SPRINT FINAL
France métropolitaine, septembre 2023 • Physique-Chimie
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France métropolitaine • Septembre 2023
Le gaz à effet de serre
Intérêt du sujet • L’étude des différentes activités humaines et des gaz à effet de serre associés permet de montrer le rôle que joue l’homme dans le réchauffement du climat.
Les activités humaines conduisent à émettre dans l’atmosphère des gaz dits « à effet de serre » (GES) qui altèrent le climat. Les conditions de vie sur Terre sont par conséquent modifiées avec des phénomènes extrêmes de plus en plus fréquents (canicules, sécheresses, feux de forêt, etc.). Depuis la fin du xixe siècle, en France métropolitaine, la température a augmenté de 1,7 °C, pour un réchauffement planétaire de 1,1 °C en moyenne à l’échelle mondiale. La température moyenne mondiale de la surface de la Terre est actuellement de 15,8 °C.
D’après Météo-France et GIEC
Partie 1. Principaux gaz à effet de serre émis par les activités humaines
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Formule chimique du gaz à effet de serre (GES) |
CO2 |
CH4 |
N2O et autres gaz |
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Proportion atmosphérique en % en 2018 |
0,0408 |
0,0001857 |
≈ 0,000033 |
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Activités humaines à l’origine des émissions atmosphériques |
Combustion de ressources d’énergies fossiles Procédés industriels Déforestation tropicale |
Décharges sauvages Agriculture Élevage Procédés industriels |
Agriculture (engrais) Procédés industriels Sprays Composants électroniques Réfrigération |
D’après GIEC, rapport « bases physiques du changement climatique »
▶ 1. Identifier la seule activité humaine générant dans l’atmosphère chacun des trois gaz à effet de serre cités dans le tableau ci-dessus. (2 points)
▶ 2. En utilisant le tableau ci-dessus, identifier et nommer le gaz à effet de serre du tableau dont la proportion atmosphérique est la plus importante en 2018. Indiquer le nom et le nombre des atomes présents dans une molécule de ce gaz. (3 points)
▶ 3. La combustion de ressources d’énergies fossiles, comme le charbon constitué uniquement de carbone, est une source de gaz à effet de serre.
Parmi les trois équations de réactions ci-dessous, sélectionner celle correspondant à la réaction chimique qui modélise la combustion du charbon. Expliquer pourquoi les deux autres équations sont incorrectes. (3 points)
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➀ |
C + 2O2 → 2CO2 |
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➁ |
C + O2 → CO2 |
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➂ |
2C + 2H2O → CH4 + N2O |
Partie 2. Émissions annuelles de CO2 par combustible dans le monde
*1 Gt CO2 = 109 tonnes de CO2
D’après les chiffres clés du climat, Datalab 2021
▶ 1. a) Relever la valeur approximative des émissions de dioxyde de carbone en 2018 dues à l’ensemble des sources de combustibles réunies. (1 point)
b) Déterminer à partir du graphique ci-dessus quelle source de combustible a produit la plus grande quantité de dioxyde de carbone en 2018. (2 points)
▶ 2. Le dioxyde de carbone émis par les activités humaines s’accumule dans l’atmosphère. Ainsi, les émissions de dioxyde de carbone du présent s’ajoutent à celles du passé et rendent progressivement plus important l’effet de serre.
La quantité totale de dioxyde de carbone émise entre 1850 et 2018 est de 2 400 Gt.
Afin de limiter le réchauffement planétaire à 2,0 °C, comme adopté lors des accords de Paris sur le climat le 12 décembre 2015, les émissions totales de dioxyde de carbone ne doivent pas dépasser 3 700 Gt.
a) Calculer la quantité restante de dioxyde de carbone que l’humanité peut encore émettre à partir d’aujourd’hui pour que l’augmentation de température planétaire reste inférieure à 2,0 °C. (2 points)
b) Prévoir en quelle année la valeur limite de 3 700 Gt pour les émissions cumulées de dioxyde de carbone sera atteinte si les émissions annuelles restent égales à celle de 2018. (3 points)
Partie 3. Illustration d’une propriété des gaz à effet de serre
Les gaz à effet de serre ont la propriété d’absorber le rayonnement terrestre émis par la surface de la Terre chauffée par le Soleil.
Pour illustrer cette propriété, des expériences sont réalisées avec une tasse d’eau chaude, qui émet un rayonnement analogue au rayonnement terrestre. Cette tasse est observée à l’aide d’une caméra thermique qui ne détecte que ce rayonnement.
Différents matériaux sont placés entre la tasse et la caméra thermique. Les photographies ci-dessous montrent les résultats de la détection par la caméra thermique.
Crédits : © Jean-Louis Dufresne/Laboratoire de Métrologie Dynamique, Institut Pierre Simon Laplace
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Expérience 1 |
Expérience 2 |
Expérience 3 |
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D’après le site planet terre ens-lyon.fr
▶ 1. En utilisant les photographies des expériences ci-dessus, associer à chacune des cases A, B et C la réponse OUI ou la réponse NON à la question posée dans le tableau ci-après. (3 points)
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Matériau testé |
Verre |
Polyéthylène (plastique) transparent |
Polyéthylène (plastique) noir |
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L’image de la tasse s’affiche-t-elle sur l’écran de la caméra thermique ? |
A |
B |
C |
▶ 2. Parmi les deux propositions ci-dessous, sélectionner la proposition correcte. Argumenter en utilisant les observations des expériences. (3 points)
P1 : Le rayonnement détecté par la caméra thermique est de la lumière visible.
P2 : Le rayonnement détecté par la caméra thermique n’est pas de la lumière visible.
▶ 3. Sélectionner le matériau dont la propriété liée à l’absorption d’un rayonnement se rapproche le plus de celle des gaz à effet de serre. Justifier la réponse. (3 points)
Les clés du sujet
Comprendre les documents
Ce sujet ne contient pas de document à proprement dit, mais il est divisé en trois parties. L’introduction et les tableaux ou graphiques de chaque partie contiennent des informations qu’il faut utiliser comme celles d’un document.
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Partie 1 • Principaux gaz à effet de serre émis par les activités humaines |
Ce tableau indique plusieurs gaz à effet de serre et les activités humaines à l’origine de l’émission de chacun de ces gaz. Ces informations te permettront de répondre aux deux premières questions. |
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Partie 2 • Émissions annuelles de CO2 par combustible dans le monde |
Ce graphique donne la masse de CO2 formée par la combustion et ceci de 1970 jusqu’à 2018. Utilise les valeurs de ce graphique pour faire les calculs demandés dans les questions 1 et 2. |
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Partie 3 • Illustration d’une propriété des gaz à effet de serre |
L’introduction décrit 3 expériences illustrées par des photographies et leurs résultats. Une propriété des gaz à effet de serre est mise en évidence à travers les matériaux utilisés. Utilise les photographies pour répondre aux questions. |
Répondre aux questions
Partie 1
▶ 3. Rappelle-toi qu’une équation doit être équilibrée.
Partie 2
▶ 1. b) Tu dois comparer les émissions dues au pétrole et celle dues au charbon pour t’assurer de donner la bonne réponse.
▶ 2. a) Utilise les données chiffrées indiquées dans l’introduction de la question 2.
b) Suis les étapes du schéma pour répondre à cette question.
Partie 3
▶ 2. Une caméra thermique détecte la chaleur.
Partie 1
▶ 1. On constate, d’après le tableau, que les procédés industriels sont responsables de la formation des gaz cités : le CO2, le CH4 et le N2O et autres gaz.
▶ 2. En 2018, la proportion du CO2 est plus élevée que celles des autres gaz nommés dans le tableau.
En effet, 0,0408 > 0,0001857 > 0,000033.
Le dioxyde de carbone est constitué d’un atome de carbone et de deux atomes d’oxygène.
▶ 3. La combustion du charbon est modélisée par : C + O2 → CO2. L’équation ➀ est incorrecte car il n’y a qu’un seul atome de carbone à gauche de l’équation mais deux à droite.
L’équation ➂ est aussi incorrecte car le nombre d’atomes de carbone n’est pas le même (deux à gauche mais un seul à droite), de plus il y a deux atomes d’azote N apparents à droite de l’équation tandis qu’il n’y en a aucun à gauche.
Seule l’équation ➁ respecte donc le nombre des atomes des deux côtés de la flèche et représente la combustion du charbon.
Partie 2
▶ 1. a) Les émissions du CO2 dues à l’ensemble des sources de combustibles réunies sont d’environ 37 Gt, soit 37 × 109 tonnes de ce gaz.
b) La plus grande quantité de CO2 est produite en 2018 par la combustion du charbon. En effet, d’après le graphique cette quantité est de 15 Gt contre 12 Gt d’émission due à la combustion du pétrole (sur le graphique on lit 27 − 15 = 12 Gt d’émission pour le pétrole) : 12 Gt < 15 Gt.
attention
Pour répondre à cette question, ne te contente pas de lire le graphique. Tu dois effectuer une soustraction.
▶ 2. a) La quantité de CO2 émise de 1850 jusqu’à 2018 est de 2 400 Gt. Or, les émissions totales de dioxyde de carbone ne doivent pas dépasser 3 700 Gt pour que le réchauffement climatique ne dépasse pas 2,0 °C. Donc la quantité de dioxyde de carbone que l’humanité peut encore émettre s’obtient en effectuant la soustraction suivante : 3 700 – 2 400 = 1 300 Gt.
b) En 2018, les émissions cumulées de dioxyde de carbone s’élèvent à 37 Gt. Si on considère que l’humanité n’émettra pas plus de CO2 par an, le temps qu’il nous reste pour émettre 1 300 Gt sera :
t = = 35,1 ans.
Il reste donc, à partir de 2018, 35 ans environ pour limiter le réchauffement planétaire à 2,0 °C seulement. Ceci se produira en 2053 (en effet, 2018 + 35 = 2053).
Partie 3
▶ 1. La réponse est :
A : non ; B : oui ; C : oui.
▶ 2. Le rayonnement détecté par la caméra n’est pas de la lumière visible. En effet, si le rayonnement détecté était visible, la photographie de l’expérience 1 aurait montré une tasse sur l’écran car le verre est transparent. De même, aucun rayonnement visible ne traverse le polyéthylène noir dans l’expérience 3, néanmoins la caméra détecte bien l’image de la tasse.
La bonne réponse est donc la proposition P2.
▶ 3. Le matériau dont la propriété d’absorption de rayonnement est proche de celle des gaz à effet de serre est le verre.
En effet, la Terre chauffée par le Soleil émet de la chaleur par rayonnement comme le fait la tasse. Or, les gaz à effet de serre absorbent ce rayonnement comme le verre dans l’expérience 1.
à noter
Pour justifier ta réponse, appuie-toi sur le fait que les gaz à effet de serre absorbent le rayonnement émis par la Terre.
Les expériences 2 et 3, quant à elles, montrent que le polyéthylène transparent ou noir ne permet pas l’absorption du rayonnement émis par la tasse. Ces deux matériaux ne possèdent donc pas les propriétés absorbantes des GES.