Chapitre 3 - Le Soleil, une source d'énergie essentielle
Chapitre 3
Le Soleil, une source d’énergie essentielle
L'énergie lumineuse émise par le Soleil chauffe notre planète. Elle est également indispensable à la croissance des végétaux verts.
Les hommes pour subvenir à leurs besoins utilisent de l’énergie dont une partie provient de combustibles fossiles. L’Homme a très tôt exploité l’énergie du vent à l’aide de moulins à vent qui sont les ancêtres des éoliennes qui se développent actuellement et qui servent le plus souvent à souvent à produire de l’électricité. L’énergie hydraulique est elle aussi connue depuis longtemps avec les moulins à eau dont la roue tournait grâce à l’écoulement de l’eau d’un ruisseau. Actuellement les centrales hydroélectriques convertissent l’énergie de l’eau qui s’écoule en énergie électrique.
Problématique : Comment l’énergie solaire atteignant la surface terrestre est-elle utilisée par l’Homme ?
I – La conversion de l’énergie solaire en matière vivante :
1) L'utilisation de la lumière par les végétaux verts :
Activité 12 : L’origine de la matière organique végétale
Établir, à l’aide d’arguments expérimentaux, les grands éléments de bilan de la photosynthèse.
L'énergie solaire est captée par les pigments chlorophylliens des végétaux. Elle permet la transformation de deux molécules minérales :
- le dioxyde de carbone CO2,
- l'eau H2O,
en molécules organiques, dont les glucides (glucose C6H12O6, amidon…). Cette synthèse est accompagnée de la libération de dioxygène O2. C’est la photosynthèse :
6 CO2 + 6 H2O ---lumière---> C6H12O6 + 6 O2
dioxyde de carbone + eau ---lumière---> glucose + dioxygène
En plus des glucides, la plante fabrique des protides, des lipides et des acides nucléiques. Pour cela elle puise des sels minéraux dans le sol grâce à ses racines.
2) La photosynthèse à l'échelle de la planète :
Dans un écosystème, les végétaux sont des producteurs primaires : ils utilisent l’énergie lumineuse pour fabriquer leur matière organique à partir d’éléments minéraux. Les producteurs secondaires utilisent ensuite cette matière organique. On appelle biomasse la quantité totale de matière organique produite par les êtres vivants d’un écosystème.
La photosynthèse permet, à l’échelle de la planète, l’entrée de matière minérale et d’énergie dans la biosphère. Cette énergie est en partie stockée sous forme de biomasse et en partie perdue sous forme de chaleur.
II – Le Soleil à l’origine de ressources énergétiques fossiles :
Activité 13 : Les combustibles fossiles
Manipuler, modéliser, extraire et exploiter des informations, pour comprendre les caractéristiques d’un gisement de combustible fossile (structure, formation, découverte, exploitation).
1) La fossilisation de l’énergie solaire :
La présence de restes organiques d'origine végétale dans les combustibles fossiles montre qu'ils sont issus d'une biomasse. Dans les environnements à forte productivité, une faible partie de la matière organique peut échapper à la décomposition grâce à un enfouissement rapide. Elle se transforme alors très lentement (plusieurs millions d'années) en combustibles fossiles sous l'effet de l'augmentation de température et de pression.
2) L'exploitation des combustibles fossiles et ses implications :
On appelle roche mère la roche sédimentaire dans laquelle les hydrocarbures (pétrole ou gaz) se forment. Ceux-ci ayant une faible densité, ils migrent vers la surface. Ils peuvent être perdus si rien ne les arrête dans leur ascension, ou être conservés s'ils sont stoppés par la rencontre d'une couche imperméable appelée roche couverture. Les hydrocarbures sont alors piégés dans une roche réservoir, la première roche poreuse située sous la couverture.
Les combustibles fossiles se forment, se conservent et sont piégés dans des circonstances géologiques particulières. La connaissance de ces mécanismes, ainsi que les techniques de sismique-réflexion, permet de localiser les gisements. La possibilité d'exploiter un gisement dépend de sa localisation : à ciel ouvert, sous terre ou en mer.
L'exploitation nécessite des moyens techniques onéreux et parfois nuisibles à l'environnement. Elle n'est réalisée que si le gain est supérieur au coût. Un gisement d'hydrocarbures n'est donc pas forcément une réserve utilisable mais il peut le devenir si le prix du pétrole s'envole.
3) Les conséquences de l'utilisation des combustibles fossiles :
L'élément carbone est présent dans différents réservoirs : l'atmosphère, les océans, les roches, les sols et les êtres vivants. Des transferts de carbone se produisent constamment entre ces réservoirs. On nomme ce phénomène le cycle du carbone. L'émission massive de dioxyde de carbone par les activités humaines modifie donc le cycle du carbone.
III – Le Soleil à l’origine de ressources énergétiques renouvelables :
1) L’inégale répartition de l’énergie solaire à la surface de la Terre :
Activité 14 : La mise en mouvement des enveloppes fluides de la Terre
A - Construire une argumentation pour montrer l’inégale répartition de la quantité d’énergie solaire reçue selon la latitude, et ses conséquences.
La Terre reçoit une quantité d'énergie constante en provenance du Soleil. Cependant, sa sphéricité est à l'origine d'une inégale répartition de l'énergie solaire selon la latitude. Une même surface reçoit plus d'énergie à l'équateur qu'aux pôles. Cette répartition est à l'origine des zones climatiques.
2) La mise en mouvement des enveloppes fluides :
Activité 14 : La mise en mouvement des enveloppes fluides de la Terre
B - Expérimenter, modéliser, extraire et exploiter des informations et les mettre en relation pour comprendre l’effet de l’énergie solaire sur un exemple de circulation (atmosphérique ou hydrosphérique).
Les enveloppes externes fluides de la planète Terre, hydrosphère et atmosphère, sont animées de mouvements (courants océaniques et vents). En effet, les zones qui reçoivent le plus d'énergie solaire sont plus chauffées.
Au niveau de l'atmosphère, l'air chaud, moins dense, s'élève. Une dépression (zone de basses pressions) est ainsi créée à la surface. En altitude, l'air se refroidit et devient plus dense. Il redescend, créant un anticyclone (zone de hautes pressions). L'air se déplace horizontalement des zones de haute pression vers les zones de basse pression, donnant naissance aux vents.
Au niveau de l'hydrosphère, les courants océaniques profonds dépendent de différences de température et donc de densité de l'eau.
Les courants océaniques de surface sont dus aux vents qui entraînent l'eau.
L'énergie solaire est également responsable du cycle de l'eau. L'eau s'évapore grâce à la chaleur équatoriale et circule, sous forme de vapeur, grâce aux mouvements atmosphériques. Les précipitations et l'écoulement par gravité permettent le retour de l'eau dans les bassins océaniques.
3) Vent et eau, des sources d'énergie pour l'Homme :
Activité 15: Les énergies renouvelables
Depuis longtemps, les mouvements de l'air et de l'eau constituent des sources d'énergie pour l'Homme :
- l'énergie éolienne (vent) fait tourner les pales des éoliennes,
- l'énergie hydraulique (eau) entraîne les turbines des barrages hydroélectriques.
L'énergie éolienne et l'énergie hydraulique sont des énergies renouvelables car c'est l'énergie solaire qui met en mouvement l'air et l'eau.
Depuis quelques années, la part des énergies renouvelables dans la production d'électricité augmente dans le monde. Leur exploitation peut poser certains problème (ex. : l'énergie éolienne n'est pas disponible en permanence) mais les énergies renouvelables sont inépuisables et permettent de limiter les émissions de CO2 dans l'atmosphère liées à l'usage des combustibles fossiles.
La France dispose d'un important potentiel d'énergie éolienne. Des projets ont pour objectif de mieux exploiter ce gisement énergétique. Ils s'accompagnent de mesures visant à réduire la consommation d'énergie.