prix du logement (vignettes 2,3 et 4 du doc.3), plus celle entre le prix du logement et l’âge moyen des logements du quartier (vignette 5). 4. Le modèle de la vignette 5 du doc.3. pourrait encore être amélioré en prenant en compte encore plus de corrélations et aboutir à un modèle plus fin ou en utilisant un modèle mathématique plus adapté aux données que la droite. 5. Par lecture graphique on obtient environ un prix de 25 milliers de dollars. En utilisant le modèle on obtient : Prix = 8,89 × 6,75 – 33,2 = 26,81 milliers de dollars. La méthode la plus précise est d’utiliser l’équation du modèle plutôt qu’une lecture graphique de ce modèle mais le résultat peut tout de même être assez éloigné de la valeur réelle si le modèle n’est pas bien adapté.

Esprit critique : Pistes d’exploitation 1. Des informations sur le jeu de données sont données ci-dessous. On peut les obtenir grâce à une commande python ou directement à l’adresse où elles sont stockées: https://archive.ics.uci.edu/ml/machine-learning-databases/housing/housing.names

Boston house prices dataset --------------------------**Data Set Characteristics:** :Number of Instances: 506 :Number of Attributes: 13 numeric/categorical predictive. Median Value (attribute 14) is usually the target. :Attribute Information (in order): - CRIM per capita crime rate by town - ZN proportion of residential land zoned for lots over 25,000 sq.ft. - INDUS proportion of non-retail business acres per town - CHAS Charles River dummy variable (= 1 if tract bounds river; 0 otherwise) - NOX nitric oxides concentration (parts per 10 million)

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- RM average number of rooms per dwelling - AGE proportion of owner-occupied units built prior to 1940 - DIS weighted distances to five Boston employment centres - RAD index of accessibility to radial highways - TAX full-value property-tax rate per $10,000 - PTRATIO pupil-teacher ratio by town -B 1000(Bk - 0.63)^2 where Bk is the proportion of blacks by town - LSTAT % lower status of the population - MEDV Median value of owner-occupied homes in $1000's :Missing Attribute Values: None :Creator: Harrison, D. and Rubinfeld, D.L. This is a copy of UCI ML housing dataset. https://archive.ics.uci.edu/ml/machine-learning-databases/housing/ This dataset was taken from the StatLib library which is maintained at Carnegie Mellon University. 2. Cette deuxième question permet de faire réfléchir les élèves sur la provenance des données, sur l’utilisation de données personnelles par l’IA et peut être une introduction à la notion de big data. Pour que l’apprentissage machine soit efficace, il faut une très grande quantité de données qui sont récupérées chaque seconde lorsque nous sommes en ligne. Se pose alors le problème éthique de l’utilisation des données personnelles, traité dans l’unité 6 p.294.

Unité 5 « Esprit critique » Choix pédagogiques Les unités 5 et 6 proposent une étude de documents sous un éclairage juridique, économique et éthique. L’unité 5 présente différents documents autour de l’arrivée des véhicules autonomes sur nos routes. Ces documents sont complétés par des enrichissements en ligne sous forme de vidéos, d’un dossier de presse et d’un rapport au ministère chargé des transports. Les docs 1 et 2 présentent les développements technologiques de la voiture autonome, avec l’exemple en vidéo de la conduite d’une voiture sans chauffeur testé par Tesla. Les docs 3 à 5 permettent, comme demandé par le programme, de faire un lien avec le programme de philosophie de terminale en parlant des problèmes éthiques soulevés par la voiture autonome. Le « dilemme éthique » de la voiture autonome est en effet une mise à jour du problème philosophique du « trolley » : qui sauver en priorité en cas d’accident inévitable ? De plus, qui est responsable en cas d’accident ? Ces problèmes n’appellent bien sûr pas de réponse simple et les docs 3 et 4 peuvent nourrir la réflexion des élèves sur ces questions. Nous avons de plus la chance d’avoir l’éclairage en vidéo de Jean-François Bonnefon, premier auteur de l’étude parue dans Science en 2016 sur le dilemme social de la voiture autonome (doc.4). Cette interview est complétée par une autre vidéo (Ted Talk d’un autre auteur de l’étude). Enfin un rapport gouvernemental sur les enjeux sociétaux et économiques de la voiture autonome est présenté dans le doc.5.

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Unité 6 « Esprit critique » Choix pédagogiques Les unités 5 et 6 proposent une étude de documents sous un éclairage juridique, économique et éthique. Dans l’unité 6, la problématique est celle de l’utilisation des données personnelles et des biais de l’apprentissage machine. Les docs 1 à 3 répondent aux interrogations suivantes : Qu’est-ce que les données personnelles ? Pourquoi sont-elles récupérées ? À quoi servent-elles ? Comment mes données sont-elles protégées ? Quels sont mes droits ? Ces questions sont d’autant plus importantes pour les élèves dans le contexte de l’utilisation massive des réseaux sociaux et de l’enjeu de la responsabilisation par rapport aux données informatiques (partage de photos, d’informations, etc.. Un approfondissement sur les biais qui peuvent apparaître dans des algorithmes à base d’IA qui utilisent ce genre de données est proposé en page de droite, dans les docs 4 et 5. Ces documents permettent de souligner l’importance de la quantité et de la qualité des données d’entrée pour la qualité des données en sortie lors de l’apprentissage machine. L’interview du doc.6 souligne l’importance de garantir une absence de biais dans les algorithmes d’IA utilisés aujourd’hui.

Unité 7 Choix pédagogiques L’unité 7 présente l’inférence bayésienne, très utile lorsque l’on met au point des tests médicaux ou que l’on utilise des IA pour de l’aide à la décision. Le choix a été fait de présenter les choses de manière la plus graphique possible sans faire mention explicite de la formule de Bayes (comme demandé par le programme). Les représentations graphiques nous paraissent en effet une aide pédagogique précieuse pour faire passer ces notions du programme qui peuvent paraître assez difficiles. Plusieurs questionnements de difficulté différente sont également proposés pour aider à comprendre ces notions. Les docs 1 et 2 permettent de définir l’inférence bayésienne et son utilisation. Les docs 3 et 4 utilisent l’exemple de la détection de spams pour présenter le tableau de contingence, son utilisation et la notion de vrais et faux positifs et de vrais et faux négatifs. Enfin, les docs 5 à 7 de la page de droite appliquent l’inférence bayésienne au cas des diagnostics médicaux et permettent d’introduire les concepts de sensibilité et de spécificité d’un test. Remarque : Nous avons choisi une représentation graphique sous forme d’aires colorées pour aider les élèves à se représenter le tableau de contingence. D’autres représentations graphiques comme les arbres de probabilités peuvent aussi être utilisées. Voir par exemple la ressource Eduscol : https://cache.media.eduscol.education.fr/file/les_mathematiques_de_l_ES/22/4/RA20_Lycee_G_T_ ES_Sous-theme_3-5_inference-bayesienne_1238224.pdf Il y a d’ailleurs, proposée dans le document Eduscol cité, une application GeoGebra « Probabilités conditionnelles : une visualisation » qui permet de représenter des probabilités sous forme d’aire (comme nous l’avons choisi), mais également sous forme d’arbre, afin de comprendre la correspondance. Fichier disponible ici : http://media.eduscol.education.fr/other/les_mathematiques_de_l_ES/15/4/RA19_T_ESmaths_3.5.p robabilites_conditionnelles_visualisation_1227154.ggb

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Ces ressources complémentaires peuvent permettre d’enrichir les registres de représentations et ainsi constituer une aide pour les élèves.

Exploiter les documents : Correction 1. On classe à la main des mails en spam et non spam, afin de mesurer la probabilité de présence de certains mots clés sachant que le mail est un spam ou pas. On utilise ensuite ces résultats en détectant les mots clés et en déduisant la probabilité que le mail soit un spam. On mesure donc p(« hypothèse ») sachant « observation » avec ici hypothèse = présence de mots clés et « observation » = le mail est un spam puis on l’utilise en déterminant p(« observation ») c’est à dire la probabilité que le mail soit un spam sachant « hypothèse » c’est à dire sachant que les mots clés sont présents. Autrement dit : Il s’agit donc d’une méthode bayésienne car on estime la probabilité qu’un courriel soit un spam sachant les mots qui s’y trouvent grâce à la probabilité que les mots donnés soient dans un spam. C’est l’essence du théorème de Bayes : calculer la probabilité d’une hypothèse (c’est un spam) étant donné des observations (les mots) à l’aide à la probabilité d’observations (les mots) connaissant une hypothèse (c’est un spam).

2. Si on fixe la probabilité seuil trop haut, de nombreux messages qui sont des spams ne seront pas détectés. On parle de faux négatifs car le programme ne les détecte pas (négatifs), alors qu’il devrait (faux). Si on fixe la probabilité de seuil trop basse, alors de nombreux messages qui ne sont pas des spams seront classés comme tels. On parle de faux positifs car le programme les détecte (positifs), mais n’aurait pas dû (faux). Il y a évidemment un compromis à trouver. Remarque : Pour information, on https://fr.wikipedia.org/wiki/Courbe_ROC

utilise

pour

cela

les

courbes

ROC :

3. Remarque : Conformément au programme et aux ressources Eduscol sur ce thème, on définit ici les faux positifs comme les faux parmi les positifs (idem pour les faux négatifs) => Donc p(FP) est assimilé à p(FP sachant P). p(FP) = 60 / (60 + 932) = 6,0 % p(FN) = 419 / (419 + 2915) = 12,6 % Se = 932 / (932 + 419) = 69,0 % Sp = 2915 / (2915 + 60) = 98,0 % 4. Le théorème de Bayes permet d’exprimer une probabilité conditionnelle en fonction d’une autre. Ici, on calcule la probabilité d’être malade sachant que le test est positif en connaissant les données mesurées lors de la mise au point du test c’est à dire la probabilité d’avoir un test positif sachant que la personne est malade.

5. VPN = aire du rectangle bleu / (aire du rectangle bleu + aire du rectangle rouge), soit : 𝑉𝑃𝑁 =

𝑆𝑝 × (1 − 𝑃𝑟) 𝑆𝑝 × (1 − 𝑃𝑟) + (1 − 𝑆𝑒) × 𝑃𝑟

6. On a Se = 0,50 ; Sp = 0,90 et Pr = 0,09

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D’où VPP = (0,09 x 0,50) / (0,09 x 0,50 + (1 – 0,90) x (1 – 0,09)) = 33 % On a ainsi une chance sur trois d’être malade lorsque le test est positif.

Esprit critique : Pistes d’exploitation Note : On peut chercher sur le site de l’INSEE les statistiques https://www.insee.fr/fr/statistiques/1892088?sommaire=1912926.

de

population :

Il y a environ 4 millions d’hommes concernés. Si on suppose que 360 000 ont un cancer de la prostate (prévalence de 10 %), et qu’on les teste tous, avec une sensibilité de 50 % on en détectera correctement 180 000. Sur les 3,64 millions d’hommes sans cancer, avec une spécificité de 90 % on va trouver 10 % de faux positifs, soit 364 000 personnes mal diagnostiquées. Sur les 180 000 + 364 000 = 544 000 hommes testés positifs, seuls 33 % = 180 000 / 544 000 sont bien diagnostiqués. Ce résultat explique les avis divergents entre la Haute autorité de santé et l’Association française d’urologie. Dans tous les cas, un seul test médical n’est pas suffisant. Les médecins réalisent un ensemble de tests. En croisant les résultats de tous ces tests, on a une idée plus précise de la présence ou de l’absence d’une maladie chez un patient, ce qui affine le disgnostic.

Ressources et questionnements complémentaires de l’unité 7 Questionnement historique Qui a dessiné le portrait de Thomas Bayes ? Chercher sur internet la source de la reproduction faite dans le document 1. Réponse : il suffit d’aller sur Wikipédia France, ou mieux Wikipédia en anglais, de cliquer sur le portrait pour constater qu’il y a une controverse à son sujet. Ce portrait est apparu pour la première fois dans un livre de 1936, et sans indication de son origine. Plusieurs arguments fondés sur l’analyse des coiffures et les costume de l’époque, semblent indiquer qu’il s’agit d’un portrait apocryphe. Voir par exemple la référence suivante, indiquée sur Wikipédia : D. R. Bellhouse, “The Reverend Thomas Bayes, FRS: A Biography to Celebrate the Tercentenary of His Birth”, Statistical Science Vol. 19, No. 1 (Feb., 2004), pp. 3-32. https://projecteuclid.org/euclid.ss/1089808271 Questionnement de société Si le consensus scientifique et institutionnel pour le diagnostic du cancer de la prostate par le dosage de la PSA semble relativement établi, qu’en est-il de celui du dépistage du cancer du sein par mammographie ? Rechercher sur internet les recommandations nationales à ce sujet, et voir s’il existe une controverse à ce sujet. •

Recommandation officielle : faire le dépistage : o

Assurance maladie : https://www.ameli.fr/assure/sante/themes/cancersein/depistage-gratuit-50-74-ans

o

Institut National du cancer : https://www.e-cancer.fr/Comprendre-prevenirdepister/Se-faire-depister/Depistage-du-cancer-du-sein/Avantages-etinconvenients

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o

•

Haute Autorité de Santé : reconnaît la controverse https://www.hassante.fr/upload/docs/application/pdf/201202/questions_reponses_depistage_sein.pdf

Dans les médias : o

Le Monde : https://www.lemonde.fr/les-decodeurs/article/2018/10/01/octobre-rose-ledepistage-systematique-du-cancer-du-sein-est-ilnecessaire_5362958_4355770.html

o

France Inter : https://www.franceinter.fr/emissions/sante-polemique/santepolemique-14-decembre-2017

Autres ressources sur les méthodes d’inférence bayésiennes o

•

•

Cours de Stanislas Dehaene au collège de France : https://www.college-defrance.fr/site/stanislas-dehaene/course-2012-01-10-09h30.htm Sur les tests diagnostiques en général : o https://www.healthnewsreview.org/toolkit/tips-for-understandingstudies/understanding-medical-tests-sensitivity-specificity-and-positivepredictive-value/ Sur le dépistage du cancer de la prostate : o Documents de l’Institut National du Cancer (INCa) : o https://www.e-cancer.fr/Expertises-et-publications/Catalogue-despublications/La-premiere-prescription-du-PSA-chez-l-hommeasymptomatique o https://www.e-cancer.fr/Expertises-et-publications/Catalogue-despublications/Synthese-sur-les-benefices-et-les-risques-d-un-depistagedu-cancer-de-la-prostate-par-dosage-du-PSA o Documents de la Haute Autorité de Santé (HAS) : o Article de journal : o https://theconversation.com/prostate-attention-a-lexamen-de-trop68756 o Article de blog d’une association : o https://cancer-rose.fr/category/informations/surdiagnostic/ o Article scientifique : o https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3392481/

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Corrigés des exercices Mémoriser son cours 1. De très nombreux scientifiques, hommes et femmes, ont contribué au développement des ordinateurs. Pour n’en citer que trois, on peut penser à Ada Lovelace qui a écrit le premier programme informatique fonctionnant sur le calculateur conçu par Charles Babbage. Enfin Alan Turing est considéré comme le père des ordinateurs actuels en ayant introduit le concept de machine universelle.

2. En 1945, le mathématicien Von Neumann pose le principe d’une architecture novatrice des calculateurs. Dans cette architecture, les deux constituants essentiels d’un ordinateur sont le processeur, qui contient les unités de commande et les unités de traitement, et la mémoire vive, qui contient les programmes et les données.

© Aurore Mathon

3. Tout fichier informatique est stocké sous forme binaire, c’est-à-dire sous la forme d’une suite de 0 et de 1. Pour un fichier texte, il faut donc utiliser une table de correspondance entre chaque caractère et un code binaire. Si on considère une page de texte ne contenant que des caractères de la tale ASCII, on sait qu’un caractère est codé sur un octet. Cela permet de calculer la taille totale du fichier texte en fonction du nombre de caractères qu’il contient.

4. - Ordre de grandeur de la taille d’un fichier audio : quelques Mo pour un morceau de musique de quelques minutes. - Ordre de grandeur de la taille d’un fichier image : quelques centaines de Ko à plusieurs Mo. - Ordre de grandeur de la taille d’un fichier vidéo : la taille monte très vite en fonction de la durée. De quelques dizaines de Mo jusqu'à plusieurs Go.

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5. Un bug (ou bogue) est une erreur dans un programme entraînant un comportement inattendu lors de l’utilisation du programme. Les bugs peuvent conduire un programme à avoir un comportement inattendu. Les conséquences d’un bug sont très variables en fonction du bug et du programme affecté. Cela peut aller du petit désagrément (ex : mon jeu vidéo s’est arrêté de fonctionner) aux accidents humains graves (ex : bug d’un programme informatique impliqué dans le fonctionnement de voitures dont la conduite est assistée par ordinateur).

6. L’apprentissage machine (ou automatique) est une branche de l’IA qui utilise une grande quantité de données (big data) pour entraîner un programme à repérer des corrélations ou des similitudes. Le programme, une fois entraîné correctement, est capable de prédire ou de décider à partir de données nouvelles.

7. L’IA soulève de nombreuses questions éthiques. L’apprentissage machine utilise une grande quantité de données personnelles pour lesquelles un consentement explicite doit être obtenu. Par ailleurs, la qualité des données d’entraînement est essentielle puisque des biais en entrée peuvent se retrouver amplifiés en sortie. Le développement des voitures autonomes soulève d’autres questions éthiques, comme la responsabilité engagée lors d’un accident.

8. L’inférence bayésienne est très utilisée en apprentissage automatique, notamment en vue de prononcer un diagnostic médical. Lorsqu’on applique une procédure de décision, nécessairement imparfaite, il apparaît des erreurs qu’on appelle des « faux », et qu’on qualifie de positif ou négatif selon le résultat de la détection. La construction d’un tableau de contingence permet de calculer la fréquence de faux positifs et de faux négatifs, la sensibilité et la spécificité du test. En caractérisant ainsi la qualité de la procédure de décision, on peut alors calculer la probabilité d’avoir une maladie si le test est positif. On peut ainsi détecter correctement une anomalie à partir d’un test médical imparfait.

Pour s’échauffer 1. QCM 1. a. Faux, une vidéo prend plus de place en mémoire qu’une photo de même résolution. b. Vrai, une vidéo prend plus de place en mémoire qu’une page de texte. c. Faux, la vidéo prend plus de place en mémoire qu’un son de même durée. d. Vrai. 2. a. Faux, la qualité et la quantité des données d’entrée son importantes pour garantir la qualité des résultats en sortie. b. Faux, même justification que pour a.

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c. Vrai. d. Faux, on ne pourra pas obtenir des données en sortie de bonne qualité si on ne contrôle pas les données d’entrée. 3. a. Vrai, car le coefficient de détermination est le plus élevé et la surface de régression modélise bien le nuage de points. b. Faux, visuellement, le modèle semble bien décrire le nuage de points, mais R2 est inférieur à la valeur dans le modèle a. c. Faux, R2 faible et visuellement, le modèle n’est pas proche des données. 4. a. Vrai. b. Faux, ce programme est exécutable seulement sous Windows grâce à un interpréteur présent dans le système d’exploitation : cmd.exe. c. Faux, .exe est l’extension d’un exécutable. d. Faux, les fichiers exécutables peuvent comporter des risques. Il est important de s’assurer de la provenance d’un fichier exécutable. 5. a. Faux. b. Vrai, on ne peut pas diviser par 0. c. Faux. d. Faux. 6. a. Faux, puisqu’il existe des faux négatifs. b. Vrai. c. Vrai, le tableau de contingence montre que le test est imparfait, ce qui permet de prendre en compte les erreurs de la procédure de reconnaissance. d. Faux, ce sont des faux négatifs. Il y a 30 faux positifs. 7. a. Vrai, s’il y a des biais dans les données d’entrée, ils peuvent être amplifiés en sortie. b. Vrai, par les biais qui sont amplifiés ou par l’utilisation des données personnelles pour l’entraînement des modèles. c. Faux, l’utilisation des données personnelles est encadrée, notamment par la réglementation de l’Union européenne RGPD entrée en vigueur en 2018.

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d. Vrai, par reconnaissance de similitudes ou de corrélations, le modèle peut ensuite prédire des variables en sortie.

2. Vrai/Faux 1. Faux, tous les systèmes informatiques, embarqués ou non, ont besoin d’être programmés mais pas forcément par l’utilisateur (par un programmeur). 2. Vrai, voir architecture de Von Neumann. 3. Faux, lorsque l’on exécute un programme, du code écrit en langage de haut niveau comme Python par exemple est converti en code écrit en langage machine spécifique au processeur 4. Vrai, il manipule des données multimédia. 5. Vrai. 6. Faux, il est difficile de supprimer tous les bugs d’un programme informatique. 7. Faux, la spécificité mesure la probabilité qu’un test soit bien négatif lorsqu’il doit l’être ; la sensibilité mesure la probabilité qu’un test soit bien positif lorsqu’il doit l’être. 8. Vrai.

3. Apprentissage machine Points gris : points expérimentaux de l’ensemble d’entraînement Droite bleue : courbe modèle Flèche rouge : valeur cible réelle Flèche verte : valeur cible prévue par le modèle Point rouge : point expérimental de l’ensemble de test En abscisses : paramètre étudié En ordonnées : valeur cible

4. Diabète et IMC 1. Les pointillés nous donnent les points A (–0,05 ; 105) et B (0,10 ; 250) avec une précision faible. L’équation obtenue est alors Taux de diabète = 970 x IMC + 150 (la pente peut varier entre 900 et 1000 en fonction des valeurs retenues sur le graphique). 2. Graphiquement, on obtient une valeur cible de 125 environ pour le point rouge (il faut reporter son abscisse sur la droite modèle). Avec le modèle, on obtient 970 x (–0,025) + 150 = 125 environ, les deux méthodes sont donc en accord. Ici aucune méthode n’est meilleure que l’autre car le modèle et l’abscisse du point rouge sont imprécis.

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226

5. Distance de freinage Les technologies de conduite autonome permettent de réduire le temps de réaction d’une seconde à quelques millisecondes et donc dans l’exemple proposé réduire la distance d’arrêt de 25 m à 10 m. C’est entre autres pour cela que les technologies de conduite autonome peuvent réduire le nombre d’accident, et que les aides au freinage d’urgence apparaissent sur les véhicules actuels.

6. Test diagnostique 1. - p(A) est la probabilité que la personne soit malade. - p(B) est la probabilité que le test soit positif. - p(A|B) est la probabilité que la personne soit malade lorsque le test est positif. - p(B|A) est la probabilité que le test soit positif lorsque la personne est malade. 2. - Un faux positif est obtenu lorsque le test est positif et que la personne n’est pas malade - Un faux négatif est obtenu lorsque le test est négatif et que la personne est malade - Un vrai positif est obtenu lorsque le test est positif et que la personne est malade - Un vrai négatif est obtenu lorsque le test est négatif et que la personne n’est pas malade 3. La personne est malade dans le cas d’un vrai positif (diagnostic correct) et dans le cas d’un faux négatif (diagnostic erroné).

7. Algorithme 1. On utilise la liste L qui contient trois éléments donc n = 3. On démarre la boucle avec i = 1 et m = 1. Le 1er élément de L est égal au 1er élément de L donc m = 1. On poursuit la boucle avec i = 2 et m = 1. Le 2e élément de L est supérieur au 1er élément de L donc on ne fait rien. On poursuit la boucle avec i = 3 et m = 1. Le 3e élément de L est supérieur au 1er élément de L donc on ne fait rien. On affiche le 1er élément de L soit 1. Cet algorithme affiche le plus petit élément d’une liste donnée en entrée. 2. On peut proposer différentes choses : [3, 1, 2] pour avoir le minimum ni au début ni à la fin de la liste.

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[2, 3, 1] pour avoir le minimum à la fin de la liste. [ ] pour tester avec une liste vide. [2] pour tester avec un seul élément. [1.2, 0.8, 2.9] pour tester avec des flottants. etc. 3. Si on teste avec une liste vide, il y aura un bug car on ne pourra pas afficher le premier élément de la liste.

8. Détection de spams Remarque : on utilise la même définition que dans le cours et dans le programme (faux positifs = faux parmi les positifs) : 1. La fréquence de faux positifs est FP / P = 6,5 % La fréquence de faux négatifs est FN / N = 12,9 % 2. La spécificité est la probabilité qu’un test soit négatif lorsqu’il doit effectivement l’être et la sensibilité est la probabilité qu’un test soit positif lorsqu’il doit effectivement l’être. 3. Sensibilité = 1200 / (1200 + 507) = 70,3 % Spécificité = 3425 / (3425 + 84) = 97,6 %

Méthode : Exercices d’application 10. Stockage sur cartes perforées 1. Ils sont codés sur 12 bits car il y a 12 lignes permettant de mettre un trou ou pas. 2. On peut coder 212 = 4 096 caractères différents. 3. 1 carte stocke 1 ligne de code. 27,8 millions de lignes de code auraient été nécessaires. 4. 1 carte pèse 2,55 g. La masse de papier nécessaire est donc de 27 800 000 × 2,55 = 70,9 tonnes. Pour la surface, 1 carte a une surface de 0,015 5 m², il faut donc 27 800 000 × 0,0155 = 430 900 m² soit 43 ha. 5. 1 m² de carte millipede permet de stocker 1,24.1015 bits. 0,0155 m² de carte perforée permet de stocker 960 bits. Un produit en croix nous permet d’obtenir le résultat : Surface 0,0155 m

Stockage 2

?

960 bits 1,24 · 1015 bits

S = 0,0155 × 1,24 · 1015 / 960 = 2 · 1010 m² = 20 000 km² soit 2 fois et demi la Corse. 6. 1 m² = 1018 nm²

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7. Il y a potentiellement 1,24 · 1015 trous sur 1 m² donc 1 trou a une surface de 8 · 10–16 m², soit 800 nm². Un trou a donc un diamètre de l’ordre de 8000,5 soit environ 30 nm.

11. Différents supports de stockage 1. Disque dur : 1 To = 1 000 Go = 1 000 000 Mo = 1 000 000 000 ko = 1 · 109 ko CD ROM : 700 Mo = 700 000 ko = 7 · 105 ko Clé USB : 32 Go = 32 000 Mo = 32 000 000 ko = 3,2 · 107 ko Disquette : 1,44 Mo = 1440 ko = 1,44 · 103 ko 2. Disque dur : 1 · 109 / 1,44 · 103 = 694 000 disquettes Clé USB : 3,2 · 107 / 1,44 · 103 = 22 200 disquettes 3. Disque dur : 1 · 109 / 7 · 105 = 1 430 CD ROM Clé USB : 3,2 · 107 / 7 · 105 = 46 CD ROM

4. Photos (10 Mo l’une)

Minutes de film (1 Go l’une)

Caractères (1 o l’un)

Disque dur

1 000 000/10 = 100 000 photos

1 000 / 1 = 1 000 minutes 1.1012 / 1 = 1.1012 de film caractères soit environ 400 millions de pages

CD ROM

700 / 10 = 70 photos

0,7 / 1 = 0,7 minutes de film

700 000 000 / 1 = 7.108 caractères soit environ 280 000 pages

Clé USB

32 000 / 10 = 3 200 photos

32 / 1 = 32 minutes de film

3,2 · 1010 / 1 = 3,2 · 1010 caractères soit environ 13 millions de pages

Disquette

1,44 / 10 = 0,144 soit moins d’une photo

0,001 44 / 1 = 0,001 44 1 440 000 / 1 = 1,44.106 minute = 0,086 4 caractères soit environ secondes soit moins d’un 580 pages dixième de seconde de film

Tester ses compétences 12. Fonction moyenne en Python 1. somme = somme + liste[i] # On ajoute la valeur de l’élément i de liste à la somme return somme / n # On renvoie le résultat de l’opération somme / n c’est à dire la valeur de la moyenne 2. ligne 2 : n = len(liste) ligne 3 if n==0 :

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ligne 4 return None Et c’est tout. 3. [1, 2, 3] par exemple permet d’exécuter les autres lignes. N’importe quelle liste de nombres non vide fait l’affaire. 4. Ce phénomène s’appelle un bug Il faudrait vérifier que l’argument de la fonction moyenne est bien une liste et pas autre chose. Il faut positionner cette vérification au tout début du programme (entre la ligne 1 def moyenne(liste) et la ligne 2 n = len(liste) par exemple) 5. C’est un bug là aussi car ce comportement n’était pas prévu. Ici [True, False] est bien une liste donc cet argument va passer le test précédent. Il faudrait tester chaque élément de la liste afin de vérifier qu’il s’agit bien d’un nombre. Cette vérification peut se faire dans la boucle for par exemple lorsque l’on balaye les éléments de la liste.

13. L’IA pour calculer le prix d’un logement 1. Pour le doc.1, la pente est négative car la valeur cible décroît lorsque le paramètre augmente. Ce résultat était prévisible car le paramètre étudié ici est lié à la pollution, c’est donc quelque chose qui n’est pas souhaitable et qui va faire baisser le prix des logements de la zone considérée. Pour le doc.2, la pente est positive, ce qui est normal puisque l’on étudie la corrélation entre le prix du logement et le nombre de pièces. Plus il y a de pièces et plus le logement sera cher. 2. La majorité des points expérimentaux suivent le modèle mais il y a beaucoup de points avec des valeurs cible hautes qui ne sont pas bien corrélés au paramètre étudié. Le modèle n’est donc pas très « bon ». On peut aussi regarder la valeur de R2 qui est assez faible (0,19) et qui permet aussi de conclure que le modèle n’est pas très représentatif des données. 3. Prix = -34,43 × 1 + 41,7 = 7,27. Cette valeur semble cohérente vu la droite modèle du graphique. 4. Par lecture graphique, on obtient une valeur donnée par le modèle de l’ordre de 25. 5. En utilisant l’équation du modèle, on obtient : Prix = 8,7255 × 6,75 – 32,2362 = 26,7. La méthode la plus précise est le calcul en utilisant l’équation du modèle mathématique. 6. Prix = 8,39 × 6,75 – 0,0702 × 74,9 – 25,3 = 26,1 7. Le meilleur résultat est obtenu avec le deuxième modèle car on est plus proche de la valeur réelle. En réalité, il faudrait le faire sur l’ensemble des points du set de test pour pouvoir comparer car le modèle peut être meilleur pour un point et moins bon pour les 50 suivants…

14. La machine de Babbage On entre la valeur de x souhaitée

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230

On initialise les variables : A = 3 ; B = 27 ; C = 19 ; D = 12 Tant que A < x : On augmente D de 6 On augmente C de D On augmente B de C On augmente A de 1 On renvoie la valeur de A

Ici x = 5 Comme A = 3, A < x. On effectue donc D = 12 + 6 = 18 C = 19 + 18 = 37 B = 27 + 37 = 64 A=3+1=4 Comme A = 4, A < x. On effectue donc D = 18 + 6 = 24 C = 37 + 24 = 61 B = 64 + 61 = 125 A=4+1=5 Comme A = 5 A = x et on sort de la boucle On renvoie la valeur de A soit 125

On vérifie g(5) = 53 = 5 x 5 x 5 = 125. Le résultat est donc correct.

2. Ici, l’automatisation permet d’accélérer le calcul qui devait précédemment être fait à la main. La deuxième amélioration est la certitude qu’il n’y aura pas d’erreur de calcul ce qui n’est pas le cas lorsque l’on calcule à la main.

3°) Tableau obtenu x

g(x)

0

0

1

1

1

2

8

7

6

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231

3

27

19

12

6

4

64

37

18

6

5

125

61

24

6

6

216

91

30

6

7

343

127

36

6

8

512

169

42

6

9

729

217

48

6

10

1000

271

54

6

11

1331

331

60

6

12

1728

397

66

6

13

2197

469

72

6

14

2744

547

78

6

15

3375

631

84

6

16

4096

721

90

6

17

4913

817

96

6

18

5832

919

102

6

19

6859

1027

108

6

20

8000

1141

114

6

21

9261

1261

120

6

22

10648

1387

126

6

23

12167

1519

132

6

24

13824

1657

138

6

25

15625

1801

144

6

26

17576

1951

150

6

27

19683

2107

156

6

28

21952

2269

162

6

29

24389

2437

168

6

30

27000

2611

174

6

31

29791

2791

180

6

32

32768

2977

186

6

33

35937

3169

192

6

34

39304

3367

198

6

35

42875

3571

204

6

36

46656

3781

210

6

37

50653

3997

216

6

38

54872

4219

222

6

39

59319

4447

228

6

40

64000

4681

234

6

41

68921

4921

240

6

42

74088

5167

246

6

43

79507

5419

252

6

44

85184

5677

258

6

45

91125

5941

264

6

46

97336

6211

270

6

47

103823

6487

276

6

48

110592

6769

282

6

49

117649

7057

288

6

50

125000

7351

294

6

51

132651

7651

300

6

52

140608

7957

306

6

53

148877

8269

312

6

54

157464

8587

318

6

55

166375

8911

324

6

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232

56

175616

9241

330

6

57

185193

9577

336

6

58

195112

9919

342

6

59

205379

10267

348

6

60

216000

10621

354

6

61

226981

10981

360

6

62

238328

11347

366

6

63

250047

11719

372

6

64

262144

12097

378

6

65

274625

12481

384

6

66

287496

12871

390

6

67

300763

13267

396

6

68

314432

13669

402

6

69

328509

14077

408

6

70

343000

14491

414

6

71

357911

14911

420

6

72

373248

15337

426

6

73

389017

15769

432

6

74

405224

16207

438

6

75

421875

16651

444

6

76

438976

17101

450

6

77

456533

17557

456

6

78

474552

18019

462

6

79

493039

18487

468

6

80

512000

18961

474

6

81

531441

19441

480

6

82

551368

19927

486

6

83

571787

20419

492

6

84

592704

20917

498

6

85

614125

21421

504

6

86

636056

21931

510

6

87

658503

22447

516

6

88

681472

22969

522

6

89

704969

23497

528

6

90

729000

24031

534

6

91

753571

24571

540

6

92

778688

25117

546

6

93

804357

25669

552

6

94

830584

26227

558

6

95

857375

26791

564

6

96

884736

27361

570

6

97

912673

27937

576

6

98

941192

28519

582

6

99

970299

29107

588

6

100

1000000

29701

594

6

15. Détection de cancers du sein par l’IA 1. On utilise la définition du cours FP = faux parmi les positifs. p(VP) = 31 / 33 =93,9 %

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233

p(FP) = 2 / 33 = 6,1 % p(VN) = 79 / 81 = 97,5 % p(FN) = 2 / 81 = 2,5 % 2. C’est la fréquence de vrai positif : p(malade | positif) = 31 / (31 + 2) = 93,9 % 3. Sensibilité = VP/(VP + FN) = p(positif | malade) = 31 / (31 + 2) = 93,9 % Spécificité = VN / (VN + FP) = p(négatif | sain) = 79 / (79 + 2) = 97,5 %

Objectif BAC 16. La détection de virus 1. Le contrôle permet de vérifier que le test fonctionne correctement et donc que les résultats obtenus seront valides.

2. Soit T le nombre total de patients (ou de tests réalisés) : T = 68 071 + 15 341 + 6 838 + 163 083 = 253 333 P = 68 071 + 15 341 + 6 838 = 90 250 N = 163 083

3. Tableau de contingence :

Malade

Sain

Test +

VP

FP

Test -

FN

VN

P = VP + FP N = FN + VN M = VP + FN S = FP + VN

4. Par définition Se =

VP M

d’où VP = Se × M

Par définition Sp =

VN S

d’où VN = S × Sp

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234

Comme FP = S – VN on a FP = S(1 – Sp) De même FN = M – VP d’où FN = M(1 – Se)

D’après la question 3, P = VP + FP Si on remplace VP et FP par leurs expressions on obtient P = Se x M + S x (1 – Sp) De même d’après la question 3. N = FN + VN D’où N = M x (1 – Se) + S x Sp

5. D’après l’énoncé, on a M =

P–T×(1–Sp) et Se+Sp –1

on sait que S = T – M

Application numérique : M = (90250 – 253333x(1 – 0,941))/(0,9999+0,941-1)

M=

90250 – 253333x(1 – 0,941) d'où 0,9999+0,941−1

M = 80 033

S = T – M = 253 333-80033 = 173 300

D’après la question 4, on sait que FN = M × (1 – Se). Application numérique : FN = 80 033 × (1 – 0,9999) = 8,0

6. Le test est maintenant positif seulement si IgG est positif soit le premier et le deuxième cas dans le doc.2. P = 68 071 + 15 341 = 83 413 Les deux autres tests sont alors négatifs d’où N = 6 838 + 163 083 = 169 921 D’après le doc 1, on a Se = 99,9% et Sp = 98%. On sait que FN = Mx(1-Se). Il faut donc calculer M pour calculer ensuite FN. D’après la relation donnée en question 3, M =

P–T×(1–Sp) . Se+Sp –1

Application numérique : M=

83413−253333x(1−0,98) = 0,999+0,98−1

= 80 027

Ce résultat est sensiblement le même que pour le test combiné IgM et IgG, ce qui est cohérent car le nombre de malades n’a pas changé.

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235

FN = Mx(1-Se) = 80 027 × (1-0,999) = 80 Avec le test combiné, on divise par dix le nombre de faux négatifs, c’est-à-dire de personnes qui ne sont pas détectées. Cette diminution de faux négatifs se fait au prix d’une diminution de la spécificité (94,1 % pour le test combiné contre 98 % pour le test IgG), ce qui se traduit par une augmentation du nombre de faux positifs pour le test combiné. Dans le cas d’un dépistage massif de virus, on préfère diminuer le nombre de faux négatif grâce au test combiné pour être sûr de détecter tous les porteurs de virus, même si on a davantage de faux positifs qu’avec le test simple.

Focus méthode maths : - On écrit d’abord les formules littérales avant de réaliser les applications numériques. - Si on utilise un résultat intermédiaire pour un calcul, utiliser la valeur exacte du résultat intermédiaire et non une valeur arrondie pour limiter les erreurs.

17. Crash de l’engin spatial Schiaparelli 1. Un bug est un comportement inattendu d'un programme 2. Ici le calcul de l'altitude a renvoyé une valeur erronée car l'angle mesuré était en dehors des valeurs possibles, cas non prévu par les programmeurs. Il aurait été évitable en prenant en compte la valeur d'angle renvoyée par le dispositif de mesure comme une valeur erronée et n'en tenant pas compte. 3. Il faut modifier le programme afin de répondre correctement lors de ces vibrations et éviter d'éteindre les fusées trop tôt. 4. Non, un commentaire n'est pas exécuté, il ne modifie donc pas le fonctionnement d'un programme. Son intérêt est d'expliquer ce que font les différentes lignes ou parties du code afin de pouvoir reprendre son travail plus tard ou collaborer avec d'autres. 5. Oui, si on ajoute un commentaire, cela augmente le nombre de caractères à stocker et donc l'espace mémoire occupé par le fichier. 6. Si le programme comporte 450 caractères en comptant les espaces et les retours à la ligne, le programme occupera 450 octets. 7. # cos = adj / hyp = h / D d'où h = D × cos 8. On exécute la ligne 2, comme alpha est bien entre –90 et 90 on exécute les lignes 3, 4 et 5, comme h >= 1. on passe directement à la ligne 7 et cela met fin au programme. Le comportement ici est correct pour la fonction. 9. Pour tester les lignes 8 et 9, il faut un angle = 90° Si on utilise altitude( 10000, 165) les lignes exécutées sont donc les lignes 2, 8 et 9 qui met fin au programme.

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10. Il faut un angle compris entre -90 et +90 et une altitude calculée inférieure à 1m. On peut donc utiliser altitude( 0.9, 0) (sonde verticale à 90 cm du sol) 11. Afin d'éviter le bug, les lignes 2, 8 et 9 ont été rajoutées. La ligne 2 permet de vérifier la validité de la donnée d'angle et les lignes 8 et 9 permettent de définir le comportement de la fonction lorsque cet angle n'est pas valide. 12. Plusieurs choses peuvent être problématiques, par exemple si D ou alpha ne sont pas des nombres, il y aura un arrêt de la fonction avec un message d'erreur, et plus grave, si D est négatif, ce qui est impossible et qui n'est donc pas prévu au départ, on se retrouve avec h