I. L`origine de la chaleur interne de la Terre
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Proposition de corrigé Métropole 2015 Synthèse Géothermie : I. L’origine de la chaleur interne de la Terre Ce sont les désintégrations d'éléments radioactifs qui sont la principale origine de la chaleur terrestre. Ces éléments radioactifs naturels sont emprisonnés dans les minéraux des roches depuis la formation de la planète. Leur désintégration a commencé à ce moment-là, mais c’est un processus très lent et il reste donc encore beaucoup d’isotopes radioactifs non désintégrés dans les profondeurs du globeLa croûte continentale est plus riche en isotopes radioactifs que le manteau et le noyau car ils s’intègrent bien dans le granite. Cependant, le volume du manteau est tel que c’est lui qui produit le plus de chaleur (70% environ). II. Le transfert d’énergie thermique au sein de la planète. Le transfert de la chaleur de la profondeur vers la surface de la Terre se produit principalement par deux mécanismes : la conduction et la convection. - La conduction est le transfert de chaleur par agitation des atomes, de proche en proche, sans déplacement de matière dans les solides. Cela se traduit par un fort gradient géothermique, la température au sommet de la LVZ atteint 1300°C entre 10 et 20°C par km. Transfert de chaleur dans les enveloppes « solides » comme la lithosphère. - La convection est le transfert de chaleur par déplacement de matière, d’une zone chaude peu dense en bas vers une zone froide plus dense en haut dans les liquides. La matière chaude à tendance à s’élever, puis à refroidir et à terme cette matière froide plus dense va descendre puis s’échauffer etc. Il se forme alors une cellule de convection. Le gradient géothermique y est faible, c’est le mode de transfert le plus efficace depuis des zones chaudes basses vers des zones plus froides au-dessus dans les enveloppes terrestres « liquides » comme le manteau. III. Des zones terrestres "géothermiquement" exploitables La géothermie peut être exploitée au niveau de zones où le flux géothermique est important, dans des zones géodynamiquement actives : rifts, dorsales océaniques, points chauds, au niveau des volcans à l'arrière des zones de subduction. Toute zone où du matériel chaud (du magma) remonte, correspondant aux branches ascendantes de des cellules de convection. - Du matériel chaud remonte au niveau des dorsales océaniques (flux géothermique important) - Du matériel froid descend au niveau des zones de subduction (flux géothermique faible des fosses océaniques). L’énergie interne est donc transférée par convection de la profondeur vers la surface. Au niveau de la lithosphère, la chaleur est évacuée par conduction tout comme à l’interface noyau/manteau. La convection, véritable machine thermique est donc un moyen efficace pour évacuer la chaleur interne de la Terre. Les points chauds contribuent également à évacuer par convection la chaleur interne de la Terre. Ce sont des zones caractérisées par un flux géothermique important, dû à la remontée rapide vers la surface de matériel chaud et peu dense à la limite du manteau et du noyau. Cas de l'Islande : point chaud situé sur la dorsale médio-atlantique. La géothermie y est fortement utilisée pour produire de l'électricité. QCM plante domestiquée : 1-a 2-b 3-c Exercice 2A Génétique et évolution Comment la variété spring peut-elle avoir une plus grande efficacité de reproduction que la variété okiep ? Spring se caractérise par des tâches sombres réunies au centre de la fleur contrairement à okiep pour laquelle les tâches sont plus éparpillées dans l'inflorescence. Le doc 2 montre que ce sont plutôt les insectes femelles qui sont attirées par les fleurs quelque soit la variété pour prélever de la nourriture alors que les males y font une simple visite. Ils ont un comportement d'accouplement uniquement avec les spring. Leur visite dans ces inflorescences seraient donc "intéressée" ! Les taches sombres des spring ressemblent fortement à un insecte et pourraient tromper un mâle venu butiner, déclenchant ainsi le comportement d'accouplement. Il s'agit d'un exemple de mimétisme, stratégie développée par l'espèce végétale au cours de l'évolution pour favoriser la pollinisation croisée en attirant préférentiellement les insectes pollinisateurs. Stratégie efficace puisque le nombre d'inflorescences recevant du pollen est le plus important pour la variété spring et il s'agit de pollen porté par les insectes mâles. C'est donc en arborant des tâches sombres au centre de l'inflorescence que la variété spring attire les insectes pollinisateurs mâles en les trompant, ceux-ci croyant s'accoupler avec des insectes femelles car ces tâches ressemblent très fortement aux insectes de la même espèce. Exercice 2B obligatoire : formation de l'Himalaya. *en italique les éléments de connaissance à apporter CO = croute océanique / LO = lithosphère océanique. I. Arguments pour une subduction de lithosphère océanique lors de la formation de l'Himalaya : - présence d'ophiolites dans la chaîne de montagne : lambeau de LO (basalte, gabbro, péridotite) coincée au moment de la collision entre les 2 plaques. : marqueur de l'existence d'un ancien océan disparu par subduction. doc 1 - présence de sédiments marins à proximité des ophiolites, sédiments qui se sont retrouvés au centre de la chaîne de montagne, reste de CO coincée entre les 2 lithosphères continentales, entre les 2 plaques eurasienne au NE et indo-australienne au SO. doc 1 - la tomographie montre sous l'himalaya une répartition quasi verticale des foyers sismiques. Ils tracent le plan de Wadati-Benioff, marquant le frottement lors de son plongement d'une plaque sous une autre.plongement doc 2 - la tomographie montre également que le matériel plongeant est plus froid que le matériel autour : marqueur de la subduction d'une LO plus froide, + dense et + âgée que la LC sus jacente. doc 2 En plongeant la LO entraîne avec elle la lithosphère continentale qui lui est rattachée et elle peut l'entraîner à de grandes profondeurs. Certains minéraux métamorphiques apportent la preuve de cette subduction continentale à grande profondeur. II. Arguments pour une subduction de lithosphère continentale entraînée à la suite de la subduction océanique : Présence de Coésite dans une roche retrouvée dans l'Himalya (doc 3) avec une auréole de Quartz donc formation postérieure à la formation de la coésite. Or le doc 4 montre qu'en fonction de la température et de la profondeur le quartz peut se transformer en coésite (entre 80 et 100 km de profondeur). Or la coésite a été retrouvée dans une roche continentale. Son existence au sein de la chaîne de montagne atteste le fait que de la lithosphère continentale a été soumise à des conditions de P et de T permettant son apparition, cette roche s'est retrouvée à un moment donné à des profondeurs de 80 à 100km sous la surface terrestre. Ainsi ce minéral prouverait que de la lithosphère continentale a été subduite lors de la formation de l'Himalaya. Exercice 2B spécialité Energie et cellule vivante*en italique les éléments de connaissance à apporter Identifier et expliquer l'origine de la brutale augmentation de production de chaleur chez l'arum. I. Les échanges gazeux lors de l’augmentation brutale de la température Dans le spadice de l’arum doc 1, on constate une augmentation de la température tout le long de l’inflorescence de haut en bas avec une température de 50°C mesurée au fond de la fleur. Les cellules du spadice ont donc développé un mécanisme permettant cette forte augmentation de température à l’origine de la production de chaleur par la fleur de l’arum. Des études nous montre que cette forte augmentation de température s’accompagnent d’échanges gazeux importants : du CO2 est produit et de l’O2 consommé. Dans la journée ; la température de l’inflorescence augmente et devient maximale (30°C) à midi pour diminuer jusqu’à 15°C à la tombée de la nuit. Le 2ème graphique du doc 2 montre que la quantité de CO2 produite dans le même temps suit exactement la même variation. Production de CO2 et production de chaleur sont donc corrélées. Lors de cette brutale augmentation de température dans l’inflorescence, il est constaté dans le doc 3 un pic de consommation d’O2 à 40 000µg. Avant et après, la quantité d’O2 consommé reste faible. Du CO2 est produit lorsque de l’O2 est consommé, ces échanges gazeux marque le métabolisme respiratoire. Equation : glucose + O2 → CO2 avec production d’ATP Ce métabolisme respiratoire s’accompagne donc d’une production de chaleur mais il ne peut se faire sans glucose et sans mitochondrie, organite cellulaire indispensable à la réalisation de chacune des étapes. II. La respiration à l’origine de cette augmentation de température. Il s’agit bien de la respiration car en plus des échanges gazeux constatés, le doc 3 montre les variations de la réserve d’amidon. Or l’amidon est un sucre complexe, formés à partir de molécules de glucose et capable d’être hydrolysé pour produire des molécules de glucose, à la base de la respiration cellulaire. Juste avant la brutale augmentation de température, les réserves d’amidon sont maximales (environ 200mg/g d’inflorescence) puis elles diminuent fortement au moment du pic de chaleur (à 120mg/g jusqu’à devenir très faible après la production de chaleur (point 4 du doc 3) La respiration cellulaire utilise le glucose produit à partir de l’amidon lors de la glycolyse. Lorsque les réserves s’amoindrissent la respiration devient moins importante et la production de chaleur devient moins intense et moins soutenue. L’autre élément indispensable à la réalisation de la respiration est la mitochondrie dans laquelle se réalise le cycle de Krebs et la chaîne respiratoire. Cet organite voit sa présence fortement augmentée dans les cellules du spadice juste avant et pendant la forte production de chaleur (doc 4). Sa présence est donc à relier à l’augmentation de température et à la production de CO2 ainsi qu’à l’augmentation de l’O2 et à la diminution des réserves en amidon, source de glucose lors de cet épisode d’augmentation de la température dans le spadice de l’arum. Cette adaptation particulière chez l’arum utilise donc le métabolisme respiratoire, existant déjà dans ses cellules mais il est amplifié grâce à la multiplication des mitochondries au moment de la fabrication du pollen. Ce métabolisme est à l’origine de la production de chaleur provoquant l’émission de substances volatiles qui attirent alors les insectes pollinisateurs.
