Séquence 6. Le soleil : une source d énergie essentielle

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1 Séquence 6 Le soleil : une source d énergie essentielle Sommaire 1. Le soleil, source d énergie pour la biosphère 2. Le soleil, à l origine de ressources énergétiques «fossiles» 3. Le soleil, à l origine de ressources énergétiques renouvelables 4. Synthèse de la séquence 5. Exercices 1

2 1 Le soleil, source d énergie pour la biosphère Pour s interroger Nous avons vu dans le chapitre 1 de la séquence 3 que les astres qui orbitent autour du soleil reçoivent des rayonnements solaires et que la quantité de rayonnements reçue par chacun dépend de sa distance au soleil. Ainsi la Terre qui est située à 150 millions de kilomètres du soleil reçoit en permanence une puissance de 170 millions de gigawatt (Giga signifie milliard = 10 9 ). Sur les 170 millions de GW (gigawatts) reçus, la Terre en réfléchit 48 et en absorbe 122. Les rayonnements solaires absorbés apportent lumière et chaleur à la surface de la Terre. Des questions Que devient l énergie solaire atteignant la surface terrestre? Quelles actions l énergie solaire exerce-t-elle sur Terre? Ce que nous savons Pour se nourrir, pour assurer leur croissance et leur fonctionnement, les végétaux chlorophylliens n ont besoin que de matières minérales : eau, sels minéraux, dioxyde de carbone, mais ils ne peuvent produire leur matière qu en présence de lumière émise par le soleil. Cette production de matière dépendante du soleil constitue la photosynthèse. Activité 1 Communiquer en utilisant les modes de représentation des sciences expérimentales : représenter des informations sous forme d un schéma À partir des connaissances, compléter le schéma suivant pour présenter les besoins nutritifs des végétaux chlorophylliens. Document 1 À compléter Comment se déroule la photosynthèse : conversion de l énergie solaire en matière vivante? Quelle est l importance de la photosynthèse à l échelle du végétal et de la biosphère? 3

3 A La conversion de l énergie solaire en matière vivante par photosynthèse Dans quelles conditions se déroule la photosynthèse, quels sont les produits de la photosynthèse? 1. Les conditions de la photosynthèse Activité 2 Questions Raisonner : rechercher, extraire, organiser des données en relation avec le problème posé Par la mise en relation des deux documents, montrer que le soleil permet une production de matière par la plante, déterminer le lieu de cette production et la nature de la matière produite. Aide Expliquer l intérêt du protocole expérimental. Que représente la masse mesurée? Exploiter les données du document 1 (avec des valeurs chiffrées) pour montrer la nécessité de l énergie solaire dans la production de matière vivante. À partir du document 2, définir les conditions de l expérience (ce que l on mesure, quel est le paramètre variable). À partir du document 2, déduire le lieu de réalisation de la photosynthèse, et la nature de la matière produite. Mettre en relation l ensemble des informations, notamment le lieu de la photosynthèse et l exposition au soleil. Document 2 Un pied de Pélargonium, dont la moitié des feuilles ont été enfermées dans un cache noir, est placé au soleil pendant 10 heures. À l aide d un emporte pièce, on découpe le même nombre de rondelles dans les feuilles laissées au soleil et celles placées à l obscurité. On a également réalisé des rondelles témoins au temps 0 de l expérience. On place alors ces rondelles à l étuve à 100 C jusqu à déshydratation complète. On mesure ensuite la masse de matière sèche végétale obtenue. Les résultats ci-après ont été obtenus avec 200 rondelles de chaque. Tableau des résultats : Masse (en g) Rondelles témoins 0.15 Rondelles de feuille placées au soleil 0.21 Rondelles de feuille placées à l obscurité

4 Document 3 Feuille et synthèse Les Doryphores (insectes coléoptères) se nourrissent de feuilles de pommes de terre, à l état larvaire, comme à l état adulte. Leur prolificité (= fécondité plus ou moins grande d un être vivant ou d une espèce) est telle qu en quelques semaines, ils peuvent dévorer toutes les feuilles d un champ. Les Pommes de terre forment des organes de réserves, les tubercules, essentiellement constitués d amidon. Les données ci-dessous présentent les résultats de récoltes de tubercules obtenues par deux pieds de la même espèce cultivés dans des conditions climatiques identiques. Des Doryphore ont mangé les feuilles de l un des pieds. À retenir La synthèse de matière organique par exemple l amidon = glucide, se déroule dans les feuilles chlorophylliennes des végétaux, exposées à la lumière à partir de l énergie solaire. Cette synthèse qui dépend de la lumière se nomme la photosynthèse. Sans Doryphore Avec Doryphore Nombre de tubercules Taille moyenne en mm Masse moyenne en g Dans quelles conditions se déroule cette synthèse dépendante de la lumière? Activité 3 Questions Raisonner : rechercher, extraire, organiser des données en relation avec le problème posé. Communiquer en utilisant les modes de représentation des sciences expérimentales : représenter des informations sous forme d un tableau Concevoir un protocole expérimental pour déterminer toutes les conditions nécessaires à la réalisation de la photosynthèse. La réponse est à présenter dans le tableau proposé. Dans une expérience ; on précise ce que l on mesure, dans quelles conditions, et on ne fait varier qu un seul facteur à la fois. À partir des connaissances et de la question précédente, proposer une équation chimique simple de la photosynthèse à partir des formules chimiques suivantes : CO 2, H 2 O, O 2, C 6 H 12 O 6 (= glucose= un élément de l amidon, qui est un assemblage de plusieurs glucoses) 5

5 Matériel à disposition : feuille de pélargonium vert ; feuille de pélargonium avec des parties non chlorophylliennes ; enceinte pouvant créer une atmosphère dépourvue de CO 2 ; cache noir ; lampe ; dispositif permettant de décolorer les feuilles (elles deviennent blanches) de façon à visualiser les réactions avec le réactif coloré ; réactif colorée = lugol, qui réagit en présence d amidon, par une coloration violette. Dispositif expérimental Test à l eau iodée pour montrer la Résultats Interprétations À retenir Le soleil permet la photosynthèse : La lumière solaire est convertie en énergie chimique utilisable pour produire de la matière organique, dans les parties chlorophylliennes des végétaux. La production des molécules organiques (constituées d au moins d atomes de carbone, d oxygène et d hydrogène) s effectue à partir de molécules de dioxyde carbone et d eau. La photosynthèse permet la synthèse (= fabrication) de nombreuses molécules organiques différentes (glucides, protéines, lipides), en utilisant aussi les éléments minéraux du sol (phosphore, l azote ) (Voir exercice). La photosynthèse est la production de molécules organiques, à partir de matière minérale, grâce à l énergie solaire. Cette production s accompagne d un rejet de dioxygène. eau + molécules minérales molécules organiques + dioxygène H 2 O + CO 2 + (N, P,.) C, H, O, N + O 2 6

6 Activité 4 Document 4 Communiquer en utilisant les modes de représentation des sciences expérimentales Compléter le document 4 à partir des connaissances production matière organique La photosynthèse est une production de matière vivante. 2. La photosynthèse est une production de matière vivante, nécessaire au fonctionnement des végétaux Activité 5 Questions La vie est-elle possible pour les végétaux sans lumière? Raisonner : rechercher, extraire, organiser des données en relation avec le problème posé Exploiter les documents proposés pour montrer que la photosynthèse est nécessaire au fonctionnement des végétaux et qu elle permet la production de matière vivante. On réalise des cultures d euglènes (algues vertes unicellulaires) dans différentes conditions, durant 48 h. Les algues sont placés pour le lot A dans un milieu nutritif contenant des ions minéraux et placées à l obscurité, pour le lot B, dans le même milieu nutritif mais à l obscurité. Définir les conditions de l expérience (ce qui est mesuré, les facteurs constants, le facteur variable). Émettre une hypothèse pouvant expliquer l aspect des deux lots à la fin de l expérience. 7

7 Présenter les résultats obtenus sous forme d un tableau, en exprimant la quantité de cellules par microlitre. (Compter les euglènes visibles au microscope dans au moins 5 carrés et faites la moyenne. En déduire le nombre d euglènes présentes dans un μl.) Émettre une critique quant à ces résultats. Interpréter les résultats pour répondre au problème posé. Document 5 Le tableau présente les résultats de l expérience Matériel biologique Composition du milieu de culture Aspect au début de l expérience (t0) Aspect à la fin de l expérience (t h) Suspension d euglènes Lot A Eau + ions minéraux à la lumière Vert clair Vert foncé Suspension d euglènes Lot B Eau + ions minéraux à l obscurité Vert clair Vert clair Pour préciser les résultats des expériences, on peut évaluer le nombre de cellules d euglènes par millilitre de milieu de culture en les observant au microscope sur une lame spécialement conçue pour pouvoir les compter : la lame de Kova. (Voir le principe dans la séquence chapitre C) Rappel Le volume total d une grille est de 1 μl ou 1 mm 3.Une grille est constituée de 9 grands carrés. Chaque grand carré est divisé en 9 petits carrés. Chaque grand carré contient donc 1/9 μl. Chaque petit carré contient 1/81 μl. Document 6 Lot A début de l expérience Lot A la fin de l expérience Lot B début de l expérience Lot B fin de l expérience À retenir La photosynthèse assure la conversion de l énergie solaire en énergie utilisable par les végétaux, pour réaliser leurs activités cellulaires (comme la division par exemple) et pour produire leur matière organique. (Les molécules organiques peuvent être dégradées au cours de la respiration pour fabriquer de l énergie nécessaire à la réalisation des activités cellulaires ou être utilisés pour la constitution des végétaux.) La photosynthèse permet donc la production de matière vivante. 8

8 3. La photosynthèse est une production de matière vivante, nécessaire pour la biosphère Les végétaux réalisent la photosynthèse à partir de l énergie solaire. Pour s interroger La chlorophylle, pigment photosynthétique sous haute surveillance Actuellement, les scientifiques sont en mesure d évaluer le fonctionnement de la biosphère grâce à la télédétection, en mesurant notamment la concentration de chlorophylle (pigment photosynthétique) par unité de surface. Quel est le rôle de la photosynthèse dans le fonctionnement de la biosphère? Comment quantifier son impact? Activité 6 Objectif Questions Raisonner : rechercher, extraire, organiser des données en relation avec le problème posé, proposer des hypothèses Utiliser des modes de représentations scientifiques On veut montrer que la photosynthèse permet le fonctionnement de toute la biosphère et que l on peut mesurer ses effets. A partir du document 7, identifier le rôle des végétaux au niveau du réseau trophique de l écosystème. Pourquoi peut-on les qualifier de producteurs primaires? Document 7 Une partie du réseau trophique au sein d un écosystème forestier. (Légende : x y = x mangé par y) buse renard lapin arbres, herbe cerf 9

9 A partir du document 8, calculer les biomasses totales animales et végétales. Déterminer le pourcentage de la biomasse animale et celui de la biomasse végétale par rapport à la biomasse totale. Définition : La biomasse est la quantité de matière vivante dans un écosystème, c est-à-dire la masse totale des organismes dans un écosystème. Document 8 Quantité de biomasse (en tonnes) dans l écosystème forêt Utiliser le document 9 pour déterminer quels sont les processus biologiques qui entrainent une fuite de matière et d énergie au niveau de réseau trophique. Calculer le pourcentage de matière organique dégradée par respiration chez un Cerf, par rapport à la quantité de matière organique ingérée. (document 9) Document 9 Le devenir de la matière dans un écosystème La matière organique produite au cours de la photosynthèse par les végétaux ou ingérés par les animaux, est en partie dégradée au cours de la respiration, pour produire de l énergie nécessaire au fonctionnement de l organisme. Par exemple pour un cerf, pour 500 g d herbe consommée, 5 g sert à la croissance de l animal, 320 g sont dégradés par la respiration,175 g sont rejetés dans les excréments.. Par ailleurs, une autre partie de la matière, à la mort de l organisme, échappe à la chaine alimentaire pour être dégrader en matière minérale (au cours de la respiration) par les décomposeurs. (Animaux, et bactéries du sol = faune du sol) 10

10 Montrer qu il existe ainsi un flux c est-à-dire un transfert de matière et d énergie au sein de l écosystème entre les différents niveaux de l écosystème, en complétant le schéma proposé. Aide pour compléter le schéma Aide pour compléter le schéma : Compléter les cases représentant les niveaux de l écosystème à l aide du document 7. Indiquer à l endroit qui convient les pertes par respiration. Représenter par des flèches : Le transfert de matière et d énergie entre les différents niveaux de l écosystème. Le devenir de la matière organique morte dans le fonctionnent de l écosystème. Remarque : Ne pas oublier la légende. Ecrire un titre. Document 10 Le devenir de l énergie dans un écosystème exemple la forêt Energie solaire D EC O M PO Matière minérale Producteurs primaires = S E U R S Producteurs primaires = Les végétaux chlorophylliens n utilisent qu une infime partie de l énergie solaire reçue environ 1%. L énergie solaire utilisée au cours de la photosynthèse permet la production de matières organiques. Les scientifiques quantifient cette production de matières organiques par unité de surface et par unité de temps et définissent ainsi la productivité primaire brute= (PPB). Une partie de La matière organique fabriquée par les végétaux leur permet de produire de l énergie par respiration, nécessaire à leur fonctionnement. Ainsi les scientifiques prennent en compte cette perte et définissent la productivité primaire nette. La productivité nette est égale à la productivité primaire brute moins la matière organique dégradée par respiration. PPN = PPB - R 11

11 Utiliser l ensemble des données de télédétection ainsi que vos connaissances pour montrer l importance de l énergie solaire dans le fonctionnement de la biosphère. Pour cela, vous devez utiliser des données de télédétections. Ces données sont disponibles sous forme de fichiers à télécharger dans le site des «Ressouces associées». Télécharger ces fichiers sur votre ordinateur. ISF ( indice de surface foliaire), PPN(productivité primaire nette) RN (radiation nette). Ouvrir ces fichiers avec Google Earth. Les données de télédétections étudiées ici sont : L indice de surface foliaire qui se définit comme étant la moitié de la surface totale occupée par les feuilles (les deux côtés de la feuille), par unité de surface au sol. La productivité primaire nette, définie précédemment, ici exprimée en quantité de carbone en gramme (contenu dans les molécules organiques) par unité de temps par jour. La radiation nette correspond à la quantité d énergie solaire reçue par la terre retranchée de l énergie réfléchie par la surface de la planète. La radiation nette = RN se mesure en Watt.m 2 Aide à la réalisation Décrire l évolution de l indice foliaire en fonction de la latitude, indiquer un lieu où l indice est le plus élevé en précisant sa valeur, et un lieu où l indice est le plus faible, en précisant sa valeur. Décrire l évolution de la productivité primaire nette en fonction de la latitude, en donnant des valeurs chiffrés significatives. Mettre en relation ces données avec les données précédentes, c est à dire établir une relation de cause à effet entre la répartition de la productivité primaire nette et l indice foliaire. Proposer une hypothèse pour expliquer l inégale répartition de la productivité primaire à la surface du globe à l aide des connaissances relatives aux conditions de la photosynthèse. Exploiter les données concernant la radiation nette pour confirmer ou non l hypothèse posée. Cette exploitation doit être précise avec des valeurs chiffrées. Rédiger une courte conclusion pour répondre au problème posé. 12

12 À retenir Dans un écosystème, il existe de nombreuses interrelations et notamment des relations trophiques. Les végétaux chlorophylliens sont à la base de tout réseau trophique. Les végétaux permettent l entrée de la matière et de l énergie dans l écosystème, grâce à la photosynthèse. Ils fabriquent de la matière organique au cours de la photosynthèse à partir de l énergie solaire reçue et constitue ainsi la biomasse. Les végétaux chlorophylliens n utilisent qu une infime partie de l énergie solaire reçue environ 1%. L énergie solaire utilisée au cours de la photosynthèse permet la production de matières organiques. Les scientifiques quantifient cette production de matières organiques par unité de surface et par unité de temps et définissent ainsi la productivité primaire brute= (PPB). La matière et l énergie sont transférées le long du réseau trophique, avec une transformation progressive à chaque niveau de la matière organique par respiration et au cours de la décomposition en matière minérale. La matière organique dégradée par respiration échappe ainsi au transfert de matière dans l écosystème. Ainsi on définit la productivité primaire nette, qui représente le transfert réel de matière et d énergie au sien d un écosystème. La productivité nette est égale à la productivité primaire brute moins la matière organique dégradée par respiration. PPN = PPB - R La biosphère est l ensemble de tous les écosystèmes de la planète et présentent une productivité primaire plus ou moins forte en fonction de l énergie solaire reçue. L infime quantité d énergie solaire transformée en énergie chimique (1 % de l énergie solaire reçue) au cours de la photosynthèse conditionne le fonctionnement de toute la biosphère, en fournissant matière et énergie à la biosphère. À savoir définir : production primaire, biomasse, productivité primaire nette 13

13 B Les utilisations de la photosynthèse par l homme La photosynthèse est à l origine du fonctionnement de tous les écosystèmes et nous, humains, utilisons à notre profit la matière végétale produite grâce à la photosynthèse. Quelles utilisations l Homme fait-il des produits de la photosynthèse? 1. La photosynthèse, source de nourriture pour l humanité Nous, humains, nous nourrissons directement grâce à la photosynthèse lorsque nous mangeons des céréales (blé, riz, maïs, ), des algues, des fruits ou des légumes. Cette vache se nourrit de l herbe produite par photosynthèse. Lorsque nous mangeons sa viande ou des produits fabriqués à partir de son lait, nous nous nourrissons donc toujours grâce à la photosynthèse, mais de manière indirecte cette fois! La photosynthèse est source de nourriture pour l humanité, qui cultive des plantes dans le but de les consommer depuis environ ans (invention de l agriculture). Ainsi, en cultivant des végétaux chlorophylliens pour sa nourriture et celle de son bétail, l homme exploite la photosynthèse à son profit. 14

14 Quelle est l importance de la biomasse utilisée par l Homme? Ne sert-elle qu à nous nourrir? Document 12 La production de biomasse végétale dans les différents milieux continentaux et son exploitation par l Homme La biomasse (définition dans l activité 6) est mesurée en gigatonnes (Gt) de matière sèche. Le préfixe Giga signifie milliard (10 9 ). Type de surface continentale Production annuelle de biomasse Production annuelle de biomasse exploitée par l Homme Cultures 12 5,9 Pâturages 24 2,2 Forêts 72 4,7 Autres (sol sans végétation, steppes) 12 0 Document 13 Les usages de la biomasse végétale exploitée par l Homme Autres usages industriels Production d énergie 17,97 % 34,37 % 47,66 % Alimentation Activité 7 Questions Raisonner : extraire données en relation avec le problème posé Calculer, à partir du tableau du document 12 quel pourcentage de la biomasse produite sur les continents est exploitée par l Homme. 15

15 Trouver, dans le document 13 quelle part de la biomasse végétale exploitée sert à l alimentation humaine. Calculer alors quelle part (pourcentage) de la biomasse produite sert à l alimentation humaine. Quelles sont les ressources naturelles nécessaires pour pratiquer l agriculture et obtenir cette biomasse végétale qui nous nourrit? Nous avons précédemment vu que la réalisation de la photosynthèse nécessite de l eau. Les végétaux chlorophylliens trouvent l eau dont ils ont besoin dans la terre où ils sont ancrés par leurs racines. L agriculture nécessite donc deux ressources naturelles : l eau et des sols cultivables. Une première ressource naturelle nécessaire à l agriculture : l eau L agriculture est le secteur d activité qui utilise le plus d eau à l échelle mondiale : plus de 70 % de l eau consommée sert à la production agricole. 20 % des terres agricoles sont irriguées. Document 14 Irrigation d une culture par aspersion L irrigation est un apport artificiel d eau aux cultures en vue d augmenter la production végétale ou tout simplement de permettre le développement normal des plantes en cas de déficit en eau (sécheresse). Pour avoir une idée des besoins en eau, citons ces deux chiffres : la production de 1 kg de blé nécessite 1500 litres d eau et celle de 1 kg de riz 4500 litres! Cned. Document 15 Les ressources en eau dans le monde Amérique du Nord et Amérique centrale Amérique du Sud Europe Afrique Asie Australie et Océanie < Pourcentage LÉGENDE Pourcentage des réserves d'eau mondiales Pourcentage de la population mondiale 16

16 Activité 8 Question Raisonner : rechercher des données en relation avec le problème posé, adopter une démarche explicative Utiliser le document pour montrer que l eau est une ressource très inégalement répartie dans le monde. Pour cela, vous pouvez calculer, pour chaque région, le rapport entre la ressource en eau et la population. L eau ne suffit pas pour faire pousser des plantes cultivées. Elles poussent sur de la terre qui fait partie de ce que l on nomme le sol, mais toutes les surfaces terrestres ne peuvent pas être utilisées pour cultiver des plantes : seuls certains sols sont cultivables. Une seconde ressource naturelle nécessaire à l agriculture : les sols cultivables (ou sols arables) Quelle superficie de sols cultivables y a-t-il sur Terre? À quelle condition un sol est-il cultivable? Les terres émergées représentent 30 % de la surface terrestre contre 70 % pour les océans. Document 16 L occupation actuelle des terres émergées Type d occupation de la surface Superficie en milliards d hectares Terres cultivées (cultures et plantations) 1,5 Pâturages (prés, savanes) 3,4 Forêts, zones boisées 3,9 Autres (déserts, lacs, villes, ) 4,5 Activité 9 Questions Raisonner : rechercher des données en relation avec le problème posé Utiliser le document 16 pour déterminer la superficie totale des terres émergées puis calculer quel pourcentage de cette surface est actuellement cultivé. Sachant qu il y a 6 milliards d humains sur Terre, déterminer quelle surface cultivable est disponible par habitant Sachant qu il y a de l ordre de 1,1 milliard d hectares de surface cultivable actuellement non cultivée (sans toucher aux forêts), déterminer quel pourcentage de la surface des continents est cultivable. Les surfaces actuellement cultivées sont inégalement réparties dans le monde : 40 % sont situées dans les pays développés et 60 % dans les pays en voie de développement. 17

17 Des surfaces cultivables mais qui pourraient l être ne sont pas encore cultivées, mais 75 % de la surface continentale n est pas cultivable du tout! Il s agit des milieux trop secs, trop humides, trop salés, des zones en pente trop forte, des sols trop minces, trop pauvres en matière nutritives. Donc tous les sols ne sont pas cultivables, loin de là! Les sols cultivables sont en quantité limitée sur Terre. La séquence 7 de votre cours vous en dira plus sur les sols et les menaces qui pèsent sur eux. Nous avons pu voir dans le document 13 que la biomasse végétale ne sert pas seulement à nourrir les humains mais qu elle a aussi des usages industriels (par exemple la production de papier à partir du bois) et qu elle sert même à produire de l énergie! Certaines productions végétales sont en effet à l origine de combustibles susceptibles de remplacer le pétrole. On appelle ces combustibles des agro carburants. Que sont exactement les agro carburants? Sont-ils une alternative à l utilisation de pétrole? 2. La photosynthèse, source d agro carburants Document 16 Les agro carburants ou biocarburants sont des carburants d origine agricole, c est-à-dire produits à partir de végétaux cultivés. Plusieurs types de végétaux peuvent être source de biocarburants : des végétaux riches en huile (colza, palme, soja), riches en amidon (maïs, blé), riches en sucre (betterave, canne à sucre). Ils permettent de produire une source d énergie liquide (bioéthanol) qui est mélangée à de l essence pour voitures ou du gaz (biogaz). La combustion des agro carburants à la place de pétrole permet de réduire les émissions de gaz à effet de serre (GES) de 30 à 50 %. Cependant, ce chiffre intéressant dans le cadre de la réduction des émissions de GES, ne tient pas compte du fait que, dans de nombreux pays, la culture des végétaux «sources» d agro carburants est faite sur des terres cultivables créées par déforestation. Or la déforestation conduit à la libération d importantes quantités de GES et provoque, en plus, la destruction l habitat de nombreuses espèces. De plus, les cultures qui visent à produire des agro carburants sont en concurrence avec la production de végétaux destinés à l alimentation, car les terres cultivables ne sont pas extensibles! Cela a eu pour conséquence l augmentation très forte de certains prix alimentaires, ce qui a déjà donné lieu à des émeutes dans une trentaine de pays. 18

18 Chaque étape de la production d agro carburants nécessite de l énergie : la fabrication d engrais et de pesticides pour les cultures, le fonctionnement des machines agricoles, le transport des végétaux des champs aux usines de transformation, le fonctionnement des usines de production d agro carburant. Des estimations «d efficacité énergétique», c est-à-dire le rapport entre l énergie disponible et celle qu il a fallu utiliser pour la production, ont donc été faites. Il en ressort que l efficacité énergétique de l agro carburant obtenu à partir de la canne à sucre brésilienne est de 5,82, celle l agro carburant obtenu à partir de la betterave de 1,25 et celle de l agro carburant produit à partir de maïs est inférieure à 1. De nouveaux agro carburants dits de seconde génération sont à l étude. Ils sont produits à partir de la cellulose qui est une molécule présente dans tous les végétaux. Ils peuvent donc être fabriqués à partir de végétaux non alimentaires (bois, algues), ou bien à partir des parties des plantes alimentaire qui ne sont pas consommées (paille). Des recherches sont actuellement en cours sur des végétaux non encore exploités et qui auraient un rendement énergétique trois fois supérieur au blé. Parmi ces végétaux, certaines espèces d algues microscopiques semblent, à ce jour, particulièrement prometteuses. Activité 10 Questions Raisonner : extraire des informations d un document, mettre en relation des informations Lister les arguments qui font que le bilan des agro carburants n est actuellement pas satisfaisant. Expliquer en quoi les agro carburants de seconde génération apportent une réponse à certains problèmes posés par les agro carburants actuellement produits. À retenir Le soleil est la source d énergie qui permet la production de biomasse végétale. Celle-ci est source de nourriture pour les humains et leur bétail mais également, depuis quelques années, source de carburants. L agriculture est en concurrence avec la nature puisque certains écosystèmes naturels sont détruits pour faire place à des «agrosystèmes», et au sein de l agriculture, production d aliments et d agro carburants sont en concurrence! La population humaine a triplé au XX e siècle. Elle augmente de 1,7 % par an : d ici il devrait y avoir 9 milliard d humains sur Terre soit 30 % de plus qu aujourd hui! Cela nécessite, d ici de doubler la production agricole mondiale. La responsabilité humaine est engagée sur les questions fondamentales de gestion des ressources agricoles. Les humains doivent être capables de couvrir leurs besoins alimentaires et énergétiques tout en préservant leur environnement. C est un enjeu de société que de mettre en œuvre une gestion durable des ressources. 19

19 2 Le soleil, à l origine de ressources énergétiques «fossiles» Les hommes pour subvenir à leurs besoins utilisent de l énergie. Une partie de cette énergie provient de combustibles fossiles, il s agit de l énergie solaire intégrée aux molécules végétales au cours de la photosynthèse, il y a plusieurs centaines de millions d annés. L exploitation de ces ressources limitées, impose une gestion des ressources et des questions de développement durable Comment se forme un combustible fossile? Comment envisager le devenir des combustibles fossiles dans la problématique énergétique mondiale et dans la perspective d un développement durable? A L origine biologique du pétrole Pour s interroger Les textes anciens permettent d affirmer que le pétrole brut est connu depuis la plus haute antiquité. Employé autrefois comme lubrifiant, imperméabilisant, insecticide, médicament Il n est devenu un grand produit industriel qu au milieu du XIX e siècle. Des questions Comment montrer l origine biologique du pétrole? Les alchimistes du moyen-âge ont d abord considéré le pétrole comme issu de la condensation du mercure et du soufre, ainsi le pétrole fut considéré jusqu à la fin du XIX e siècle comme un produit sans rapport avec les êtres vivants du passé. Depuis cette époque, les découvertes en biochimie et en géochimie pont permis de déterminer l origine (biologique) du pétrole. Activité 1 Rechercher, extraire, organiser des données en relation avec le problème posé À partir des documents proposés et des connaissances, montrer que le pétrole est d origine biologique. 20

20 Questions Utiliser les données du document 1, pour montrer que le pétrole est constitué de molécules organiques. Comparer la structure des molécules (= hydrocarbures) trouvées dans le pétrole et celle des molécules biologiques proposées. Schématiser le devenir d une molécule de chlorophylle lors de la maturation qui l a conduite aux hydrocabures. Indiquer l origine du carbone des pétroles. Document 1 Composition chimique élémentaire du pétrole Éléments chimiques Quantité (en % de la masse) C 82 à 86.5 H 10 à 13.6 O 0.01 à 3.5 N 0.03 à 1.20 S 0.06 à 5.50 Document 2 Structures de molécules (= hydrocarbures) trouvées dans les pétroles Porphyrine de vanadium (très fréquente dans les pétroles) Phytone Carbone Hydrogène Liaison chimique Azote Document 3 Structures de quelques molécules constitutives du vivant Liaison chimique Carbone Hydrogène Magnésium Oxygène Azote Chlorophyle a 21

21 À retenir La présence de restes organiques dans les pétroles montre qu ils sont issus d êtres vivants chlorophylliens, donc dépend de la photosynthèse. L ensemble des molécules dérivées du pétrole sont appelés des hydrocarbures. Les molécules constitutives du pétrole sont des molécules carbonées constituées de carbone et d hydrogène = hydrocarbures, elles proviennent de transformations chimiques des molécules organiques constitutives des êtres vivants. La matière organique produite par photosynthèse dans un écosystème, peut être transformée dans certaines conditions en combustibles fossiles. Dans quelles conditions se fossilise la biomasse? B Les conditions de fossilisation de la biomasse = formation et gisement du pétrole 1. De la biomasse au pétrole La matière organique d un écosystème est très rapidement dégradée sous l action des décomposeurs, mais une partie peut échapper à l action des décomposeurs dans certaines conditions, si elle est piégée dans des sédiments qui se déposent au fond des océans. Activité 2 Raisonner : rechercher, extraire, organiser des données en relation avec le problème posé. On recherche les facteurs contribuant à la fuite de l action des décomposeurs et à la fossilisation de la biomasse. Questions Utiliser le document 4 pour déterminer le facteur contribuant à l accumulation de carbone organique dans les sédiments. À partir du document 5, déterminer le devenir des particules organiques au cours du temps. 22

22 Document 4 Tableau de comparaison entre la quantité de carbone organique produite et celle accumulée dans les sédiments dans les océans et dans les zones côtières (en g de carbone organique. m -2.an -1 ) Productivité primaire Carbone organique accumulé dans les sédiments Océans Zones côtières Entre 150 et 250 Entre 3 et 13 Document 5 Devenir des particules organiques et détritiques dans les bassins sédimentaires À retenir La transformation de la matière organique en combustible fossile se déroule dans des conditions particulières nécessitant une forte productivité primaire, un enfouissement à forte profondeur pour échapper à la décomposition de la matière organique en matière minérale par les décomposeurs microbiens. (Moins de 1 % de la matière organique produite échappe ainsi à la décomposition et au recyclage.) L enfoncement du fond du bassin sédimentaire se nomme la subsidence. Ce processus est en autres en relation avec le poids des formations sédimentaires qui s accumulent au cours du temps. Remarque La décomposition de la matière organique est très importante en milieu continentale où l air contient 21 % d oxygène, c est la raison pour laquelle les sédiments marins et lacustres sont seuls susceptibles de contenir des gisements de pétrole. Cela se déroule lorsqu une biomasse est ensevelie rapidement sous de fortes quantités de sédiments. La matière organique retrouve dans des conditions anaérobies (sans oxygène) et de ce fait soustraite à l action des décomposeurs. 23

23 Pour en savoir un peu plus D autres facteurs interviennent dans ces processus, notamment un milieu fermé et peu oxygéné. ces conditions se rencontrent actuellement dans des lagunes, deltas, mer fermée type mer rouge, dans les tourbières La nature de sédiments détritiques (sable, argile, vase ) conditionne aussi l enfouissement Certaines contraintes tectoniques favorisent aussi l enfoncement des formations sédimentaires.(voir exercice) Ces différents facteurs sont l objet d étude de différents domaines de la géologie impliquant différents spécialistes. Pour s interroger Dans un bassin sédimentaire, les dépôts de nouvelles couches de sédiments se poursuit pendant des millions d années, voire des dizaines de millions d années. La permanence de ce bassin implique son enfoncement au cours du temps. Activité 3 Document 6 Dans quelles conditions se déroule la transformation de la matière organique piégée dans des sédiments en pétrole en profondeur? La maturation de la biomasse en pétrole À partir du document 6, identifier les conditions contribuant à la transformation de la matière organique piégée, en combustible fossile. La réponse doit être justifiée par des valeurs chiffrées. La maturation de la biomasse en pétrole 0 1 proportion relative en constituants (en %) matière organique (CHON) dégradation biochimique kérogène (ch) 2 3 huile (CH) dégradation thermique 4 gaz (CH) résidus 5 profondeur (en km) et température croissante 24

24 La biomasse qui a échappé à l action des décomposeurs s enfonce en profondeur. Une dégradation biochimique commence, conduisant à la formation de matière organique appauvrie en oxygène (O) et azote (N), le kérogène. La température augmente lors de l enfoncement de 3 tous les 100 m en moyenne. (La température en surface est autour de 14 C). La pression augmente aussi au fur et à mesure de l enfoncement. Cet enfouissement va conduire d une part à une transformation progressive des sédiments en roches, et d autre part, à la dégradation thermique du kérogène en pétrole, mélange d huile et gaz. Cette dégradation correspond à un enrichissement en carbone et une élimination des éléments O, H et N (volatils) sous forme de gaz (H 2 O, CO 2, CH 4, N 2 ). À retenir La transformation chimique de la matière organique piégée dans les sédiments en hydrocarbures se déroule en profondeur, Elle subit alors une augmentation de pression (compression) et un réchauffement qui entraîne sa simplification moléculaire par cuisson (perte d oxygène puis d hydrogène). En fonction de la profondeur de l enfouissement et de la composition initiale de la matière organique, la cuisson peut conduire à du charbon, de l huile (pétrole) ou du gaz. Ces transformations se déroulent à une température élevée et très lentement en quelques dizaines de millions d années. Ce processus est appelé maturation. (Certaines contraintes tectoniques favorisent l enfouissement). 2. Les gisements de pétrole Pour s interroger Du fait de leur faible densité, les hydrocarbures (pétrole et gaz) ne restent pas en profondeur (dans la roche mère) mais remontent en surface. Dans quelles conditions géologiques est conservé, piégé le pétrole, comment se forment les gisements de pétrole? Activité 4 Questions On recherche les conditions géologiques favorables à l accumulation de pétrole dans un gisement Expliquer pourquoi le pétrole est localisé dans la roche réservoir et non dans la roche mère. Déterminer la fonction de la roche imperméable. 25

25 Document 7 Roche imperméable Coupe simplifiée d un gisement pétrolier Puits de forage La roche réservoir est perméable et poreuse. La perméabilité est l aptitude d une roche à se laisser traverser par un fluide. La porosité est le volume relatif des espaces vides présents dans une roche. Roche réservoir Hydrocarbures piégés dans la roche réservoir Roche mère À retenir Les gisements actuels d hydrocarbures sont localisés dans des bassins sédimentaires, présentant des conditions géologiques particulières, Les combustibles fossiles se forment dans la roche mère, puis au fur et à mesure ils migrent vers le haut. Les combustibles sont stockés dans une roche réservoir présentant une porosité et perméabilité importante. Ces propriétés permettent au pétrole de circuler et d être stocké. Cette formation est surmontée d une formation peu poreuse et imperméable, afin de piéger les hydrocarbures et empêcher leur migration vers le haut. Ces différents processus se déroulent très lentement. Pour en savoir plus Les pièges les plus courants = dispositifs assurant l étanchéité du gisement et empêchant la migration des hydrocarbures vers la surface sont d origine tectonique. Ils contiennent environ 80% des réserves mondiales de pétrole. Ces conditions étant difficilement réunies, seuls 1 % des hydrocarbures formés sont finalement piégés. La formation du pétrole est en relation avec l activité interne de notre planète 3. La quête de nouveaux gisements et leurs exploitations Pour s interroger De nombreux mécanismes biologiques et géologiques contribuent à la transformation de la matière organique en combustibles fossiles sur des dizaines de millions d années, cependant ces réserves sont non renouvelables à l échelle humaine. La population humaine s accroissant avec un mode de vie de plus en plus énergivore, quel est le devenir du pétrole dans la problématique énergétique globale? 26

26 Activité 5 Questions Document 8 Raisonner : rechercher, extraire, organiser des données en relation avec le problème posé À partir des documents proposés, relever les enjeux générant la recherche de nouveaux gisements. Relever des valeurs chiffrées significatives pour justifier la réponse et mettre en relation les données. Déterminer en moyenne la durée d années de réserves, pour l ensemble des pays considérés. Le prix du pétrole en chiffres Dollar et euro yen par baril par baril Dollar Euro 50 Yen Document 9 Évolution de la consommation de pétrole entre 1995 et Gigabarreels Annually Document 10 Réserves et années de réserves de pétrole dans le monde Pays Réserves (en milliards de barils) Années de réserves États-Unis 21,8 8 Mexique 12,9 9 Canada

27 Venezuela 79,7 77 Brésil 11,2 15 Équateur 4,6 24 Norvège 7,7 7 Royaume-Uni 4 6 Russie Kazakhstan 9 18 Azerbaïdjan 7 44 Arabie Saoudite 266,8 66 Iran Irak Koweït Émirats Arabes Unis Qatar 15,2 38 Oman 5,5 19 Yémen 4 27 Libye Nigéria Algérie 11,4 15 Angola 5,4 12 Chine 18,3 14 Inde 5,8 20 Indonésie 4,3 10 À retenir Devant la demande croissante de la population les réserves de pétrole s épuisent très rapidement. Le cours du pétrole augmente. Ce sont donc des enjeux économiques qui motivent la recherche de nouveaux gisements. La prospection pétrolière est motivée par des enjeux économiques à l échelle de la planète, quels sont les moyens mis en œuvre, et les impacts générés par l exploitation pétrolière sur la planète? Activité 6 Questions Raisonner : rechercher, extraire, organiser des données en relation avec le problème posé À partir des connaissances déterminer quels types de formations géologiques sont recherchés par prospection sismique et dans quelles zones géographiques elles sont réalisées. À partir des documents (11, 12 et 13), relever quelques conséquences écologiques générées par l exploitation d un gisement de pétrole. 28

28 Document 11 Faire parler le sous-sol : la prospection sismique Les prospecteurs créent de petits séismes artificiels qui génèrent des ondes pénétrant dans le sous-sol. Quand ces ondes rencontrent une limite géologique entre deux formations géologiques, elles sont renvoyées en surface, ou elles sont reçues par des capteurs. Il est ainsi possible de reconstituer une image du sous-sol, grâce à un traitement numérique en trois dimensions. Document 12 Exploitation de gisement dans des conditions extrêmes Des moyens techniques très performants et adaptés : L extraction du pétrole implique la construction de structure comme les plates-formes très sophistiquées et adaptées aux gisements à exploiter. La construction, le transport, le fonctionnement et la fin de vie d une plate-forme génèrent divers impacts sur l environnement. Ainsi la toxicité des revêtements des coques, des peintures ou de certains déchets perdus en mer, peuvent poser des problèmes locaux. La combustion des déchets d hydrocarbures libère une quantité importante de CO 2. Un autre problème est celui des impacts générés par l éclairage des infrastructures, qui perturbe la vie marine, les écosystèmes, mais surtout les oiseaux migrateurs (Pétrels, Puffins, Macareux ). Les impacts sont difficilement mesurables, mais un comité spécialisé sur les industries off-shore étudie la question. Des expériences laissent penser que les oiseaux seraient moins perturbés par la lumière verte, qu on pourrait donc privilégier sur les platesformes, mais les feux verts balisant traditionnellement les pistes d hélicoptères, certains craignent d ainsi perturber les habitudes ou le sens de l orientation des pilotes. 29

29 Document 13 Extrait d un article de presse du Morning Breiz «Le 20 avril 2010 dans le golfe du Mexique, une explosion et un incendie se déclarent sur la plate-forme Deepwater Horizon. Le 22 avril, soit deux jours plus tard, la plateforme coule et repose désormais par m de fond. Très vite, le pétrole commence à se disperser dans l eau Ainsi le 2 juin, la superficie de la nappe de pétrole dépasse les km 2 ce qui représente la superficie de la Bretagne. Les côtes du Sud est des Etats-Unis sont touchées : Louisiane, Floride, Alabama. Des boulettes de pétrole ont également été observées au Texas. En trois mois, selon les estimations, entre deux et quatre millions de barils (1 baril = 160 litres) se sont déversés en mer. Les impacts écologiques directs et indirects sont d une ampleur hors norme. Le golfe du Mexique est une zone particulièrement riche en espèces ayant une valeur commerciale, les autorités ont donc très rapidement étendus l interdiction de pêcher à environ un tiers des eaux du golfe du Mexique. Par ailleurs, en atteignant les côtes la nappe de pétrole contamine les écosystèmes locaux très fragiles comme les bayous, ce sont des zones marécageuses où de nombreuses espèces animales viennent se reproduire. Les écologistes estiment qu il s agit une catastrophe historique hors norme. La liste des espèces menacées est longue et ne compte pas moins de 400 espèces. (Pélicans, Dauphins, Tortues, ) Les dégâts et impacts futurs ne sont pas encore tous connus, et toute la vie marine comprise entre le fond de l océan et sa surface peut être affectée.» À retenir La découverte de nouveaux gisements constitue un enjeu économique important. La recherche de nouveaux gisements implique une connaissance précise du sous-sol et des techniques très sophistiquées et adaptées d exploitation. Ces techniques d exploitations ont des répercussions environnementales de par leur fonctionnement et des risques d accidents. L exploitation des gisements constitue un enjeu économique et environnemental important pour l humanité. Quels sont les conséquences de l utilisation du pétrole? 30

30 C Combustibles fossiles et cycle du carbone La formation du pétrole résulte de mécanismes très lent contribuant au prélèvement du CO 2 atmosphérique au cours de la photosynthèse à l origine de la biomasse fossilisée en pétrole. Activité 7 Questions À partir de l exploitation des documents, rechercher les impacts de l utilisation des combustibles fossiles (pétrole, gaz, charbon et dérivés) sur le cycle du carbone. Comparer l évolution du taux de CO 2 atmosphérique à celle du taux de CO 2 d origine fossile. À partir du document 16, construire un tableau présentant les différents réservoirs du carbone, et les formes de stockage. À l aide du document 17, compléter le cycle du document 16. Document 14 Évolution du taux de CO 2 dans l atmosphère On peut mesurer l évolution du taux de CO 2 atmosphérique grâce à des bulles de gaz emprisonnées dans la glace au niveau des calottes glaciaires. CO 2 en ppm Années 31

31 Document 15 Évolution de la production de CO 2 d origine fossile depuis 1860 Production de CO 2 d origine fossile (Gt) Années La combustion des produits fossiles (pétrole, charbon ) rejette du CO 2 dans l atmosphère. Document 16 Le cycle naturel du carbone Le CO 2 atmosphérique n est qu une des formes chimiques sous laquelle se trouve le carbone sur notre planète. Cet élément chimique est stocké dans plusieurs compartiments terrestres (= réservoirs), sous d autres formes. Le carbone existe dans l eau sous forme dissoute (ions HCO - 3 ), dans la matière organique (glucides, lipides, protides) et la matière minérale (squelettes, coquilles,.) des êtres vivants ; dans les combustibles fossiles (sous forme d hydrocarbures), dans la lithosphère, au niveau des roches sédimentaires, par exemple les calcaires (Sous forme de carbonate de calcium CaCO 3 ), et aussi dans les roches du manteau terrestre (non représenté sur le schéma). Les molécules carbonées sont soumises à des échanges permanents entre ces réservoirs, où elles séjournent pendant des durées variables. Différents processus physiques, chimiques et biologiques sont impliqués dans ces transferts. La vitesse des transferts est mesurée par des flux de carbone annuels. Le cycle du carbone représente ces échanges entre réservoirs, on le qualifie de naturel si l on ne tient pas compte des effets des activités humaines (les échanges sont quantifiés en masse de molécules carbonées ramenées à leur masse de carbone). Les valeurs indiquées sont exprimés en Gt pour les réservoirs et en Gt. an-1 pour les flux. 32

32 Le cycle naturel du carbone Atmosphère 760 Gt Biosphère 610 Gt Lithosphère Gt précipitation de sédiments 0,1 Gt Hydrosphère Gt Document 17 Répartition du carbone produit par les diverses activités humaines vers les différents réservoirs en Gt de carbone par an. 3,3 1,9 1,9 atmosphère océans biosphère À retenir L utilisation de combustible fossile restitue à l atmosphère du dioxyde de carbone prélevé lentement et piégé depuis longtemps. Brûler un combustible fossile, c est en réalité utiliser une énergie solaire du passé. L augmentation rapide d origine humaine de la concentration du dioxyde de carbone interfère avec le cycle naturel du carbone. 33

33 3 Le soleil, à l origine de ressources énergétiques renouvelables Pour s interroger L énergie solaire «fossilisée» sous forme de pétrole et de charbon est épuisable. L utilisation massive depuis 200 ans de ces combustibles fossiles a provoqué en peu de temps une importante augmentation du taux de dioxyde de carbone dans l atmosphère, augmentation qui contribue au réchauffement climatique. Pour ces deux raisons, des sources d énergie autres que fossiles sont de plus en plus utilisées par les humains pour couvrir leurs besoins énergétiques croissants. C est le cas de l énergie éolienne, qui tire son nom d Eole, le maître des Vents dans la Grèce antique, et de l énergie hydraulique qui est l énergie de l eau. L Homme a très tôt exploité l énergie du vent à l aide de moulins à vent qui semblent avoir existé dès l an 600 en Perse. Ils sont mentionnés dans l œuvre Don Quichotte de la Manche de l écrivain espagnol Cervantès parue au début des années Les moulins à vent sont équipés d ailes en bois recouvertes de toile. Leur rotation, qui est provoquée par le vent, actionne différents éléments (roues et engrenages) qui permettent de faire tourner une meule qui broye par exemple des grains de céréales, les transformant en farine. Les moulins à vent sont «les ancêtres» des éoliennes qui se développent actuellement et qui servent le plus souvent à produire de l électricité (mais une éolienne peut aussi servir à actionner une pompe à eau). 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. Énergie éolienne et énergie hydraulique sont qualifiées de renouvelables. Comment l énergie de l air et de l eau sont-elles exploitées par l Homme? En quoi énergie éolienne et énergie hydraulique sont-elles des énergies renouvelables? 34

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