Thème 3 : Enjeux planétaires contemporains : énergie, sol

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1 Thème 3 : Enjeux planétaires contemporains : énergie, sol Chapitre 1 : L énergie solaire et la photosynthèse par les végétaux I. La production de matière organique par la photosynthèse voir activités du problème1/ch1/th3 Dans les organes verts d un végétal, les molécules organiques comme l amidon (glucide complexe) sont fabriqués en présence de lumière. Cette production nécessite la présence de chlorophylle. Ce pigment vert est contenu dans les chloroplastes. La chlorophylle capte l énergie lumineuse et la transforme en énergie utilisable pour les cellules. L énergie captée permet la production de matière organique à partir de l eau (H 2 0) et de dioxyde de carbone (CO 2 ) prélevé dans l atmosphère : cette réaction est appelée photosynthèse. La photosynthèse nécessite également la présence de sels minéraux. Ces derniers n entrent toutefois pas directement dans la composition de la matière organique. Grâce à la photosynthèse, les organismes chlorophylliens n ont besoin que d eau, de lumière, de sels minéraux et de dioxyde de carbone pour produire leur propre matière organique. La matière organique produite par les êtres vivants constitue la biomasse. Les atomes de carbone de la matière organique produite par photosynthèse sont ceux de la molécule de dioxyde de carbone. La photosynthèse permet donc la fixation du carbone issu d une molécule minérale (le CO 2 ) dans la matière organique des organismes chlorophylliens. Bilan chimique simplifié de la photosynthèse : Energie lumineuse Matière organiqu + O H 2 O + CO 2 2 Cellule chlorophyllienne e Sels minéraux Ex : Glucose (C 6 H 12 O 6 ) (énergie stockée sous forme chimique) - chlorophylle : pigment vert des végétaux capable de capter l énergie lumineuse ; - photosynthèse : activité métabolique durant laquelle des molécules organiques sont produites à partir de matières minérales, en utilisant l énergie solaire ; - biomasse : masse totale des organismes présents dans un écosystème. - de définir les termes : chlorophylle ; photosynthèse ; biomasse - d expliquer le principe de la photosynthèse et - de démontrer de façon expérimentale quels sont les réactifs et les produits de la photosynthèse 1 / 7

2 II. L importance de la photosynthèse à l échelle des écosystèmes et de la planète voir activités du problème 2/ch1/th3 Dans les écosystèmes, les végétaux chlorophylliens occupent une place particulière. En effet, ce sont les seuls êtres vivants à pouvoir synthétiser de la matière organique à partir de matière minérale et de la lumière. Les êtres vivant non chlorophylliens doivent consommer de la matière organique provenant d autres êtres vivants. Les végétaux chlorophylliens se trouvent ainsi à la base des réseaux alimentaires dans les écosystèmes. Ces végétaux sont des producteurs primaires. Les végétaux non chlorophylliens sont des producteurs secondaires. Ils dépendent des végétaux chlorophylliens pour élaborer leur matière organique. Les organismes chlorophylliens sont très divers et sont présents partout sur la planète, dans la plupart des écosystèmes : sur les continents (arbres, mousses, fougères ) dans les océans (organismes unicellulaires du phytoplancton ; algues ). Ils produisent chaque année une biomasse considérable par photosynthèse ; on parle de productivité primaire. La photosynthèse permet à l échelle de la planète, l entrée de la matière minérale et d énergie dans la biosphère. - productivité primaire : masse de matière organique produite par les végétaux chlorophylliens par unité de surface et par unité de temps. (souvent exprimée en t./ha./an) ; - biosphère : ensemble des êtres vivants à la surface de la Terre - de définir les termes : productivité primaire ; biosphère - d indiquer la place de la photosynthèse à l échelle des écosystèmes et à l échelle planétaire - de construire et d'exploiter une pyramide des biomasses et une pyramide des flux d'énergie 2 / 7

3 Chapitre 2 : Les combustibles fossiles : énergie solaire du passé I. Les combustibles fossiles : une ressources d origine biologique voir activités du problème 1/ch2/th3 Les combustibles fossiles sont des ressources naturelles localisées parmi les roches sédimentaires du sous-sol. Ils se présentent sous des formes diversifiées : gaz, charbon, pétrole. La présence de restes organiques dans les combustibles fossiles montrent qu ils sont issus de la transformation d une biomasse : brûler un combustible fossile revient en réalité à utiliser une énergie solaire du passé. Définition : - combustible fossile : matériau souterrain combustible issu de la transformation de la matière organique. - de définir les terme : combustible fossile II. La formation d un gisement de charbon voir activités du problème 2/ch2/th3 Tous les gisements de combustibles, dont les gisements de charbon, sont localisés dans des bassins sédimentaires. Le charbon est une roche riche en carbone résultant de la transformation de végétaux verts chlorophylliens continentaux ou littoraux. Lorsqu une grande quantité de débris issus de ces végétaux s accumule dans une couche d eau peu profonde et pauvre en dioxygène, une fraction de la matière organique qui les compose n est pas décomposée par les organismes décomposeurs. En plusieurs millions d années, elle se transforme en charbon sous l action de bactéries et sous l effet d une lente augmentation de la température liée à son enfouissement. La formation d un gisement de charbon implique des conditions géologiques particulières. Il faut une accumulation et un enfouissement d une forte épaisseur de débris de végétaux pendant plusieurs millions d années. Cela n est possible que si la productivité primaire est importante et si les débris végétaux se déposent dans une zone qui s enfonce, c est-à-dire une zone de subsidence. Définition : - gisement: lieu où l on rencontre une ressource naturelle ; ex. : gisement de pétrole, de charbon - subsidence : enfoncement progressif, régulier ou saccadé, pendant une assez longue période, du fond d un bassin sédimentaire - de définir les termes : gisement ; subsidence - d expliquer la formation d un gisement de charbon III. L exploitation des combustibles fossiles voir activités du problème 2/ch2/th3 La connaissance des mécanismes de formation permet de découvrir les gisements et de les exploiter par des méthodes appropriées. Leur exploitation a des implications économiques et environnementales : déforestation, destruction des sols, risques de pollution... 3 / 7

4 IV. L utilisation et les conséquences de l exploitation des combustibles fossiles voir activités du problème 2/ch2/th3 L utilisation de combustible fossile restitue rapidement à l atmosphère du dioxyde de carbone. Ce CO 2 a été prélevé lentement par la photosynthèse puis piégé depuis longtemps dans les roches. Brûler un combustible fossile c est en réalité utiliser une énergie solaire du passé. Cette libération massive de CO 2 interfère avec le cycle naturel du carbone : une partie se dissout dans les eaux océaniques, une partie rejoint la biosphère et facilite la production primaire, le reste concourt à l augmentation rapide de la concentration en CO 2 dans l atmosphère avec, pour conséquence, un impact climatique. La perturbation du cycle du carbone a de multiples conséquences. Ainsi, l augmentation de la concentration en CO 2 dans l atmosphère accroît l effet de serre naturel et entraîne un réchauffement climatique de la planète. L absorption de CO 2 par les océans provoque leur acidification, ce qui fragilise les écosystèmes marins et menace la biodiversité océanique. Les conséquences sont sensibles dès à présent, mais elles se manifesteront encore pendant plusieurs centaines d années au moins. Définition : - effet de serre: réchauffement de la température de l atmosphère du à l absorption, par certains gaz atmosphériques (dont H 2 0, CO 2, CH 4 ) de l énergie issue des rayonnements infra-rouge - de définir le terme : effet de serre - de démontrer par l'expérience le principe de l'effet de serre - d expliquer les conséquences de l exploitation des combustibles fossiles 4 / 7

5 Chapitre 3 : L énergie solaire et son exploitation I. Energie solaire et mouvements des enveloppes fluides de la Terre voir activités du problème 1/ch3/th3 La Terre reçoit en permanence une partie de l énergie émise par le soleil. Cette énergie est inégalement reçue à la surface de la planète et varie selon la latitude. La quantité d énergie reçue, pour une unité de surface donnée, diminue de l équateur vers les pôles. La sphéricité de la Terre est la cause de cette inégale répartition. La photosynthèse utilise moins de 1% de l énergie solaire reçue par la Terre. Le reste chauffe l air et l eau de façon inégale selon les latitudes. Cette inégale répartition des températures est à l origine des mouvements des masses d air (vents ) et d eau (courants océaniques ). Cette énergie provoque également l évaporation de l eau qui alimente ainsi le cycle de l eau. Utiliser l énergie des vents, des courants marins, des barrages hydroélectriques, revient à utiliser indirectement l énergie solaire. Exploiter une partie de cette énergie, renouvelable à l échelle de temps humaine, devrait permettre de couvrir les besoins de l humanité. - d expliquer comment l énergie solaire est à l origine de la dynamique des enveloppes fluides de la Terre - de proposer une démarche expérimentale pour expliquer l'origine de cette dynamique II. L utilisation des énergies renouvelables d origine solaire voir activités du problème 2/ch3/th3 Utiliser l énergie des vents, des courants marins, des barrages hydroélectriques, revient à utiliser indirectement l énergie solaire. Exploiter une partie de cette énergie, renouvelable à l échelle de temps humaine, devrait permettre de couvrir les besoins de l humanité. Depuis quelques années, la part des énergies renouvelables dans la production d électricité augmente dans le monde. Leur exploitation peut poser certains problèmes : le caractère intermittent de l énergie éolienne par exemple. Les énergies renouvelables sont inépuisables et permettent de limiter les émissions de dioxyde de carbone dans l atmosphère liées à l usage des combustibles fossiles. - d expliquer comment l énergie solaire peut être exploitée pour subvenir aux besoins de l humanité 5 / 7

6 Chapitre 4 : Le sol et son exploitation I. L eau et le sol, deux enjeux pour l agriculture voir activités du problème 1/ch4/th3 Dans un champ cultivé, une partie de la biomasse produite par les végétaux est exportée hors de l écosystème pour la fabrication d aliments. Dans un écosystème non exploité (écosystème dit «naturel»), la biomasse produite par les végétaux retourne dans le sol après leur mort. Pour satisfaire les besoins alimentaires de l humanité l Homme utilise à son profit la photosynthèse. L agriculture a besoin pour cela de sols cultivables et d eau. Ces deux ressources sont inégalement réparties à la surface de la planète. Elles sont fragiles et disponibles en quantité limitée. La biomasse végétale produite par l agriculture est une source de nourriture mais aussi de combustibles ou d agrocarburants. Si la surface cultivée n augmente pas, ces productions non alimentaires entrent en concurrence avec les productions alimentaires. Dans ces conditions, un fort développement des agrocarburants risque de conduire à une baisse de la production alimentaire mondiale. - écosystème: système formé par un environnement (zone appelée biotope) et par l'ensemble des espèces (appelé biocénose) qui y vivent, s'y nourrissent et s'y reproduisent. - agrosystème : écosystème agricole ; - agrocarburant : carburants produits à partir de matière organique fabriquée par les plantes cultivées - de définir les termes : agrosystème ; agrocarburant; écosystème - d expliquer en quoi l eau et le sol sont des ressources indispensables - d indiquer différentes utilisations de la biomasse d origine agricole 6 / 7

7 II. Les sols, une ressource fragile voir activités du problème 2/ch4/th3 Le sol est constitué d une succession de couches parallèles à la surface de la Terre : les horizons. Il repose sur la roche mère. Le sol est le support des racines des végétaux. Il abrite également de très nombreux êtres vivants (champignons, microfaune (- voir I/ch3/th1), ). Le sol est donc une interface entre la roche mère et la biosphère. Le sol est formé d éléments minéraux (sables, argiles, etc.) et d éléments organiques : - Les feuilles mortes et les débris végétaux tombés sur le sol forment une litière. - Cette litière se dégrade et se transforme en une «poudre», l humus. - Lorsque la décomposition se poursuit l humus se transforme en substances minérales (les sels minéraux). La nature et l épaisseur du sol dépendent à la fois du climat (précipitations et température) et de la roche mère. Cela explique l inégale répartition des sols à la surface de la planète. Les sols se forment lentement. Ce sont des ressources non renouvelables à l échelle humaine. Mais de nombreuses menaces pèsent aujourd hui sur eux : - L érosion entraîne une diminution de la surface et de l épaisseur de sol. Cette érosion est souvent la conséquence d une dégradation de la qualité du sol suite à une exploitation excessive par l Homme. - L urbanisation et l expansion des infrastructures de transport provoquent une diminution irréversible de la surface des sols cultivables. - Certaines pratiques agricoles appauvrissent le sol en éléments minéraux et en humus (nécessaires au développement des végétaux) ou sont à l origine des pollutions et de la diminution de la biodiversité. La préservation et la gestion des sols sont donc des enjeux majeurs pour l humanité. - sol : formation superficielle résultant de l altération sur place des roches par l eau, l air et les êtres vivants, et de leur mélange à une proportion variable de matière organique ; - litière : couche de débris et de restes de matière organique en cours de décomposition à la surface du sol ; - humus : matière noire (ou marron plus ou moins foncé) contenue dans le sol et issue de la décomposition des restes de matière organique ; - roche mère : roche à partir de laquelle se forme ou s est formé un sol ; - horizon : couche d un sol caractérisée par sa relative unité de constitution (taille des particules, composition chimique) ; - décomposition : transformation des débris de matière organique (des végétaux, des champignons et d animaux morts) en sels minéraux. (On parle également de minéralisation lorsque la décomposition est bien avancée et qu elle atteint le stade minéral.) ; - décomposeur : être vivant qui se nourrit de matière organique provenant des restes de végétaux, de champignons ou d animaux morts. Il participe à la décomposition de la matière organique ; - érosion : ensemble des phénomènes externes qui, à la surface du sol ou à faibles profondeur, enlèvent tout ou partie des terrains existants et modifient ainsi le relief. - définir les termes : litière ; humus ; décomposition ; décomposeur ; érosion - d expliquer le rôle des êtres vivants du sol - d expliquer les transformations des débris de matière organique du sol 7 / 7