Chapitre 2 : Le Soleil Un défi énergétique I L'impact des activités humaines sur le cycle du carbone : II2 Activité 1 Problème Le cycle du carbone Comment l'utilisation des combustibles fossiles peuvent impactées le cycle du carbone? Compétences Mo.2 Notions de combustion et libération de CO 2, augmentation du CO 2 atmosphérique, rapport entre production et utilisation : épuisement des ressources énergie non renouvelable. Notion de cycle du carbone. I.1 Ré.1 Ré.10 Ra.4 Ra.6 Correction : 1 La photosynthèse consiste en l'absorption du CO 2, d'eau et d'énergie solaire qui vont être transformés en matière carbonée (amidon, glucose) et O 2. Grâce la photosynthèse le CO 2 atmosphérique et l'énergie solaire sont convertis et stockés dans de la matière organique carbonée qui va se trouver dans les êtres vivants qui constituent la biosphère. 2 et 4 Schéma du cycle du carbone : Absorption 10 Gt/an Déforestation 6 Gt/an Combustion 24 Gt/an Flux rapide (échanges prenant quelques minutes) Flux lent (échanges prenant des millions d'années) Flux rapide (échanges liés aux activités humaines)
3 Lorsqu'on regarde les flux entre chaque compartiments, on constate que les échanges de carbone rentrant et sortant sont égaux. Ce qui montre que globalement le cycle du carbone est à l'équilibre. Il y a toujours la même quantité de carbone. 5 Les flux entrant et sortant liés aux activités humaines sont déséquilibrés. Effectivement les flux sortants sont de 6 (déforestation) + 24 (combustion des combustibles) soit 30 Gt/an de carbone renvoyé à l'atmosphère alors qu'il n'y en a que 10 Gt/an qui sont réabsorbés. Cela cause un déséquilibre de 20 Gt/an de carbone qui se retrouve en plus dans l'atmosphère. Ainsi cela engendre une augmentation annuelle de carbone atmosphérique. On peut le voir d'ailleurs avec l'énorme augmentation de CO 2 atmosphérique dans les années 2000. Effectivement, avec l'expérience de la combustion de la tourbe, on peut montrer que du CO 2 est libéré (l'eau de chaux se trouble). Et c'est ce que fait l'homme de part ses activités humaines en brûlant les combustibles fossiles mais à une échelle mondiale. Certes la quantité de CO 2 a suivi des cycles d'augmentation et de diminution lors des 800 000 dernières années (voir carottes de glaces), cependant comme on vient de le montrer l'augmentation de CO 2 à cause des activités humaines augmentent beaucoup plus vite et surtout augmenter beaucoup plus que les combustibles fossiles se forment. Ainsi le cycle du carbone est déséquilibré et trop de CO 2 atmosphérique se retrouve dans l'atmosphère ce qui provoque à court terme un réchauffement climatique (rapide). Bilan : L utilisation de combustibles restitue très rapidement à l atmosphère du CO 2 qui avait été piégé par la photosynthèse depuis très longtemps. Brûler un combustible fossile, c est en réalité utiliser une énergie solaire du passé. Cette émission massive de CO 2, d origine humaine, augmente la concentration du CO 2 dans l atmosphère ce qui interfère avec le cycle naturel du carbone. De plus, l utilisation rapide des combustibles fossiles face à leur production très lente rend cette ressource rapidement épuisable : on parle d énergie non renouvelable. Leur utilisation doit donc être soumise à une réflexion de l humanité. Autre exemple de schéma du cycle du carbone :
II De l'énergie solaire aux énergies renouvelables : II2 Activité 2 La répartition de l énergie solaire à la surface de la Terre et ses conséquences Problème Comment expliquer l'origine des énergies renouvelables? Compétences Mo.2 L'inégale répartition de l'énergie solaire à la surface de la Terre. Origine de la mise en mouvement des enveloppes fluides de la Terre (atmosphère, océans et leurs courants et moteur du cycle de l'eau). I.1 Ré.1 Ré.10 Ra.4 Ra.6 Correction : 1 Le cycle de l'eau représente la parcours entre les grands réservoirs d'eau liquide, solide ou de vapeur d'eau sur Terre : les océans, l'atmosphère, les lacs, les cours d'eau, les nappes d'eaux souterraines et les glaciers. C'est l'énergie solaire qui met en mouvement le cycle de l'eau (en favorisant l'évaporation de l'eau à la surface des océans et en favorisant l'apparition de nuage). 2 Atelier 1 : L'énergie solaire est répartie de façon inégale. Il y a plus d'énergie au niveau de l'équateur qu'au niveau de pôle, ce qui va récréer un déséquilibre énergétique. Résultats des tâches Du fait de la sphéricité de la Terre, la lumière arrive de façon moins perpendiculaire au sol la surface éclairée par la lumière est plus grande. Ainsi l'énergie solaire réchauffe moins le sol. Donc cela est à l origine de différences de température entre lieux, différences qui vont être responsables de différences de densité de l air et d'eau. Atelier 2A : D'après l'expérience avec la goutte de bleu, on peut constater que la goutte de bleu d'eau froide a tendance à se déplacer vers le bas alors que la goutte de bleu d'eau chaude à tendance à rester à la surface de l'eau tiède. Ici on montre que la température de l'eau change sa densité (voir ci-contre). Avec les autres documents, on constate que l eau colorée en rouge s est déplacée dans le tube du haut vers la bouteille contenant l eau bleue. L eau bleue quant à elle s est déplacée dans le tube du bas vers la bouteille contenant l eau rouge. Il y a donc une circulation d eau (un courant) qui s est mise en place. L eau rouge qui est dans le fond du tube de gauche a été chauffée par l eau chaude. Sa densité a diminué, ce qui a provoqué son ascension. Du coup, l eau rouge et l eau bleue contenues dans le
tube du haut ont été poussées vers la droite, c est-à-dire vers le tube d eau bleue (à droite). L eau bleue qui est dans le fond du tube droit a elle été refroidie par l'eau très froide. Sa densité a donc augmenté et elle n a pas subi de mouvement ascendant. Elle a été poussée dans le tube du bas en direction de le tube d eau rouge (à gauche). Ainsi l inégale répartition de la chaleur solaire sur Terre entraîne des différences de températures entre l eau des différentes zones des océans. Ces différences de température sont responsables de la mise en mouvement des masses d eau et créer ce qu'on appelle des courants océanique. Atelier 2B : D'après la description de la trajectoire de la fumée, on peut constater que cette fumée (air chaud) monte verticalement en colonne au-dessus du bâton d encens. L air qui monte contourne le bloc réfrigérant qui est à la température ambiante (et qui constitue un obstacle sur sa trajectoire) et continue soit à s élever ou soit à redescendre. Ici on montre que la température de l'air change sa densité (voir ci-contre). Avec les autres documents, on peut constater que Le fait que l air chaud s élève, cela fait diminuer la pression de l air au-dessus de la coupelle d encens : il y a moins d air à cet endroit, cela forme une dépression. En mettant en lien la manipulation d'avant, on peut dire que la colonne d air chaud (la fumée) montant est contrariée, bousculée, par l air froid qui descend du bloc : la fumée se trouve ainsi dispersée. On peut donc dire que le refroidissement de l air s oppose à sa montée. L air froid, contrairement à l air chaud, descend, et cela provoque une surpression au sol (anticyclone). A l'échelle du globe terrestre, on constate que l'air froid se déplace en altitude vers les zones de haute pression (anticyclone) et va redescendre du fait de sa densité. Il va se réchauffer grâce à la chaleur du sol. Cet air chaud va à son tour se déplacer vers les zones de basse pression (dépression). On a la formation d'une cellule de convection. Et en fait, on a une série de 3 cellules de convections à la surface de la Terre qui sont en fait à l'origine des vents (ou courants atmosphérique. 3 En fait, le soleil et donc l'énergie solaire est en permanence à l origine des sources d énergie que sont les vents et les courants (océaniques ou atmosphériques chargés ou pas de vapeur d'eau). Sans l'inégale répartition de l'énergie solaire créant de grandes différences de température et d'évaporation de l'eau, les enveloppent fluides (air et océans) ne seraient pas mis en mouvement. C est pourquoi ces énergies ont un caractère renouvelable : ce sont des énergies naturelles, assez rapides et peuvent être considérés comme inépuisables à notre échelle. De plus, elles n'ont, a priori, aucune forme de pollution. Bilan : L énergie solaire est inégalement répartie à la surface de la Terre. Cette énergie reçue par la Terre est plus forte à l équateur qu aux pôles car la Terre est une sphère. Cela conduit à des différences de température selon la latitude et l'air (par l intermédiaire du sol) et l eau ont tendance à se réchauffer (ce qui est à l origine des vents et courants) et évapore l eau (ce qui permet le cycle de l eau). L'énergie solaire est à l'origine des sources d'énergie des enveloppes fluides de la Terre (air et eau). On dit que ces énergies sont renouvelables. III L'utilisation des différentes énergies renouvelables : II2 Activité 3 Problème Compétences Mo.2 Les possibilités d utilisation des énergies renouvelables Comment l'homme peut-il exploiter les énergies renouvelables d'origine solaire? L'utilisation des différentes énergies renouvelables qui ont pour origine l'énergie solaire. I.2 Co.2 Co.3 Co.4
Correction : Des exemples d'utilisation d'énergies renouvelables 1. L énergie éolienne : faire de l électricité avec le vent Les éoliennes qui permettent de produire de l électricité sont constituées d un mât de 50 à 110 m de haut (n 1 sur la photo) au sommet duquel se trouve une nacelle (n 2) équipée d un rotor (= un élément qui tourne) à plusieurs pales (souvent au nombre de 3) (n 3) mis en rotation par le vent à raison de 10 à 25 tours par minute (selon la vitesse du vent). Cette rotation correspond à de l énergie mécanique qui est transformée en énergie électrique grâce à une génératrice située dans la nacelle. Les éoliennes réalisent donc des conversions énergétiques. L énergie «de départ» est celle du déplacement de l air : il s agit d énergie cinétique. Grâce à elle le rotor est mis en mouvement : ce mouvement correspond à de l énergie mécanique. Enfin, la rotation du rotor permet à la génératrice de produire de l énergie électrique. De leur vrai nom, les éoliennes sont donc des aérogénérateurs! 2. L énergie hydraulique : faire de l électricité avec le mouvement de l eau L énergie hydraulique est l énergie fournie par le mouvement de l eau, sous toutes ses formes : chutes d eau, débit des cours d eau, courants marins, vagues. Le principe est toujours le même : le déplacement de l eau fait tourner une turbine : l énergie qui est alors de l énergie mécanique peut ainsi être directement utilisée ou convertie en énergie électrique par une génératrice. On parle alors d hydro-électricité. Les systèmes de production de l hydro-électricité sont différents selon la source d énergie utilisée : cours d eau ou océan. Exemple d une centrale hydroélectrique : Les centrales hydro-électriques sont situées au niveau de barrages, construits pour retenir l eau d une rivière ou d un fleuve (barrage de retenue créant un lac). Ces centrales utilisent l énergie de la hauteur de chute d eau qui fait tourner une turbine pour produire de l électricité grâce à une génératrice (alternateur). 3. L énergie hydrolienne : faire de l électricité avec les courants marins Dans le domaine de l énergie hydraulique il est également possible d exploiter l énergie du mouvement des vagues et l énergie des courants marins grâce à des dispositifs appelés hydroliennes qui fonctionnent sur un principe similaire à celui des éoliennes. Les courants marins représentent une énergie considérable et ont un avantage certain par rapport aux vents : contrairement à ces derniers, ils sont constants et prévisibles!
Actuellement (en 2010), la technologie des hydroliennes est encore dans sa phase expérimentale : plusieurs modèles d hydroliennes sont actuellement testés à travers le monde. 4. La photosynthèse, source d agro/biocarburants Les agrocarburants 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 agrocarburants 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 agrocarburants 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 agrocarburants 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. Chaque étape de la production d agrocarburants 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 agrocarburant. 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 agrocarburant obtenu à partir de la canne à sucre brésilienne est de 5,82, celle l agrocarburant obtenu à partir de la betterave de 1,25 et celle de l agrocarburant produit à partir de maïs est inférieure à 1. De nouveaux agrocarburants 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. Bilan : Utiliser l énergie des vents (éoliennes), des courants marins (hydroliennes), des barrages hydroélectriques, revient à utiliser indirectement de l énergie solaire. L'agriculture est source de nourriture mais peut être aussi utilisée comme une source de combustibles ou d agrocarburants. Ces deux productions entrent cependant en concurrence. Toutes ces ressources énergétiques sont rapidement renouvelables. La comparaison de l énergie reçue par la planète et des besoins humains en énergie permet de discuter de la place actuelle ou future de ces différentes formes d énergie d origine solaire : elles prennent d'ailleurs une part de plus en plus importante dans la production d'énergie.