THEME 2 : ENJEUX PLANETAIRES CONTEMPORAINS THEME 2 A : GEOTHERMIE ET PROPRIETES THERMIQUES DE LA TERRE ESSENTIEL 5 - Les propriétés thermiques de la Terre Connaissances La Terre émet à sa surface de l'énergie thermique. L'Homme utilise cette énergie, dite géothermique, pour satisfaire une fraction de ses besoins énergétiques (production d'électricité et chauffage notamment). L'exploitation de l'énergie géothermique, inépuisable à l'échelle de l'humanité, est une des alternatives possibles aux énergies fossiles. Comment exploite-on l’énergie géothermique ? Quels processus produisent l’énergie géothermique ? I. Gradient et flux géothermiques témoignent d'une énergie interne La Terre libère de la chaleur d'origine profonde De nombreuses manifestations à la surface du globe attestent de la présence de matériaux chauds en profondeur. C'est le cas des sources hydrothermales qui libèrent des fluides chauds, mais aussi des éruptions volcaniques qui sont des manifestations ponctuelles et brutales de la libération d'énergie interne. Enfin, l'augmentation de la température avec la profondeur est une réalité bien connue des mineurs : plus une mine est profonde, plus il y fait chaud. Le gradient et le flux géothermique mesurent cette libération d'énergie Des forages permettent de mesurer l'élévation de température avec la profondeur, ou gradient géothermique : sa valeur est en moyenne de 30°C.km -1. Le flux géothermique, mesurée W.m-2, correspond à la dissipation d'énergie provenant des profondeurs de la Terre et traversant une surface donnée en un temps donné. Une telle mesure permet d'évaluer le transfert de chaleur de la profondeur vers la surface. 95% de la libération d'énergie interne est ainsi dissipés de façon diffuse, les 5 % restants correspondant à des événements localisés brefs : séismes et éruptions volcaniques. Gradient et flux géothermiques varient selon le contexte géodynamique Le flux géothermique présente des variations importantes d'une région à l'autre : il est, par exemple, un peu plus élevé au niveau des océans que sur le continent. Dans les domaines océaniques, les zones à flux de chaleur élevé sont les dorsales océaniques d'une part, les arcs volcaniques liés à la subduction et les points chauds d'autre part. En revanche, le flux de chaleur est faible au niveau des zones stables (plateau continental et plein abyssal) de même qu'au niveau des fosses associées à la subduction. Sur les continents, un flux géothermique élevé est observé dans les régions volcaniques mais aussi dans certains rifts continentaux où la croûte est amincie. II. Origine du flux géothermique et modalités du transfert d'énergie Une origine principale : la désintégration d'éléments radioactifs La chaleur de la Terre provient essentiellement (90 %) de la désintégration naturelle des isotopes radioactifs de certains éléments chimiques présents dans les roches du globe : uranium (238U et 235U), thorium (232Th) et potassium (40K). Le noyau atomique instable des isotopes radioactifs se fragmente spontanément en libérant un rayonnement et de l'énergie thermique. Même si le manteau est moins concentré en ces isotopes que la croûte terrestre, sa masse énorme lui permet de jouer le rôle prépondérant dans la production d'énergie interne. Deux mécanismes de transfert inégalement efficaces L’énergie thermique produite est transférée au sein des enveloppes du globe selon deux modalités : la conduction à la convection. La conduction correspond un transfert de chaleur de proche en proche. Il n'y a pas, dans ce cas, de déplacement de matière. L'échange thermique entre une région chaude et une région voisine plus froide se matérialise par un fort -1 gradient thermique (par exemple dans la croûte, 30°C.km ). L'efficacité de ce transfert dépend de la conductivité du matériau. La convection, en revanche, correspond à un transfert de chaleur avec un déplacement de matériau qui conserve pratiquement sa température. Le gradient thermique est alors très faible (de 0,3°C.km -1par exemple). Ce mécanisme de transfert d’énergie, très efficace, se met en place lorsqu’un matériau chaud et peu dense est surmonté par un matériau froid et plus dense. La matière chaude a tendance à s’élever et, à terme, à se refroidir. À l'inverse, la matière plus froide et plus dense a tendance à descendre et, à terme, à s'échauffer. Les cellules de convection s'organisent alors. Un modèle thermique du globe On peut considérer la terre comme une sphère dans laquelle existe une convection lente dans le manteau à l'origine des remontées et des descentes asthénosphériques. Celles-ci sont à l'origine de la dynamique lithosphérique et donc aussi à l'origine des manifestations de surface. Ces cellules de convection sont repérables par tomographie sismique. Ainsi, c'est la dissipation d'énergie interne du globe « fait bouger » les plaques. De part et d'autre de cette zone convective existent deux couches où règne la conduction : la lithosphère et l'interface noyau/manteau. C'est la conduction à travers la lithosphère qui est responsable du flux géothermique mesuré. Ainsi, l'énergie interne est efficacement transférée par convection de la profondeur vers la surface puis dissipée par conduction à travers la lithosphère. Le globe terrestre se refroidit ainsi très progressivement. III. L'énergie géothermique est utilisée par l'homme L’énergie géothermique chauffe les roches et les fluides qui peuvent circuler. L'Homme extrait ces fluides pour exploiter cette énergie. Dans les bassins sédimentaires comme le Bassin parisien, le gradient géothermique est voisin de 30°.km-1 et les fluides extraits ont une température générale inférieure à 90°C. Ils sont utilisés pour le chauffage collectif : c’est la géothermie « basse énergie ». Dans les zones à activités magmatiques (subduction aux Antilles) ou à l'aplomb des rifts, le gradient géothermique est plus élevé. Les fluides sont prélevés à des températures supérieures à 90 °C et permettre la production d'électricité : c’est la géothermie « haute énergie ». Pour le chauffage, l'énergie géothermique a, en France, un potentiel certain. En revanche, la production d'électricité d'origine géothermique ne représente encore qu'une très faible fraction de l'électricité consommée. Le prélèvement éventuel d'énergie par l'Homme ne représente qu'une infime partie de ce qui est dissipé. Termes importants : Conduction : transfert thermique réalisé de proche en proche par transmission d'une agitation des atomes sans mouvement global des matériaux. Convection : transfert thermique réalisé par le déplacement du matériau du fait de différences de densités entre les secteurs chauds et froids. Le matériau échauffé et devenu moins dense s'élève et remplace la matière plus froide qui tend à s'enfoncer. Énergie géothermique : énergie libérée par la désintégration des éléments radioactifs contenus dans les roches. Elle chauffe les roches et fluides qui circulent. Flux géothermique : quantité d'énergie géothermique dissipée par unité de temps et de surface (exprimé en W.m-2) Gradient géothermique : variations de la température sur une distance donnée dans une enveloppe terrestre -1 (exprimé en °C.km ) Capacités et attitudes : I S’informer, recenser, extraire et organiser des informations pour : - Recenser des informations relatives au gradient et au flux géothermiques. - Exploiter des données extraites des atlas régionaux concernant la température des fluides extraits dans ces zones. - Exploiter l’imagerie satellitale et les cartes de répartition mondiale du flux thermique pour replacer les exploitations actuelles dans le cadre structural : magmatisme de rifting, de subduction ou de points chauds. C Exprimer et exploiter des résultats : - Utiliser un tableur pour calculer les quantités d’énergie libérées par radioactivité dans les différentes enveloppes de la Terre. - Traiter des mesures de conduction et de convection à l’aide d’un dispositif EXAO avec un tableur. DS Pratiquer une démarche scientifique : - Exploiter une modélisation analogique de convection en employant des matériaux de viscosité différente. - Exploiter des données de tomographie sismique afin de préciser la dynamique interne de la Terre. Comprendre le lien entre les phénomènes naturels et le langage mathématique Être conscient de sa responsabilité face à l’environnement. Percevoir le lien entre sciences et techniques. Manifester de l’intérêt pour la vie publique et les grands enjeux de la société