TP 2 : Manifestations et origine de l`énergie interne du globe

TP6 MANIFESTATIONS ET ORIGINE DE L’ENERGIE INTERNE DU GLOBE.
La température augmente avec la profondeur: l’intérieur de la Terre est plus chaud que l’extérieur. Il existe donc un
transfert de chaleur de l’intérieur vers l’extérieur, c’est le flux géothermique.
1- Calculez la puissance du dégagement global de chaleur par la Terre en prenant comme valeur moyenne du flux 80
mW.m-2.
Rappels : flux= quantité de chaleur dégagée par unité de temps et de surface
surface d’une sphère = 4  R2
2- Comparez ce dégagement à la puissance d’un séisme (= 2,5.1011 W ), du volcanisme (= 2,5.1012 W), à celle
produite par une centrale nucléaire type EDF (= 1.109 W) et au rayonnement infrarouge réfléchi par la Terre vers
l’espace (240 W.m-2).
3- Vers 1860, Lord Kelvin avait calculé le temps que devrait mettre le globe terrestre pour se refroidir complètement, à
partir de la perte de chaleur constatée: quelques centaines de millions d’années au plus. Or la Terre est beaucoup
plus vieille et elle n’est pas froide. Que pouvez vous en déduire ?
4- A partir du document 1 ci-dessous, déterminez l’enveloppe qui produit la majorité de la chaleur terrestre.
Rappel: volume d’une sphère = 4/3  R3
Vous utiliserez les rayons des différentes couches du globe (cf. cours)
Enveloppes du
globe terrestre
document 1
Volume ( km3)
Caractères étudiés
Teneur en Uranium Puissance dégagée
(tonne/km3)
par km3( W/km3)
Croûte continentale
1800
1700
(40% de la croûte)
Croûte océanique
300
280
Manteau
30
28
Noyau
?
?
(60% de la croûte)
Puissance totale
(W)
Température (°C)
1000
5- Décrivez, à partir du graphique ci-contre
(document 2), l’évolution du gradient
géothermique (variation de température avec la
profondeur) en fonction de la profondeur.
2000
3000
4000
5000
500
6- Convection et conduction sont les deux modes
de dissipation de la chaleur au sein du globe.
Quand la chaleur se déplace de proche en proche
dans un matériel conducteur fixe on parle de
conduction. Si le transfert de chaleur
s’accompagne d’un déplacement de matière on
parle de convection.
La convection assure un transfert plus efficace de
la chaleur. Ainsi lorsque dans une enveloppes les
échanges se font par convection le gradient
géothermique est faible mais lorsque les
échanges se font par conduction le gradient est
élevé. A partir de ces informations précisez pour
chaque enveloppe le mode de transfert.
7- Décrivez, à partir du document 3 p 337, la
répartition du flux géothermique (quantité de
chaleur traversant la surface de la Terre en
KW .km-2 )
1000
2000
3000
document 2
Profondeur (km)
8- A partir du document 3 proposez une explication concernant les différences de flux géothermique observées à la
surface du globe.
document 3
Flux thermique (kW.km-2)
Flux thermique (kW.km-2)
100
50
50
10
arc
volcanique fosse
0
dorsale
10
0
400°C
200
400
800°C
400°C
1200C
1200°C
1600°C
100
1600°C
200
600
isogéothermes
Profondeur (km)
Profondeur (km)
9- Réalisation d’un modèle
A partir du matériel mis à votre disposition, imaginez une manipulation permettant de modéliser les transferts de
chaleur dans le manteau. Réalisez un schéma explicatif et indiquez les résultats attendus.
Montrez votre schéma à l'enseignant avant de réaliser votre montage.
document 3
Flux thermique (kW.km-2)
Flux thermique (kW.km-2)
100
50
50
10
arc
volcanique fosse
0
dorsale
0
400°C
200
400
800°C
400°C
1200C
1200°C
1600°C
10
100
1600°C
200
600
isogéothermes
Profondeur (km)
Profondeur (km)
9- Réalisation d’un modèle
A partir du matériel mis à votre disposition, imaginez une manipulation permettant de modéliser les transferts de
chaleur dans le manteau. Réalisez un schéma explicatif et indiquez les résultats attendus.
Montrez votre schéma à l'enseignant avant de réaliser votre montage.
TP6 MANIFESTATIONS ET ORIGINE DE L’ENERGIE INTERNE DU GLOBE - REPONSES.
1. rayon de la Terre: 6 400 km = 6,4 106 m
surface de la Terre: 4×(6,4 106)2 = 5,15 1014 m2
puissance totale du dégagement de chaleur par la Terre: 0,08 × 5,15 1014 = 4,1 1013 W
2. Cette puissance est largement supérieure à celle d'un séisme (×100), à celle du volcanisme (×10).
Elle correspond environ à 10 000 centrales nucléaires. En revanche, elle ne représente que 0,03% de
l'énergie reçue du Soleil.
3. Ceci montre que la Terre ne dissipe pas seulement l'énergie emmagasinée lors de sa formation, elle
doit produire de la chaleur.
4.
Enveloppes du
globe terrestre
Croûte continentale
Volume ( km3)
Caractères étudiés
Teneur en Uranium Puissance dégagée
(tonne/km3)
par km3( W/km3)
Puissance totale
(W)
7,1 109
1800
1700
1,2 1013
(60% de la croûte)
1,8 109
300
280
5,1 1011
Manteau
9,1 1011
30
28
2,55 1013
Noyau
1,8 1011
?
?
?
(40% de la croûte)
Croûte océanique
(épaisseur moyenne de la croûte: 0,4×35 + 0,6×6 = 17,6 km)
L'enveloppe qui produit la plus grande partie de la chaleur terrestre est le manteau.
5. La température augmente fortement (le gradient est élevé) dans les 200 premiers kilomètres
jusqu'à environ 1500°C. Ensuite elle augmente un peu moins vite puis de nouveau rapidement jusqu'à
la fin du manteau supérieur. Dans le manteau inférieur, la température augmente très peu (le
gradient est très faible). En revanche, elle augmente brusquement à la limite manteau-noyau
(1000°C en moins de 100 km).
6. Le gradient est élevé pour la lithosphère et pour le début du manteau inférieur donc le transfert
de chaleur dans ces enveloppes doit se faire par conduction. Au contraire, il est très faible dans
l'asthénosphère et le reste du manteau inférieur donc ces enveloppes doivent être le siège de
mouvements de convection.
7. Le flux géothermique est réparti de façon inégale à la surface de la Terre: il est faible à l'intérieur
des plaques et dans les zones de collision et il est fort au niveau des zones de subduction et surtout
des dorsales.
8. Au niveau des dorsales, il y a une remontée des isothermes qui est due à la remontée de
l'asthénosphère et ceci explique l'importance du flux.
Pour les zones de subduction, les isothermes s'enfoncent au niveau de la fosse mais ils remontent au
niveau de l'arc volcanique donc globalement le flux est plus élevé que la moyenne.
9. On place dans le cristallisoir de l'huile normale et de l'huile colorée par de la poudre de craie qui
est donc un peu plus dense et se dépose au fond. On chauffe la base du cristallisoir grâce à une
bougie. L'huile colorée va se réchauffer, sa densité va diminuer et elle va monter vers la surface et
créer une cellule de convection.