Bioastronomie - La théorie de Gaïa - Daisyworld (II)

 

 

La théorie de Gaïa

Graphiques de Werner von Bloh, PIK-Postdam

Daisyworld (II)

Afin de répondre aux critiques virulentes dont il faisait l'objet, Lovelock imagina une abstraction de l'essence des phénomènes de rétroactions, un peu expliqua-t-il comme "une caricature qui esquisserait les traits essentiels du sujet". La théorie de Gaïa s'adapta bien à une étude de simulation informatique. Ceci pouvait être réalisé à propos de la Terre en réduisant le nombre de variables environnementales à une seule, la température, et au biotope d'une seule espèce, les pâquerettes ! Lovelock prétendait que ce modèle serait la preuve mathématique qui allait réfuter toutes les critiques.

Document Bill Staples

Son étude fut baptisée "Daisyworld" car il évalua la pertinence de son modèle en peuplant un monde imaginaire de pâquerettes claires et d'autres sombres en compétition pour conquérir l'espace.

Simuler Daisyworld en ligne

Rolf Cartensen

Université de Keil

Comment fonctionne ce modèle ? Ce modèle est une représentation numérique simplifiée d'une planète comme la Terre mais sans océan, dont le climat se stabilise par l'effet de la compétition quel que soit le rayonnement incident, et qui orbite comme la Terre autour d'une étoile semblable au Soleil. Cette planète tourne sur elle-même et contient relativement peu de nuages et de gaz à effet de serre dans son atmosphère, qui compliqueraient son climat. Sur cette planète la température moyenne est uniquement déterminée par son pouvoir réfléchissant (albédo) et peut-être calculée par la loi de Stefan-Boltzmann.

La biologie de Daisyworld est également très simple. Gaïa est couverte de pâquerettes qui commencent à germer dès que la température atteint 5°C et cessent de croître au-dessus de 40°C; elles présentent une croissance optimale à une température de 20°C.

La biosphère de Daisyworld contient uniquement des pâquerettes claires (blanches), sombres (noires ou colorées) et d'autres grises. Ces fleurs influencent uniquement la température de surface à travers leur pouvoir réfléchissant[4]

Etat typique du système simulant l'influence de la végétation et de la couverture nuageuse sur la distribution de l'albédo et la température de la Terre.

Comme dans la nature les pâquerettes sombres absorbent le plus de chaleur; les pâquerettes claires reflètent l'essentiel du rayonnement dans l'espace tandis que les pâquerettes grises absorbent autant de chaleur qu'elles n'en réfléchissent. Mais comment le rayonnement réfléchit par les pâquerettes individuelles peut-il affecter la température globale ?

A mesure que l'étoile devient plus lumineuse, la température moyenne à la surface de Gaïa augmente. On peut ainsi prédire l'évolution de la population des pâquerettes à mesure que la planète se réchauffe.

Ce modèle appliquant les lois classiques de la biologie et de la physique, les pâquerettes peuvent répondre ou s'adapter à l'environnement physique mais ne peuvent pas le modifier. Par contre sur Daisyworld les pâquerettes peuvent altérer le climat.

Comment fonctionne la rétroaction, processus clé de cette étude ? La variable du système est régulée par deux effets qui agisssent en sens opposé sur cette variable en s'inhibant réciproquement. Sur Daisyworld, la variable est la température. Le réchauffement ou le refroidissement est provoqué par les pâquerettes sombres ou claires qui s'éliminent mutuellement pour conquérir l'espace.

Concrêtement,  lorsque la température atteint 5°C, toutes les graines germent. Durant la première saison, les pâquerettes sombres croissent à un rythme plus rapide que leurs cousines claires car elles absorbent plus d'énergie lumineuse. Envahissant tout l'espace de Daisyworld, sa surface et l'atmosphère en contact avec celle-ci se réchauffent - comme toute surface exposée au Soleil -. La composante sombre sera donc l'espèce la mieux adaptée et elle crée localement des zones chaudes qui favorisent la croissance des autres pâquerettes.

Variation de la température de surface en fonction de la population. Consulter le texte pour les explications.

Au terme de la première saison, il y a sur Daisyworld beaucoup plus de pâquerettes sombres que de claires. Les premières dominent donc le paysage lorsque la nouvelle saison arrive. Elles grandissent, se réchauffent ainsi que leur biotope. Cette explosion de pâquerettes sombre crée une rétroaction positive ayant pour effet d'augmenter rapidement la température de Gaïa. Bientôt la planète ne contient plus que des pâquerettes sombres, leur effet cumulé augmentant la température globale au-dessus de la valeur mesurée en l'absence de toute vie.

 Voyons le graphique affiché ci-dessus. Lorsque les pâquerettes sombres auront porté la surface à une température confortable et constante, les pâquerettes grises et blanches vont commencer à tirer profit de ces meilleures conditions climatiques. Les pâquerettes grises vont commencer à se développer et s'adapteront mieux que les blanches car cette dernière espèce ne sera pas en mesure de maintenir la température suffisamment haute pour survivre. Mais la température ne peut pas augmenter indéfiniment, au risque de surchauffer l'atmosphère en limitant la croissance des fleurs. Même le rayonnement du Soleil ne peut dépasser la tolérance maximale supportée par les pâquerettes. A mesure que la planète vieillira, la chaleur du Soleil deviendra si élevée que les pâquerettes sombres finiront par mourir. Arrivé à ce stade, seule survivront les pâquerettes blanches qui parviendront toujours à stabiliser la température aux alentours de 20°C.

Dans ces conditions d'ensoleillement extrême, seules les concurrentes claires seront avantagées, mais en raison de leur capacité à réfléchir la lumière du Soleil, elles ralentiront l'augmentation de température ce qui entraînera un refroidissement des basses couches de l'atmosphère. A mesure que les pâquerettes blanches coloniseront Daisyworld, leur effet cumulé va accentuer le ralentissement de l'augmentation de la température qui chutera globalement bien en-dessous de la valeur mesurée en l'absence de toute vie.

Sur base de cette expérience on peut en conclure que la compétition qui s'installe entre les différentes espèces de pâquerettes va porter la température moyenne de surface de Gaïa proche des valeurs offrant un maximum de confort. De cette manière, les individus, sans avoir conscience ni être concerné par le devenir de Daisyworld prise dans sa globalité, seront parvenus à contrôler l'environnement global de leur planète.

Les cycles d'hystérésis de Daisyworld : une boucle de rétroaction s'est installée. Comme la vie le système se trouve parfois dans un régime instable mais il trouve naturellement son équilibre.

Si nous tenons compte des mutations dans notre modèle, en modifiant par exemple l'albédo au cours de la croissance des fleurs, on constate qu'on peut augmenter le rayonnement solaire d'au moins 20% avant que les populations ne s'effondrent.

Finalement, la chaleur émise par le Soleil sera si intense que plus aucune espèce de pâquerette se sera capable de réguler la température et toutes les espèces disparaîtront.

Prochain chapitre

La suite du programme et Au-delà de Daisyworld



25/11/2007
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