Module 3.1 Modélisation du système Terre
Activité 11 Le modèle World3
Figure 1 Résultat d’une simulation avec le modèle World3 de Hayes.
Au cours de l’activité 10, vous avez lu un article du journaliste scientifique Brian Hayes paru dans la revue American Scientist (2012a). Dans le but de comprendre le fonctionnement et les prédictions du modèle World3, Hayes a implémenté une version du modèle. Ce modèle est disponible en ligne (Hayes, 2012b). Il permet d’exécuter des simulations pour tester des hypothèses simples quant à l’utilisation des ressources naturelles non-renouvelables. L’activité 11 porte sur ce modèle implémenté par Hayes.
Le modèle World3 comprend cinq secteurs principaux : la population, l’agriculture, l’industrie, les ressources naturelles, et la pollution. Plusieurs processus lient entre eux ces secteurs et produisent des boucles de rétroactions. Hayes (2012) donnent un aperçu des connections importantes entre les secteurs (voir la figure 2). Cette activité d’exploration permet de mieux saisir comment ces connections influencent la dynamique du modèle sur plusieurs années.
Figure 2 Interactions entre les secteurs principaux du modèle World3. Figure tirée de Hayes (2012).
Consignes
Suivez les consignes suivantes et répondez aux questions 1 à 5. Si vous voulez des indications sur les réponses, vous pouvez contacter votre chargé d’encadrement.
- Ouvrir une fenêtre du navigateur web Google Chrome, Opera ou Safari.
- Le modèle se trouve à l’adresse web : https://bit-player.org/extras/limits/ltg.html
- Hayes fournit plusieurs informations sur le modèle. Lisez le contenu des pages webs suivantes :
- L’interface développée par Hayes suit l’évolution temporelle de plusieurs variables (mais pas toutes) du modèle World3:
- population : la taille de la population humaine
- ressources : la quantité de ressources non-renouvelables
- food per capita : les denrées alimentaires par habitant
- industrial output : la production industrielle
- services output : la production de services
- pollution index : l’indice de pollution
- life expectancy : l’espérance de vie
- birth rate : le taux de naissance
- death rate : le taux de mortalité
- arable land : les terres arables
- land yield : le rendement agricole.
L’évolution temporelle de ces variables est affichée par des couleurs différentes. Par défaut, seules certaines de ces variables sont suivies. Il est possible de choisir la ou les variables que l’on désire voir évoluer par un clique de la souri dans la boîte correspondante.
- Quatre curseurs peuvent être ajustés :
- model duration : la durée de la simulation en année. La valeur par défaut est 200 ans.
- time steps : la résolution temporelle avec laquelle les équations différentielles du modèle sont résolues. La valeur par défaut est 0.5 an. Nous ne modifierons pas la valeur attribuée à ce curseur.
- initial resources mutliplier : La proportion de ressources initiales non-renouvelables. La valeur par défaut est 1.
- output consumed (fraction) : La fraction de la production industrielle qui est consommée. La valeur par défaut est 0.43.
- L’interface contient quatre boutons :
- Run : Permet de rouler la simulation.
- Reset : Élimine le graphique produit par la dernière simulation tout en conservant le choix des variables à afficher.
- Defaults : Élimine le graphique produit par la dernière simulation et initialise les curseurs et le choix des variables à afficher aux valeurs par défaut.
- Run fast : Permet de rouler les simulations plus rapidement, mais l’auteur précise que cette fonction n’est pas adéquate.
- Laissez les curseurs et les variables à afficher aux valeurs par défaut.
- Démarrez une simulation du modèle en appuyant sur Run. La simulation s’échelonne de 1900 à 2100.
- Vous pouvez sauvegarder la figure en la copiant dans un document Word par l’utilisation de l’outil Capture d’écran du système d’exploitation de votre ordinateur. Vous devriez obtenir le même graphique que celui présenté au début de cette activité.
- Observez les résultats produits :
- Les ressources naturelles non-renouvelables chutent abruptement à partir de 1950. Elles se stabilisent à environ 20 % de leur valeur initiale à partir de 2075.
- La chute des ressources entraîne un déclin de la production industrielle qui s’éteint complètement vers 2080.
- Le déclin de la production industrielle entraîne une diminution de la taille de la population.
- Vous allez maintenant rouler une simulation en considérant qu’il y a initialement deux fois plus de ressources naturelles non-renouvelables. Cette hypothèse peut refléter, par exemple, une amélioration des technologies permettant une extraction plus efficace des ressources naturelles. Vous devez modifier la valeur des curseurs suivants :
- model duration = 500
- initial resources multiplier = 2
Roulez la simulation en appuyant sur le bouton Run.
Notez que comme l’explique Hayes sur son blog, la courbe des ressources naturelles non-renouvelables représente la fraction des ressources restantes par rapport à la quantité initiale. Ainsi cette courbe débute toujours à la même valeur (1) même lorsque la proportion de ressources initiales est différente de 1.Question 1
Décrivez les résultats obtenus avec cette simulation en les comparant à la simulation produite avec les paramètres par défaut.
- Est-ce que la production industrielle peut être maintenue grâce à cette augmentation des ressources naturelles?
- L’abondance des ressources naturelles produit une augmentation plus importante de la production industrielle jusqu’en 2025. Quel est l’effet néfaste de cette augmentation?
- Quel est l’effet de la pollution sur l’espérance de vie?
- Vous allez explorer la dynamique du modèle en considérant qu’il y a initialement 32 fois plus de ressources naturelles non-renouvelables. Vous devez modifier la valeur des curseurs suivants :
- model duration = 500
- initial resources multiplier = 32
Roulez la simulation en appuyant sur le bouton Run.
Question 2
Décrivez les résultats obtenus avec cette simulation.
- Est-ce que la production industrielle peut être maintenue grâce à cette augmentation des ressources naturelles?
- Quel patron observez-vous dans l’évolution temporelle des variables principales?
- Quelles sont les variables qui oscillent en phase?
- Est-ce que ce scénario prédit des conditions futures souhaitables pour la population humaine ?
- Explorez maintenant le scénario pour lequel la fraction consommée de la production industrielle est réduite. Comme l’explique Hayes, la fraction qui n’est pas consommée est réinvestie dans l’agriculture, l’industrie, et l’extraction des ressources.
- Appuyez sur le bouton Defaults pour remettre les curseurs à leur valeur par défaut, puis modifiez la valeur des curseurs suivants :
- model duration = 500
- output consumed (fraction) = 0.35
Notez que le curseur output consumed est plus difficile à ajuster à la valeur désirée.
Roulez la simulation en appuyant sur le bouton Run.Question 3
Décrivez les résultats obtenus avec cette simulation.
- Est-ce que la production industrielle peut être maintenue grâce à cette diminution de la consommation?
- Pourquoi ce scénario est contre intuitif?
- Explorez le scénario pour lequel il y a une augmentation de la fraction de la production industrielle qui est consommée. Vous devez modifier la valeur des curseurs suivants :
- model duration = 500
- output consumed (fraction) = 0.51
Roulez la simulation en appuyant sur le bouton Run.
Question 4
Décrivez les résultats obtenus avec cette simulation.
- Est-ce que la production industrielle peut être maintenue grâce à cette augmentation de la consommation?
- Décrivez le comportement temporel des ressources non-renouvelables et de la population ?
- Vous allez maintenant explorer l’effet combiné d’une modification de la fraction de la production industrielle consommée et d’une modification de la proportion initiale de ressources non-renouvelables.
Question 5
Modifiez la valeur des curseurs initial resources multiplier et output consumed (fraction) dans le but de trouver un scénario pour lequel la production industrielle est maintenue et stable, et le taux de décroissance des ressources naturelles est faible. Fournir les valeurs trouvées et justifiez votre réponse.