FA2 : correction II/ Origine du flux thermique et transfert d énergie 1. Origine du flux thermique Une partie de la chaleur de la Terre est une relique de sa formation, il y a 4,55 milliards d'années. Pour donner naissance à la Terre, des poussières, des gaz, des roches flottant dans la banlieue du tout jeune soleil se sont assemblées par accrétion. Au centre, dans le noyau, une énergie considérable s'est accumulée dans la masse. Elle correspond à l'énergie potentielle issue de la condensation de la planète Pourtant, la chaleur dégagée par notre globe n'a pas pour principal responsable le refroidissement de son noyau, mais la désintégration des éléments radioactifs présents dans ses roches : uranium, thorium, potassium, etc. 90% de l'énergie dissipée provient en effet de ce mécanisme. La chaleur émise par la fission varie avec la composition chimique des roches : elle est environ trois fois plus élevée, par exemple, pour les granites que pour les basaltes. Elle varie aussi selon l'âge des roches, raison pour laquelle les gradients géothermiques sont plus élevés dans les plates-formes jeunes, comme en France et en Europe du Sud, que dans les socles anciens, comme en Scandinavie. De par son volume, le manteau constitue la plus grande source d'éléments radioactifs, bien que leur concentration y soit inférieure à celle de la croûte. La plus grande partie de la chaleur interne de la Terre (75 %) provient de la désintégration naturelle des isotopes radioactifs de certains éléments chimiques dont sont formées les roches. Du fait de leurs différences de composition, les roches des différentes enveloppes de la Terre ne contribuent pas de manière équivalente à la libération de chaleur par radioactivité. C est le manteau qui participe essentiellement à la production de cette chaleur. Comment la chaleur est-elle transférée vers la surface?
2. Transferts d énergie. a) Les modes de transfert d énergie dans un milieu (doc 3/4 page 245) Expériences : Conduction Convection Sonde 1 Sonde 2 L'énergie géothermique peut être transférée selon deux modes : -Par conduction, c est un transfert de chaleur de proche en proche sans mouvement de matière, comme on l'observe dans un fluide chauffé par son sommet. L efficacité de ce transfert dépend du gradient géothermique (différence de température) et de la conductivité thermique des roches. - Par convection, correspond à un transfert de chaleur impliquant des mouvements de matière, comme on peut l'observer dans un fluide chauffé par sa base. Les mouvements sont initiés par des différences de densité, contrôlés entre autres par la température. La matière chaude, moins dense que la matière froide, est animée de mouvements ascendants. En surface, elle s'étale latéralement et se refroidit. Devenue plus lourde, elle redescend et plonge en profondeur. Ces échanges de matière ont été identifiés par tomographie sismique (voir 1S) et ont mis en évidence des flux de matière circulaires formant des cellules de convection. La convection est donc un moyen très efficace pour véhiculer l'énergie thermique.
b) Transfert d énergie et dynamique interne du globe. - Le géotherme du globe (doc 1/2 page 246) : Au sein de la planète, le géotherme fait apparaître des gradients géothermiques différents en fonction de la profondeur Les phénomènes de convection et de conduction permettent de diffuser la chaleur interne vers l extérieur. - Dans la lithosphère, elle est transmise par conduction : cela se traduit par un fort gradient géothermique de 10 à 20 C par Km de descente. La température à la surface est de 15 C alors que celle à la base de la lithosphère est de 1300 C. - Dans le manteau, l énergie thermique est transmise par convection : Le gradient thermique du manteau est faible, avec en moyenne 1 C par Km de descente. On estime de manière encore peu précise la température du noyau à 5000 C. On note la nette augmentation au niveau de la couche de transition D, à la limite manteau/noyau. -
1 : Un apport de chaleur ( ici en provenance du noyau par conduction) fait qu un volume de matière profonde se trouve plus chaud, donc par dilatation, moins dense que son environnement. 2 : Ce volume remonte sous l effet de la poussée d Archimède. La remontée s effectue presque adiabatique sans échange de chaleur avec l environnement. En effet, la convection ne se met en place que dans des conditions où la conduction est peu efficace. La différence de température, donc de densité du volume de matière avec son environnement, s accentue. La remontée est ainsi de plus en plus efficace. 3/4 : Le volume de matière arrive dans une zone où la remontée par convection devient mécaniquement impossible (couche limite). (Lithosphère rigide) Il se déplace latéralement. Au cours de sa migration latérale (advection), il cède par conduction la chaleur emmagasinée. 5/6 : Devenu plus froid, donc plus dense que son environnement, le volume retombe par des mécanismes symétriques des précédents. Parvenu à la couche limite inférieure, il migre latéralement (couche D )et se réchauffe par conduction. c) Vers un modèle global : (Doc page 247)
Tomographique au niveau d un point chaud. Panache mantellique profond. Ainsi, l activité thermique de la Terre s inscrit dans le processus de tectonique des plaques. Les conséquences de cette activité interne se manifestent en surface par : - La production de lithosphère au niveau des remontées de matière dans les zones d accrétion océanique (dorsales), au niveau des points chauds (remontées de manteau profond) - La disparition de plaques lithosphériques couplées aux zones de subduction «froides» - Le couplage entre le mouvement des plaques et les mouvements de convection du manteau sous-jacent. La chaleur terrestre se dissipe très progressivement grâce aux mécanismes de convection et de conduction. Elle est basée sur la désintégration d atomes radioactifs dont l activité perdurera encore plusieurs centaines de millions d années (renouvelable à l échelle humaine).
BILAN : Notre planète est constituée de quatre couches internes concentriques: Au centre, le noyau solide, situé à 6 370 Km en dessous de la surface, abrite des températures qui s élèvent jusqu à 4 200 C Autour du noyau solide, le noyau liquide avoisine les 3 500 C et se situe à 5 200 km sous nos pieds Le manteau constitue la troisième couche, à 2 900 km sous le sol, a une température de 3 000 C La croûte terrestre constitue la couche extérieure à 1 000 C et se situe à 30-60 km de profondeur Pour simplifier, la Terre peut être considérée comme une sphère dans laquelle existe une convection à deux étages : - Une convection très lente à l'état solide pour le manteau, - Une convection très rapide à l'état liquide dans le noyau externe. NB : la couche D représente une zone instable à la limite Noyau / manteau qui serait à l origine des panaches mantelliques à l origine des points chauds (Hors programme) Matériel froid issu des zones de subduction Panache mantellique La géothermie permet de valoriser cet exceptionnel gisement de chaleur renouvelable