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

Principaux gaz à effet de serre émis par les activités humaines

D'après GIEC, rapport “bases physiques du changement climatique”

Question 1 (8 points)

1a- Identifier la seule activité humaine générant dans l'atmosphère chacun des trois gaz à effet de serre cités dans le tableau ci-dessus.

1b- 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.

La combustion de ressources d'énergie fossiles, comme le charbon constitué uniquement de carbone, est une source de gaz à effet de serre.

1c- 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.

1. $C+ 2O_{2} \longrightarrow 2CO_{2}$
2. $C + O_{2} \longrightarrow CO_{2}$
3. $2 C + 2 H_{2}O \longrightarrow CH_{4} + N_{2}O$

Émissions annuelles de CO₂ par combustible dans le monde
*1 Gt CO₂ = 10⁹ tonnes de CO₂

Question 2 (3 points)

2a- Relever la valeur approximative des émissions de dioxyde de carbone en 2018 dues à l'ensemble des sources de combustibles réunies.

2b- Déterminer à partir du graphique ci-dessus quelle source de combustible a produit la plus grande quantité de dioxyde de carbone en 2018.

Question 3 (5 points)

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 2400 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 3700 Gt.

3a- 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.

3b- Prévoir en quelle année la valeur limite de 3700 Gt pour les émissions cumulées de dioxyde de carbone sera atteinte si les émissions annuelles restent égales à celle de 2018.

Toute démarche même partielle sera prise en compte.

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.

Question 4 (9 points)

4a- En utilisant les photographies des expériences ci-dessus, associer, sur votre copie, à chacune des cases A, B et C la réponse OUI ou la réponse NON à la question posée dans le tableau ci-dessous.

4b- Parmi les deux propositions ci-dessous, sélectionner la proposition correcte. Argumenter en utilisant les observations des expériences.

• 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.

4c- 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.

Question 1 (8 points)**

1a- procédés industriels

1b- (3 points)

Le gaz à effet de serre dont la proportion atmosphérique est la plus importante en 2018 est le dioxyde de carbone (CO₂). (1 point)

Une molécule de dioxyde de carbone est constituée de 1 atome de carbone et 2 atomes d'oxygène, soit 3 atomes au total. (2 points)

1c- (2 points)

L'équation de réaction chimique qui modélise la combustion du charbon est :

C + O₂ → CO₂

Explications des erreurs des autres équations :

• C + 2 O₂ → 2 CO₂: Cette équation est incorrecte car elle viole la loi de conservation de la masse. Il y a plus d'atomes d'oxygène du côté des produits (4) que du côté des réactifs (2). De plus, elle est conceptuellement fausse : un atome de carbone ne réagit pas avec deux molécules de dioxygène pour former deux molécules de dioxyde de carbone.
• 2 C + 2 H₂O → CH₄ + N₂O: Cette équation est incorrecte car elle ne représente pas la combustion du charbon (qui est une réaction avec le dioxygène). Elle implique de l'eau (H₂O) et produit du méthane (CH₄) et du protoxyde d'azote (N₂O), ce qui n'est pas le résultat de la combustion du charbon.

Question 2 (3 points)

2a- (1 point) D'après le graphique, la valeur approximative des émissions de dioxyde de carbone en 2018 dues à l'ensemble des sources de combustibles réunies est d'environ 37 Gt CO₂.

2b- (2 points) D'après le graphique, la source de combustible qui a produit la plus grande quantité de dioxyde de carbone en 2018 est le charbon.

Question 3 (5 points)

3a- (2 points)

La quantité restante de dioxyde de carbone que l'humanité peut encore émettre est calculée comme suit :

$3700$ Gt $- 2400$ Gt $= 1300$ Gt

La quantité restante de dioxyde de carbone que l'humanité peut encore émettre est de 1300 Gt.

3b- (3 points)

L'année où la valeur limite de 3700 Gt sera atteinte peut être prévue en divisant la quantité restante par les émissions annuelles de 2018. On estime à la question 2a- que les émissions annuelles de CO₂ en 2018 sont d'environ 37 Gt. Donc:

$\frac{1300}{37} \approx 35,1$ ans (avec la quantité de CO$_2$ en Gt et les émissions en Gt/an)

Si les émissions annuelles restent égales à celles de 2018, la valeur limite de 3700 Gt pour les émissions cumulées de dioxyde de carbone sera atteinte dans environ 35 ans à partir de 2018.

$2018 + 35 = 2053$

Donc, en 2053.

Question 4 (9 points)

4a- (3 points, 1 point par réponse correcte)

4b- (3 points)

La proposition correcte est :

• P₂: Le rayonnement détecté par la caméra thermique n'est pas de la lumière visible.

Argumentation :

La caméra thermique détecte le rayonnement émis par la tasse d'eau chaude. Si le rayonnement détecté était de la lumière visible, on verrait l'image de la tasse à travers tous les matériaux transparents. Or, on ne voit pas l'image de la tasse à travers le verre. Ceci indique que le rayonnement détecté n'est pas de la lumière visible, mais plutôt un rayonnement infrarouge (chaleur). La caméra thermique est conçue pour détecter ce type de rayonnement.

4c- (3 points)

Le matériau dont la propriété liée à l'absorption d'un rayonnement se rapproche le plus de celle des gaz à effet de serre est le verre.

Justification:

• Verre : Les gaz à effet de serre absorbent une partie du rayonnement infrarouge émis par la Terre, empêchant ce rayonnement de s'échapper vers l'espace. De même, le verre bloque le rayonnement infrarouge émis par la tasse, empêchant la caméra thermique de détecter l'image de la tasse.