Sujet du brevet 2022 de sciences — Nouvelle-Calédonie (Série générale) — Physique-Chimie, Sciences de la vie et de la Terre

Question 1-A. D'après le texte d'introduction, la cause principale de l'augmentation du taux de dioxyde de carbone dans l'atmosphère est l'activité humaine, en particulier la combustion des ressources fossiles (charbon, pétrole, gaz) pour produire de l'électricité : « La production d'électricité est la première cause d'émission de gaz à effet de serre » et le CO₂ est surtout produit « lors de la combustion des ressources fossiles ».

Question 1-B. D'après le texte, l'augmentation du taux de CO₂ dans l'atmosphère a trois conséquences :

• d'importants changements climatiques, dont le réchauffement climatique ;
• l'acidification des océans ;
• une modification de la croissance des végétaux.

Question 2.

• Case à cocher : inférieur à 8,2.
  Justification : d'après le document 1, le CO₂ réagit avec l'eau et produit des ions hydrogène H⁺ :

$$\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to \mathrm{H}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_3^{-}+{\mathrm{H}}^{+}$$

Si le taux de CO₂ continue d'augmenter, la concentration en ions H⁺ augmente encore : l'eau de mer devient plus acide. Or plus une solution est acide, plus son pH est faible. Le pH moyen des océans va donc diminuer et passer sous sa valeur initiale de 8,2.

• Le matériel qui permet de mesurer l'acidité d'une solution est le papier pH (le thermomètre mesure une température, le dynamomètre une force, le voltmètre une tension électrique).

Question 3. Protocole pour mesurer le pH d'un échantillon d'eau de mer :

1. Mettre une blouse et des lunettes de protection.
2. Verser un peu d'eau de mer dans un bécher propre.
3. Déposer un morceau de papier pH dans une coupelle propre et sèche.
4. Plonger un agitateur en verre propre dans l'échantillon, puis déposer une goutte d'eau de mer sur le papier pH (on ne trempe pas le papier directement dans le bécher).
5. Comparer la couleur prise par le papier avec l'échelle de teintes imprimée sur la boîte de papier pH.
6. Lire la valeur du pH correspondant à la teinte obtenue, puis rincer le matériel.

Pour une mesure plus précise, on peut aussi utiliser un pH-mètre étalonné, dont on plonge la sonde dans l'échantillon.

Question 4. Diagramme énergétique complété :

• dans le cadre (le réservoir d'énergie, à gauche) : eau ;
• sur la flèche qui entre dans la centrale : énergie mécanique (l'énergie du mouvement de l'eau, qui met la turbine en rotation) ;
• sur la flèche qui sort à droite (énergie utile) : énergie électrique (produite par l'alternateur) ;
• sur la flèche qui part vers le bas (énergie perdue) : énergie thermique (pertes par échauffement).

Question 5.

• La force gravitationnelle entre la Terre et la Lune est une action à distance : les deux astres ne se touchent pas.
• C'est une force attractive : la Terre et la Lune s'attirent mutuellement.
• Elle s'exprime en newton (N), l'unité de toutes les forces.
• La bonne représentation est la première (à gauche) : deux flèches portées par la droite qui joint les centres de la Terre et de la Lune, de même longueur (les deux forces ont la même valeur) et dirigées l'une vers l'autre (attraction). La deuxième représentation montre des forces perpendiculaires à la droite Terre-Lune, et la troisième des forces qui éloignent les astres l'un de l'autre (répulsion).

Question 6. D'après le document 4 :

$$F_{T/L}=G\times \frac{m_T\times m_L}{d^2}$$

Application numérique, avec les masses en kilogrammes et la distance en mètres :

$$F_{T/L}=6,67\times {10}^{-11}\times \frac{5,97\times {10}^{24}\times 7,36\times {10}^{22}}{(3,84\times {10}^8{)}^2}$$

Au numérateur : $6,67\times {10}^{-11}\times 5,97\times {10}^{24}\times 7,36\times {10}^{22}$$\approx 2,931\times {10}^{37}$.

Au dénominateur : $(3,84\times {10}^8{)}^2=14,7456\times {10}^{16}\approx 1,475\times {10}^{17}$.

$$F_{T/L}\approx \frac{2,931\times {10}^{37}}{1,475\times {10}^{17}}\approx 1,99\times {10}^{20}\text{ N}$$

La valeur de la force gravitationnelle exercée entre la Terre et la Lune est d'environ 1,99 × 10²⁰ N (soit environ 2 × 10²⁰ N).

Question 1. D'après le document 1 :

• Les algues zooxanthelles se nourrissent en réalisant la photosynthèse : elles fabriquent leur propre matière organique à partir de matière minérale (dioxyde de carbone, eau, sels minéraux), en présence de lumière. Elles sont donc autotrophes. Une partie des sels minéraux dont elles ont besoin leur est fournie par le corail : « Ces algues utilisent les sels minéraux que rejettent les coraux ».
• Les coraux, eux, ne font pas la photosynthèse : ils récupèrent une partie de la matière organique fabriquée par les algues qui vivent dans leur organisme. Ils dépendent donc d'une matière organique déjà produite par un autre être vivant.

Chacun des deux partenaires tire un bénéfice de cette association : c'est une symbiose (« association symbiotique »). L'algue reçoit des sels minéraux et un abri, le corail reçoit de la matière organique.

Question 2. Je vois sur le document 2 que, après 12 heures à la lumière, les fragments de corail placés dans une eau à 28 °C contiennent 100 unités arbitraires de zooxanthelles, alors que ceux placés à 32 °C n'en contiennent plus qu'environ 80 (un peu plus de 80) unités arbitraires. Les fragments contenaient au départ la même quantité de zooxanthelles.

J'en conclus que lorsque la température de l'eau augmente (de 28 °C à 32 °C, soit + 4 °C), le nombre de zooxanthelles diminue d'environ 20 unités arbitraires, soit une baisse d'environ 20 % (un cinquième) en seulement 12 heures.

Question 3. Cinq arguments montrent que l'Homme est à l'origine du blanchissement des coraux :

1. Document 3 : les activités humaines rejettent du dioxyde de carbone et font augmenter le taux de CO₂ atmosphérique.
2. Document 3 : cette augmentation du CO₂ renforce l'effet de serre, ce qui fait augmenter la température de l'océan.
3. Document 2 : quand la température de l'eau passe de 28 °C à 32 °C, le nombre de zooxanthelles diminue (de 100 à environ 80 unités arbitraires).
4. Document 1 : « Les algues sont sensibles à l'augmentation de la température, la symbiose est rompue et les coraux blanchissent. » Les coraux perdent leurs algues, et donc la matière organique qu'elles leur fournissaient : ils se décolorent, puis une partie d'entre eux disparaît.
5. Document 3 : l'augmentation du CO₂ provoque aussi une hausse de l'acidité de l'océan, qui perturbe la croissance des organismes marins comme les coraux ; et le schéma relie directement la hausse de la température de l'océan au blanchissement des coraux.

Conclusion : par ses rejets de CO₂, l'Homme réchauffe et acidifie l'océan ; le réchauffement fait disparaître les zooxanthelles, rompt la symbiose et provoque le blanchissement des coraux.

Question 4. Le document 5 montre qu'en Nouvelle-Calédonie, 83 % de l'électricité des particuliers est produite à partir d'énergies fossiles (charbon, fuel, gasoil…), contre seulement 6 % pour le solaire, 6 % pour l'hydroélectrique et 5 % pour l'éolien. Or, d'après le document 4, ces énergies fossiles sont les plus émettrices : 1 000 g de CO₂/kWh pour le charbon et 1 100 g de CO₂/kWh pour le pétrole.

Pour diminuer ses émissions de CO₂, la Nouvelle-Calédonie peut :

• réduire la part des énergies fossiles (charbon, pétrole) dans sa production d'électricité, en fermant ou en limitant progressivement les centrales qui les brûlent ;
• développer les énergies renouvelables qu'elle utilise déjà un peu : le solaire (44 g de CO₂/kWh), l'éolien (11 g de CO₂/kWh) et les barrages hydroélectriques (6 g de CO₂/kWh).

Par exemple, un kilowattheure produit par une éolienne rejette environ 90 fois moins de CO₂ qu'un kilowattheure produit avec du charbon (11 g contre 1 000 g). Le document 4 montre aussi que le nucléaire émet très peu de CO₂ (4 g/kWh), mais il n'apparaît pas dans la production calédonienne du document 5.

Question 5. D'après le document 6, l'Homme peut préserver les coraux :

• par des actions individuelles : plonger ou nager sans toucher ni arracher les coraux (le document dénonce les « Plongeurs négligents »), ne pas jeter l'ancre de son bateau sur les coraux mais sur le sable ou à une bouée d'amarrage, ne pas pêcher à la dynamite, ne pas utiliser de pesticides ou d'herbicides dans son jardin ;
• par des actions collectives (décidées par les pouvoirs publics, les communes, les entreprises) : interdire la pêche à la dynamite et le dragage près des récifs, limiter la construction d'hôtels sur le littoral, mieux traiter les eaux usées avant de les rejeter en mer, réduire les rejets de pesticides et d'herbicides agricoles, installer des bouées d'amarrage et créer des zones marines protégées.