Module 3.1 Modélisation du système Terre 

Activité 3 Le modèle NetLogo « Daisyworld »

Résultat d’une simulation du modèle NetLogo « Daisyworld ».

Le modèle « Daisyworld » de NetLogo est une version explicitement spatiale du modèle du même nom créé par Watson et Lovelock (1983). Ce modèle est constitué d’une grille qui représente un paysage virtuel sur lequel peuvent croitre des marguerites blanches et des marguerites noires. Chaque cellule de la grille est occupée par au plus une marguerite.

Ce paysage est exposé à la luminosité du soleil qui a pour effet de réchauffer sa surface. Seule une plage spécifique de températures est adéquate à la reproduction des marguerites. Si la température d’une cellule est inférieure ou supérieure à cette plage de valeurs, la marguerite qui l’occupe ne peut se reproduire et finira par mourir.

Les marguerites blanches et noires diffèrent par leur albedo, c’est-à-dire par leur capacité à réfléchir l’énergie lumineuse émise par le soleil. Les marguerites blanches ont une forte albedo et peuvent ainsi réfléchir une plus grande proportion de l’énergie lumineuse.  Les marguerites blanches diminuent la température des cellules sur lesquelles elles se trouvent et de leurs cellules voisines. Les marguerites noires, quant à elles, ont une faible albedo et absorbent ainsi la luminosité du soleil. Cette propriété a pour effet d’augmenter la température des cellules occupées par des marguerites noires et de leurs cellules voisines (par la diffusion de la chaleur).

Consignes

Suivez les consignes suivantes et répondez à la question 1. Si vous voulez des indications sur les réponses, vous pouvez contacter votre chargé d’encadrement.

• Ouvrez le logiciel NetLogo.
• Ouvrez le modèle « Daisyworld» offert dans la bibliothèque de modèles : menu File > Models Library > Sample Models > Biology > Daisyworld >; puis appuyez sur Open.
• Choisissez d’abord l’onglet Info et lisez les sections « What is it? » et « How to use it? ». Ces sections fournissent les informations nécessaires pour bien comprendre le fonctionnement et l’utilisation du modèle.
• Familiarisez-vous avec l’onglet Interface :
  • Le curseur start-%-whites détermine la proportion initiale de marguerites blanches sur la grille. La valeur par défaut est 20.
  • Le curseur start-%-blacks détermine la proportion initiale de marguerites noires sur la grille. La valeur par défaut est 20.
  • Le curseur albedo-of-whites détermine l’albedo des marguerites blanches. La valeur par défaut est 0,75.
  • Le curseur albedo-of-blacks détermine l’albedo des marguerites noires. La valeur par défaut est 0,25.
  • Le curseur albedo of surface détermine l’albedo des cellules non-occupées. La valeur par défaut est 0,40.
  • Le curseur solar-luminosity détermine la luminosité solaire. Cette valeur demeure constante dans le temps à moins que le scénario de luminosité solaire ramp-up-and down soit sélectionné (voir le point suivant). La valeur par défaut est 0,8.
  • L’onglet scenario permet de sélectionner le scénario de luminosité solaire. Cinq choix sont possibles : maintain current luminosity est la luminosité solaire par défaut (0,8), low solar luminosity (0,6), our solar luminosity (1,0), high solar luminosity (1,4), et ramp-up-ramp-down (la luminosité augmente rapidement puis diminue).
  • Le curseur show-daisies? permet de représenter (On) ou non (Off) les marguerites sur la grille.
  • Le curseur show-temp-map permet de représenter (On) ou non (Off) la température des cellules sur la grille. La couleur rouge pâle indique que la température d’une cellule est chaude, et la couleur rouge foncé indique que la température est froide.
  • Le bouton paint daisies permet d’ajouter ou de supprimer des marguerites manuellement sur la grille. L’utilisateur doit d’abord appuyer sur ce bouton. Ensuite, dans l’onglet paint-daisies-as, l’utilisateur sélectionne add white pour ajouter une marguertie blanche, add black pour ajouter une marguerite noire, ou remove pour supprimer une marguerite. Finalement, pour ajouter une marguerite, il doit faire un clic gauche de sa souris sur une cellule vide de la grille. Pour supprimer une marguerite, il ou elle doit choisir une marguerite sur la grille par un clic gauche de sa souris.
  • Le bouton remove all daisies élimine toutes les marguerites sur la grille.
  • Trois figures sont générées durant une simulation du modèle. La figure Luminosity affiche l’énergie lumineuse émise par le soleil. La figure Global Temperature affiche la température moyenne de toutes les cellules de la grille. La figure Population affiche le nombre de marguerites blanches (en gris) et le nombre de marguerites noires (en noir).
• Laissez les curseurs en place aux valeurs par défaut.
• Appuyez sur le bouton setup.
• Démarrez une simulation du modèle en appuyant sur go.
• Terminez la simulation après environ 400 itérations en appuyant sur go à nouveau.
  • Notez que les itérations sont affichées dans le coin supérieur gauche de la grille sous l’appellation ticks.
• Observez les résultats produits.
  • La luminosité solaire demeure constante à 0.8.
  • La population de marguerites noires croît rapidement (d’environ 150 individus à 800)  au détriment de la population de marguerites blanches (qui chute d’environ 150 individus à 20).
  • Cette croissance va de pair avec une augmentation de la température globale qui passe de 0 °C à environ 40 °C.
  • La population de marguerites noires oscillent alors (entre 400 et 800 individus) en phase avec la température globale (entre 35 °C  et 40 °C). Cette périodicité s’observe sur des cycles d’environ 30 itérations.
  • La population de marguerites blanches continue à décliner jusqu’à sa disparition éventuelle.
  • Les figures produites par votre simulation devraient ressembler à celles-ci :

    

    Notez que ce modèle est stochastique, alors chaque simulation est différente!

    Question 1

    Explorez la dynamique du modèle pour différentes valeurs de luminosité solaire en conservant les valeurs par défaut pour les autres paramètres.

    1. Décrivez comment la température globale et les populations de marguerites blanches et noires varient lorsque solar-luminosity vaut 0,6.
    2. Répétez l’exercice pour une valeur de solar-luminosity égale à 1,0.
    3. Répétez l’exercice pour une valeur de solar-luminosity égale à 1,2.
    4. Répétez l’exercice pour une valeur de solar-luminosity égale à 1,4.
    5. Pouvez trouver une valeur de luminosité solaire pour laquelle aucune marguerite ne peut survivre?

Références

Novak, M. et Wilensky, U. (2006). NetLogo Daisyworld model. Evanston, IL:  Center for Connected Learning and Computer-Based Modeling, Northwestern Institute on Complex Systems, Northwestern University. Repéré à https://ccl.northwestern.edu/netlogo/models/Daisyworld

Watson, A. J. et Lovelock, J. E. (1983). Biological homeostasis of the global environment: the parable of Daisyworld. Tellus B, 35(4). doi: 10.3402/tellusb.v35i4.14616

Wilensky, U. (1999). NetLogo. Evaston, IL:  Center for Connected Learning and Computer-Based Modeling, Northwestern Institute on Complex Systems, Northwestern University. Repéré à https://ccl.northwestern.edu/netlogo/