Séquence 6 - LeScientifique.fr

Séquence 6
Le soleil : une source
d’énergie essentielle
Sommaire
1. Le soleil, source d’énergie pour la biosphère
2. Le soleil, à l’origine de ressources énergétiques « fossiles »
3. Le soleil, à l’origine de ressources énergétiques renouvelables
4. Synthèse de la séquence
5. Exercices
Séquence 6 – SN20
1
© Cned – Académie en ligne
1
Le soleil, source d’énergie
pour la biosphère
Pour s’interroger
Des questions
Nous avons vu dans le chapitre 1 de la séquence 3 que
les astres qui orbitent autour du soleil reçoivent des
rayonnements solaires et que la quantité de rayonnements
reçue par chacun dépend de sa distance au soleil.
Que
devient l’énergie solaire
atteignant la surface terrestre ?
Quelles actions l’énergie solaire
exerce-t-elle sur Terre ?
Ainsi la Terre qui est située à 150 millions de kilomètres du soleil reçoit en permanence une puissance
de 170 millions de gigawatt (Giga signifie milliard =
109). Sur les 170 millions de GW (gigawatts) reçus, la
Terre en réfléchit 48 et en absorbe 122. Les rayonnements solaires absorbés apportent lumière et chaleur
à la surface de la Terre.
Ce que nous savons
Pour se nourrir, pour assurer leur croissance et leur fonctionnement, les
végétaux chlorophylliens n’ont besoin que de matières minérales : eau,
sels minéraux, dioxyde de carbone, mais ils ne peuvent produire leur
matière qu’en présence de lumière émise par le soleil. Cette production de
matière dépendante du soleil constitue la photosynthèse.
Activité 1
Communiquer en utilisant les modes de représentation des sciences
expérimentales : représenter des informations sous forme d’un schéma
À partir des connaissances, compléter le schéma suivant pour présenter
les besoins nutritifs des végétaux chlorophylliens.
Document 1
À compléter
Comment
se déroule la photosynthèse :
conversion de l’énergie solaire en matière
vivante ?
Quelle
est l’importance de la photosynthèse
à l’échelle du végétal et de la biosphère ?
Séquence 6 – SN20
3
© Cned – Académie en ligne
A
La conversion de l’énergie solaire en
matière vivante par photosynthèse
Dans quelles conditions se déroule la photosynthèse, quels sont les
produits de la photosynthèse ?
1. Les conditions de la photosynthèse
Activité 2
Raisonner : rechercher, extraire, organiser des données en relation avec
le problème posé
Questions
Par la mise en relation des deux documents, montrer que le soleil permet
une production de matière par la plante, déterminer le lieu de cette
production et la nature de la matière produite.
Aide
Expliquer l’intérêt du protocole expérimental. Que représente la masse
mesurée ?
Exploiter les données du document 1 (avec des valeurs chiffrées) pour
montrer la nécessité de l’énergie solaire dans la production de matière
vivante.
À partir du document 2, définir les conditions de l’expérience (ce que
l’on mesure, quel est le paramètre variable).
À partir du document 2, déduire le lieu de réalisation de la photosynthèse, et la nature de la matière produite.
Mettre en relation l’ensemble des informations, notamment le lieu de la
photosynthèse et l’exposition au soleil.
Document 2
Un pied de Pélargonium, dont la moitié des feuilles ont été enfermées
dans un cache noir, est placé au soleil pendant 10 heures.
À l’aide d’un emporte pièce, on découpe le même nombre de rondelles
dans les feuilles laissées au soleil et celles placées à l’obscurité. On a
également réalisé des rondelles témoins au temps 0 de l’expérience.
On place alors ces rondelles à l’étuve à 100°C jusqu’à déshydratation
complète.
On mesure ensuite la masse de matière sèche végétale obtenue. Les
résultats ci-après ont été obtenus avec 200 rondelles de chaque.
Tableau des résultats :
Masse (en g)
4
Rondelles témoins
0.15
Rondelles de feuille placées au soleil
0.21
Rondelles de feuille placées à l’obscurité
0.15
Séquence 6 – SN20
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Document 3
Feuille et synthèse
Les Doryphores (insectes coléoptères) se nourrissent de feuilles de
pommes de terre, à l’état larvaire, comme à l’état adulte. Leur prolificité
(= fécondité plus ou moins grande d’un être vivant ou d’une espèce) est
telle qu’en quelques semaines, ils peuvent dévorer toutes les feuilles
d’un champ.
Les Pommes de terre forment des organes de réserves, les tubercules,
essentiellement constitués d’amidon.
Les données ci-dessous présentent les résultats de récoltes de tubercules
obtenues par deux pieds de la même espèce cultivés dans des conditions
climatiques identiques. Des Doryphore ont mangé les feuilles de l’un des
pieds.
À retenir
La synthèse de matière organique
par exemple l’amidon = glucide,
se déroule dans les feuilles
chlorophylliennes des végétaux,
exposées à la lumière à partir de
l’énergie solaire. Cette synthèse
qui dépend de la lumière se
nomme la photosynthèse.
Sans
Doryphore
Avec
Doryphore
Nombre de tubercules
30
30
Taille moyenne en mm
100
20
Masse moyenne en g
100
20
Dans quelles conditions se déroule cette synthèse dépendante
de la lumière ?
Activité 3
Raisonner : rechercher, extraire, organiser des données en relation avec
le problème posé. Communiquer en utilisant les modes de représentation
des sciences expérimentales : représenter des informations sous forme
d’un tableau
Questions
Concevoir un protocole expérimental pour déterminer toutes les
conditions nécessaires à la réalisation de la photosynthèse.
La réponse est à présenter dans le tableau proposé.
Dans une expérience ; on précise ce que l’on mesure, dans quelles
conditions, et on ne fait varier qu’un seul facteur à la fois.
À partir des connaissances et de la question précédente, proposer une
équation chimique simple de la photosynthèse à partir des formules
chimiques suivantes :
CO2, H2O, O2, C6H12O6 (= glucose= un élément de l’amidon, qui est
un assemblage de plusieurs glucoses)
Séquence 6 – SN20
5
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Matériel à disposition :
– feuille de pélargonium vert ;
– feuille de pélargonium avec des parties non chlorophylliennes ;
– enceinte pouvant créer une atmosphère dépourvue de CO2 ;
– cache noir ;
– lampe ;
– dispositif permettant de décolorer les feuilles (elles deviennent
blanches) de façon à visualiser les réactions avec le réactif coloré ;
– réactif colorée = lugol, qui réagit en présence d’amidon, par une
coloration violette.
Dispositif
expérimental
Test à l’eau iodée
pour montrer la …
Résultats
Interprétations
À retenir
Le soleil permet la photosynthèse :
– La lumière solaire est convertie en énergie chimique utilisable pour
produire de la matière organique, dans les parties chlorophylliennes des
végétaux.
– La production des molécules organiques (constituées d’au moins
d’atomes de carbone, d’oxygène et d’hydrogène) s’effectue à partir de
molécules de dioxyde carbone et d’eau.
La photosynthèse permet la synthèse (= fabrication) de nombreuses
molécules organiques différentes (glucides, protéines, lipides), en utilisant
aussi les éléments minéraux du sol (phosphore, l’azote…) (Voir exercice).
La photosynthèse est la production de molécules organiques, à partir de
matière minérale, grâce à l’énergie solaire. Cette production s’accompagne
d’un rejet de dioxygène.
eau + molécules minérales
H2O + CO2+ (N, P, ….)
6
Séquence 6 – SN20
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molécules organiques + dioxygène
C, H, O, N… + O2
Activité 4
Document 4
Communiquer en utilisant les modes de représentation des sciences
expérimentales
Compléter le document 4 à partir des connaissances.
25000
production
matière
organique
La photosynthèse est une production de matière vivante.
2. La photosynthèse est une production de
matière vivante, nécessaire au fonctionnement des végétaux
La
Activité 5
vie est-elle possible pour les végétaux sans lumière ?
Raisonner : rechercher, extraire, organiser des données en relation avec
le problème posé
Exploiter les documents proposés pour montrer que la photosynthèse
est nécessaire au fonctionnement des végétaux et qu’elle permet la
production de matière vivante.
On réalise des cultures d’euglènes (algues vertes unicellulaires) dans
différentes conditions, durant 48 h.
Les algues sont placés pour le lot A dans un milieu nutritif contenant des
ions minéraux et placées à l’obscurité, pour le lot B, dans le même milieu
nutritif mais à l’obscurité.
Questions
Définir les conditions de l’expérience (ce qui est mesuré, les facteurs
constants, le facteur variable).
Émettre une hypothèse pouvant expliquer l’aspect des deux lots à la
fin de l’expérience.
Séquence 6 – SN20
7
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Présenter les résultats obtenus sous forme d’un tableau, en exprimant
la quantité de cellules par microlitre. (Compter les euglènes visibles au
microscope dans au moins 5 carrés et faites la moyenne. En déduire le
nombre d’euglènes présentes dans un μl.)
Émettre une critique quant à ces résultats.
Interpréter les résultats pour répondre au problème posé.
Document 5
Le tableau présente les résultats de l’expérience
Matériel
biologique
Composition du
milieu de culture
Aspect au début
de l’expérience
(t0)
Aspect à la fin de
l’expérience
(t0 + 48 h)
Suspension
d’euglènes
Lot A
Eau + ions minéraux
à la lumière
Vert clair
Vert foncé
Suspension
d’euglènes
Lot B
Eau + ions minéraux
à l’obscurité
Vert clair
Vert clair
Pour préciser les résultats des expériences, on peut évaluer le nombre
de cellules d’euglènes par millilitre de milieu de culture en les observant
au microscope sur une lame spécialement conçue pour pouvoir les
compter : la lame de Kova. (Voir le principe dans la séquence chapitre C)
Rappel
Le volume total d’une grille est de 1 μl ou 1 mm3.Une grille est constituée de
9 grands carrés. Chaque grand carré est divisé en 9 petits carrés. Chaque
grand carré contient donc 1/9 μl. Chaque petit carré contient 1/81 μl.
Document 6
À retenir
Lot A début de l’expérience
Lot A la fin de l’expérience
8
Séquence 6 – SN20
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Lot B début de l’expérience
Lot B fin de l’expérience
La photosynthèse assure la
conversion de l’énergie solaire
en énergie utilisable par les
végétaux, pour réaliser leurs
activités cellulaires (comme la
division par exemple) et pour
produire leur matière organique.
(Les molécules organiques
peuvent être dégradées au cours
de la respiration pour fabriquer
de l’énergie nécessaire à
la réalisation des activités
cellulaires ou être utilisés pour
la constitution des végétaux.) La
photosynthèse permet donc la
production de matière vivante.
3. La photosynthèse est une production de
matière vivante, nécessaire pour la biosphère
Les végétaux réalisent la photosynthèse à partir de l’énergie solaire.
Pour s’interroger
La chlorophylle, pigment photosynthétique sous haute surveillance…
Actuellement, les scientifiques sont en mesure d’évaluer le fonctionnement
de la biosphère grâce à la télédétection, en mesurant notamment la concentration de chlorophylle (pigment photosynthétique) par unité de surface.
Quel
est le rôle de la photosynthèse dans le fonctionnement
de la biosphère ?
Comment
quantifier son impact ?
Activité 6
Raisonner : rechercher, extraire, organiser des données en relation avec
le problème posé, proposer des hypothèses
Utiliser des modes de représentations scientifiques
Objectif
On veut montrer que la photosynthèse permet le fonctionnement de
toute la biosphère et que l’on peut mesurer ses effets.
Questions
A partir du document 7, identifier le rôle des végétaux au niveau du
réseau trophique de l’écosystème.
Pourquoi peut-on les qualifier de producteurs primaires ?
Document 7
Une partie du réseau trophique au sein d’un écosystème forestier.
(Légende : x → y = x mangé par y)
renard
buse
lapin
arbres, herbe
cerf
Séquence 6 – SN20
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A partir du document 8, calculer les biomasses totales animales et
végétales. Déterminer le pourcentage de la biomasse animale et celui
de la biomasse végétale par rapport à la biomasse totale.
Définition : La biomasse est la quantité de matière
vivante dans un écosystème, c’est-à-dire la masse
totale des organismes dans un écosystème.
Document 8
Quantité de biomasse (en tonnes) dans l’écosystème forêt
Utiliser le document 9 pour déterminer quels sont les processus biolo-
giques qui entrainent une fuite de matière et d’énergie au niveau de
réseau trophique.
Calculer le pourcentage de matière organique dégradée par respira-
tion chez un Cerf, par rapport à la quantité de matière organique ingérée. (document 9)
Document 9
Le devenir de la matière dans un écosystème
La matière organique produite au cours de la photosynthèse par les
végétaux ou ingérés par les animaux, est en partie dégradée au cours
de la respiration, pour produire de l’énergie nécessaire au fonctionnement de l’organisme.
Par exemple pour un cerf, pour 500 g d’herbe consommée, 5 g sert à
la croissance de l’animal, 320 g sont dégradés par la respiration ,175
g sont rejetés dans les excréments.….
Par ailleurs, une autre partie de la matière, à la mort de l’organisme,
échappe à la chaine alimentaire pour être dégrader en matière minérale (au cours de la respiration) par les décomposeurs. (Animaux, et
bactéries du sol… = faune du sol)
10
Séquence 6 – SN20
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Montrer qu’il existe ainsi un flux c’est-à-dire un transfert de matière
et d’énergie au sein de l’écosystème entre les différents niveaux de
l’écosystème, en complétant le schéma proposé.
Aide pour compléter le schéma
Aide pour compléter le schéma :
Compléter les cases représentant les niveaux de l’écosystème à l’aide du
document 7.
Indiquer à l’endroit qui convient les pertes par respiration.
Représenter par des flèches :
Le transfert de matière et d’énergie entre les différents niveaux de l’écosystème.
Le devenir de la matière organique morte dansle fonctionnentde l’écosystème.
Remarque : Ne pas oublier la légende.
Ecrire un titre.
Document 10
Le devenir de l’énergie dans un écosystème exemple la forêt
Energie
solaire
D
E
C
O
M
P
O
S
E
U
R
S
Matière minérale
Producteurs primaires =
Producteurs primaires =
Les végétaux chlorophylliens n’utilisent qu’une infime partie de l’énergie solaire reçue environ 1%.
L’énergie solaire utilisée au cours de la photosynthèse permet la production de matières organiques. Les scientifiques quantifient cette production de matières organiques par unité de surface
et par unité de temps et définissent ainsi la productivité primaire brute= (PPB).
Une partie de La matière organique fabriquée par les végétaux leur permet de produire de l’énergie
par respiration, nécessaire à leur fonctionnement.
Ainsi les scientifiques prennent en compte cette perte et définissent la productivité primaire nette.
La productivité nette est égale à la productivité primaire brute moins la matière organique dégradée par respiration.
PPN = PPB - R
Séquence 6 – SN20
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Utiliser l’ensemble des données de télédétection ainsi que vos
connaissances pour montrer l’importance de l’énergie solaire dans le
fonctionnement de la biosphère.
Pour cela, vous devez utiliser des données de télédétections. Ces données sont disponibles sous forme de fichiers à télécharger dans le site
des « Ressouces associées ».
Télécharger
ces fichiers sur votre ordinateur.
ISF ( indice de surface foliaire),
PPN(productivité primaire nette)
RN (radiation nette).
Ouvrir
ces fichiers avec Google Earth.
Les données de télédétections étudiées ici sont :
L’indice
de surface foliaire qui se définit comme étant la moitié de la surface totale occupée par les feuilles (les deux côtés de la feuille), par unité
de surface au sol.
La
productivité primaire nette, définie précédemment, ici exprimée en
quantité de carbone en gramme (contenu dans les molécules organiques)
par unité de temps par jour.
La radiation nette correspond à la quantité d’énergie solaire reçue par la terre
retranchée de l’énergie réfléchie par la surface de la planète. La radiation
nette = RN se mesure en Watt.m–2
Aide à la réalisation
Décrire
l’évolution de l’indice foliaire en fonction de la latitude, indiquer
un lieu où l’indice est le plus élevé en précisant sa valeur, et un lieu où
l’indice est le plus faible, en précisant sa valeur.
Décrire
l’évolution de la productivité primaire nette en fonction de la
latitude, en donnant des valeurs chiffrés significatives.
Mettre
en relation ces données avec les données précédentes, c’est – à
dire établir une relation de cause à effet entre la répartition de la productivité primaire nette et l’indice foliaire.
Proposer
une hypothèse pour expliquer l’inégale répartition de la productivité primaire à la surface du globe à l’aide des connaissances relatives aux conditions de la photosynthèse.
Exploiter
les données concernant la radiation nette pour confirmer ou
non l’hypothèse posée. Cette exploitation doit être précise avec des
valeurs chiffrées.
Rédiger une courte conclusion pour
12
Séquence 6 – SN20
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répondre au problème posé.
À retenir
Dans un écosystème, il existe de nombreuses interrelations et notamment
des relations trophiques. Les végétaux chlorophylliens sont à la base de
tout réseau trophique.
Les végétaux permettent l’entrée de la matière et de l’énergie dans l’écosystème, grâce à la photosynthèse. Ils fabriquent de la matière organique
au cours de la photosynthèse à partir de l’énergie solaire reçue et constitue
ainsi la biomasse. Les végétaux chlorophylliens n’utilisent qu’une infime
partie de l’énergie solaire reçue environ 1%.
L’énergie solaire utilisée au cours de la photosynthèse permet la production de matières organiques. Les scientifiques quantifient cette production
de matières organiques par unité de surface et par unité de temps et définissent ainsi la productivité primaire brute= (PPB).
La matière et l’énergie sont transférées le long du réseau trophique, avec
une transformation progressive à chaque niveau de la matière organique
par respiration et au cours de la décomposition en matière minérale.
La matière organique dégradée par respiration échappe ainsi au transfert
de matière dans l’écosystème. Ainsi on définit la productivité primaire
nette, qui représente le transfert réel de matière et d’énergie au sien d’un
écosystème. La productivité nette est égale à la productivité primaire
brute moins la matière organique dégradée par respiration.
PPN = PPB - R
La biosphère est l’ensemble de tous les écosystèmes de la planète et présentent une productivité primaire plus ou moins forte en fonction de l’énergie solaire reçue.
L’infime quantité d’énergie solaire transformée en énergie chimique (1 %
de l’énergie solaire reçue) au cours de la photosynthèse conditionne le
fonctionnement de toute la biosphère, en fournissant matière et énergie à
la biosphère.
À savoir définir : production primaire, biomasse,
productivité primaire nette
Séquence 6 – SN20
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B
Les utilisations de la photosynthèse
par l’homme
La photosynthèse est à l’origine du fonctionnement de tous les
écosystèmes et nous, humains, utilisons à notre profit la matière végétale
produite grâce à la photosynthèse.
Quelles
utilisations l’Homme fait-il des produits de la
photosynthèse ?
1. La photosynthèse, source de nourriture
pour l’humanité
Nous, humains, nous nourrissons directement grâce à la
photosynthèse lorsque nous
mangeons des céréales (blé, riz,
maïs,…), des algues, des fruits
ou des légumes.
Cette vache se nourrit de l’herbe produite
par photosynthèse.
Lorsque nous mangeons sa viande ou des
produits fabriqués à partir de son lait, nous
nous nourrissons donc toujours grâce à la
photosynthèse, mais de manière indirecte
cette fois !
La photosynthèse est source de nourriture pour l’humanité, qui cultive
des plantes dans le but de les consommer depuis environ 10 000 ans
(invention de l’agriculture).
Ainsi, en cultivant des végétaux chlorophylliens pour sa nourriture et
celle de son bétail, l’homme exploite la photosynthèse à son profit.
14
Séquence 6 – SN20
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Quelle
est l’importance de la biomasse utilisée par l’Homme ?
Ne sert-elle qu’à nous nourrir ?
Document 12
La production de biomasse végétale dans les différents milieux
continentaux et son exploitation par l’Homme
La biomasse (définition dans l’activité 6) est mesurée en gigatonnes (Gt)
de matière sèche. Le préfixe Giga signifie milliard (109).
Production annuelle
de biomasse
Production annuelle
de biomasse exploitée
par l’Homme
Cultures
12
5,9
Pâturages
24
2,2
Forêts
72
4,7
Autres (sol sans
végétation, steppes)
12
0
Type de surface
continentale
Document 13
Les usages de la biomasse végétale exploitée par l’Homme
Production
d’énergie
Autres usages
industriels
17,97 %
34,37 %
47,66 %
Alimentation
Activité 7
Questions
Raisonner : extraire données en relation avec le problème posé
Calculer, à partir du tableau du document 12 quel pourcentage de la
biomasse produite sur les continents est exploitée par l’Homme.
Séquence 6 – SN20
15
© Cned – Académie en ligne
Trouver, dans le document 13 quelle part de la biomasse végétale
exploitée sert à l’alimentation humaine. Calculer alors quelle part
(pourcentage) de la biomasse produite sert à l’alimentation humaine.
Quelles
sont les ressources naturelles nécessaires pour
pratiquer l’agriculture et obtenir cette biomasse végétale qui
nous nourrit ?
Nous avons précédemment vu que la réalisation de la photosynthèse
nécessite de l’eau.
Les végétaux chlorophylliens trouvent l’eau dont ils ont besoin dans la
terre où ils sont ancrés par leurs racines.
L’agriculture nécessite donc deux ressources naturelles : l’eau et des
sols cultivables.
Une première ressource naturelle nécessaire à l’agriculture : l’eau
L’agriculture est le secteur d’activité qui utilise le plus d’eau à l’échelle
mondiale : plus de 70 % de l’eau consommée sert à la production
agricole. 20 % des terres agricoles sont irriguées.
Document 14
Irrigation d’une culture par aspersion
L’irrigation est un apport artificiel
d’eau aux cultures en vue
d’augmenter
la
production
végétale ou tout simplement de
permettre le développement
normal des plantes en cas de
déficit en eau (sécheresse).
Pour avoir une idée des besoins
en eau, citons ces deux chiffres :
la production de 1 kg de blé
nécessite 1500 litres d’eau et celle
de 1 kg de riz 4500 litres !
© Cned.
Document 15
Les ressources en eau dans le monde
LÉGENDE
Amérique du Nord
et Amérique centrale
Pourcentage
des réserves d'eau
mondiales
Amérique du Sud
Europe
Pourcentage
de la population
mondiale
Afrique
Asie
Australie
et Océanie
0
16
Séquence 6 – SN20
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<1
10 20 30 40 50 60
Pourcentage
Activité 8
Raisonner : rechercher des données en relation avec le problème posé,
adopter une démarche explicative
Question
Utiliser le document pour montrer que l’eau est une ressource très
inégalement répartie dans le monde. Pour cela, vous pouvez calculer, pour
chaque région, le rapport entre la ressource en eau et la population.
L’eau ne suffit pas pour faire pousser des plantes cultivées. Elles
poussent sur de la terre qui fait partie de ce que l’on nomme le sol, mais
toutes les surfaces terrestres ne peuvent pas être utilisées pour cultiver
des plantes : seuls certains sols sont cultivables.
Une seconde ressource naturelle nécessaire à l’agriculture : les
sols cultivables (ou sols arables)
Quelle
superficie de sols cultivables y a-t-il sur Terre ? À quelle
condition un sol est-il cultivable ?
Les terres émergées représentent 30 % de la surface terrestre contre
70 % pour les océans.
Document 16
L’occupation actuelle des terres émergées
Type d’occupation de la surface
Activité 9
Questions
Superficie en milliards
d’hectares
Terres cultivées (cultures et plantations)
1,5
Pâturages (prés, savanes)
3,4
Forêts, zones boisées
3,9
Autres (déserts, lacs, villes, …)
4,5
Raisonner : rechercher des données en relation avec le problème posé
Utiliser le document 16 pour déterminer la superficie totale des
terres émergées puis calculer quel pourcentage de cette surface est
actuellement cultivé.
Sachant qu’il y a 6 milliards d’humains sur Terre, déterminer quelle
surface cultivable est disponible par habitant
Sachant qu’il y a de l’ordre de 1,1 milliard d’hectares de surface
cultivable actuellement non cultivée (sans toucher aux forêts),
déterminer quel pourcentage de la surface des continents est
cultivable.
Les surfaces actuellement cultivées sont inégalement réparties dans le
monde : 40 % sont situées dans les pays développés et 60 % dans les
pays en voie de développement.
Séquence 6 – SN20
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Des surfaces cultivables mais qui pourraient l’être ne sont pas encore
cultivées, mais 75 % de la surface continentale n’est pas cultivable
du tout ! Il s’agit des milieux trop secs, trop humides, trop salés, des
zones en pente trop forte, des sols trop minces, trop pauvres en matière
nutritives.
Donc tous les sols ne sont pas cultivables, loin de là ! Les sols cultivables
sont en quantité limitée sur Terre.
La séquence 7 de votre cours vous en dira plus sur les sols et les menaces
qui pèsent sur eux.
Nous avons pu voir dans le document 13 que la biomasse végétale ne
sert pas seulement à nourrir les humains mais qu’elle a aussi des usages
industriels (par exemple la production de papier à partir du bois) et
qu’elle sert même à produire de l’énergie !
Certaines productions végétales sont en effet à l’origine de combustibles
susceptibles de remplacer le pétrole. On appelle ces combustibles des
agro carburants.
Que
sont exactement les agro carburants ? Sont-ils une
alternative à l’utilisation de pétrole ?
2. La photosynthèse, source d’agro carburants
Document 16
Les agro carburants 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 agro carburants 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’agro carburants 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 agro carburants 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.
18
Séquence 6 – SN20
© Cned – Académie en ligne
Chaque étape de la production d’agro carburants 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’agro
carburant. 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’agro carburant obtenu à partir de la canne à sucre brésilienne est
de 5,82, celle l’agro carburant obtenu à partir de la betterave de 1,25
et celle de l’agro carburant produit à partir de maïs est inférieure à 1.
De nouveaux agro carburants 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.
Activité 10
Raisonner : extraire des informations d’un document, mettre en relation
des informations
Questions
Lister les arguments qui font que le bilan des agro carburants n’est
actuellement pas satisfaisant.
Expliquer en quoi les agro carburants de seconde génération apportent
une réponse à certains problèmes posés par les agro carburants
actuellement produits.
À retenir
Le soleil est la source d’énergie qui permet la production de biomasse
végétale.
Celle-ci est source de nourriture pour les humains et leur bétail mais
également, depuis quelques années, source de carburants.
L’agriculture est en concurrence avec la nature puisque certains
écosystèmes naturels sont détruits pour faire place à des « agrosystèmes »,
et au sein de l’agriculture, production d’aliments et d’agro carburants sont
en concurrence !
La population humaine a triplé au XXe siècle. Elle augmente de 1,7 % par
an : d’ici 2 050 il devrait y avoir 9 milliard d’humains sur Terre soit 30 % de
plus qu’aujourd’hui ! Cela nécessite, d’ici 2 050 de doubler la production
agricole mondiale.
La responsabilité humaine est engagée sur les questions fondamentales
de gestion des ressources agricoles.
Les humains doivent être capables de couvrir leurs besoins alimentaires
et énergétiques tout en préservant leur environnement. C’est un enjeu de
société que de mettre en œuvre une gestion durable des ressources.
Séquence 6 – SN20
19
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2
Le soleil, à l’origine de ressources
énergétiques « fossiles »
Les hommes pour subvenir à leurs besoins utilisent de l’énergie. Une
partie de cette énergie provient de combustibles fossiles, il s’agit
de l’énergie solaire intégrée aux molécules végétales au cours de la
photosynthèse, il y a plusieurs centaines de millions d’annés.
L’exploitation de ces ressources limitées, impose une gestion des
ressources et des questions de développement durable
Comment se forme un combustible fossile ?
Comment envisager le devenir des combustibles fossiles dans la
problématique énergétique mondiale et dans la perspective d’un
développement durable ?
A
L’origine biologique du pétrole
Pour s’interroger
Les textes anciens permettent d’affirmer que le pétrole
brut est connu depuis la plus haute antiquité. Employé
autrefois comme lubrifiant, imperméabilisant,
insecticide, médicament… Il n’est devenu un grand
produit industriel qu’au milieu du XIXe siècle.
Des questions
Comment
montrer l’origine biologique du pétrole ?
Les alchimistes du moyen-âge ont d’abord considéré
le pétrole comme issu de la condensation du mercure
et du soufre, ainsi le pétrole fut considéré jusqu’à la
fin du XIXe siècle comme un produit sans rapport avec
les êtres vivants du passé.
Depuis cette époque, les découvertes en biochimie
et en géochimie pont permis de déterminer l’origine
(biologique) du pétrole.
Activité 1
Rechercher, extraire, organiser des données en relation avec le problème posé
À partir des documents proposés et des connaissances, montrer que le
pétrole est d’origine biologique.
20
Séquence 6 – SN20
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Questions
Utiliser les données du document 1, pour montrer que le pétrole est
constitué de molécules organiques.
Comparer la structure des molécules (= hydrocarbures) trouvées dans
le pétrole et celle des molécules biologiques proposées.
Schématiser le devenir d’une molécule de chlorophylle lors de la
maturation qui l’a conduite aux hydrocabures.
Indiquer l’origine du carbone des pétroles.
Document 1
Document 2
Composition chimique élémentaire du pétrole
Éléments chimiques
Quantité (en % de la masse)
C
82 à 86.5
H
10 à 13.6
O
0.01 à 3.5
N
0.03 à 1.20
S
0.06 à 5.50
Structures de molécules (= hydrocarbures) trouvées dans les pétroles
Phytone
Porphyrine de vanadium
(très fréquente dans les pétroles)
Document 3
Carbone
Hydrogène
Liaison chimique
Azote
Structures de quelques molécules constitutives du vivant
Liaison chimique
Carbone
Hydrogène
Magnésium
Oxygène
Azote
Chlorophyle a
Séquence 6 – SN20
21
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À retenir
La présence de restes organiques dans les pétroles montre qu’ils sont issus d’êtres vivants
chlorophylliens, donc dépend de la photosynthèse. L’ensemble des molécules dérivées du
pétrole sont appelés des hydrocarbures.
Les molécules constitutives du pétrole sont des molécules carbonées constituées de carbone et
d’hydrogène = hydrocarbures, elles proviennent de transformations chimiques des molécules
organiques constitutives des êtres vivants.
La matière organique produite par photosynthèse dans un écosystème, peut être transformée
dans certaines conditions en combustibles fossiles.
Dans
B
quelles conditions se fossilise la biomasse ?
Les conditions de fossilisation de la
biomasse = formation et gisement
du pétrole
1. De la biomasse au pétrole
La matière organique d’un écosystème est très rapidement dégradée
sous l’action des décomposeurs, mais une partie peut échapper à
l’action des décomposeurs dans certaines conditions, si elle est piégée
dans des sédiments qui se déposent au fond des océans.
Activité 2
Raisonner : rechercher, extraire, organiser des données en relation avec
le problème posé.
On recherche les facteurs contribuant à la fuite de l’action des
décomposeurs et à la fossilisation de la biomasse.
Questions
Utiliser le document 4 pour déterminer le facteur contribuant à
l’accumulation de carbone organique dans les sédiments.
À partir du document 5, déterminer le devenir des particules organi-
ques au cours du temps.
22
Séquence 6 – SN20
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Document 4
Tableau de comparaison entre la quantité de carbone organique produite
et celle accumulée dans les sédiments dans les océans et dans les zones
côtières (en g de carbone organique. m-2.an-1)
Productivité primaire
Océans
Zones côtières
Document 5
Carbone organique
accumulé dans les
sédiments
50
0.01
Entre 150 et 250
Entre 3 et 13
Devenir des particules organiques et détritiques dans les bassins
sédimentaires
À retenir
La transformation de la matière organique en
combustible fossile se déroule dans des conditions
particulières nécessitant une forte productivité
primaire, un enfouissement à forte profondeur
pour échapper à la décomposition de la matière
organique en matière minérale par les décomposeurs
microbiens.
(Moins de 1 % de la matière organique produite échappe
ainsi à la décomposition et au recyclage.)
L’enfoncement du fond du bassin sédimentaire se
nomme la subsidence. Ce processus est en autres en
relation avec le poids des formations sédimentaires qui
s’accumulent au cours du temps.
Remarque
La décomposition de la matière
organique est très importante
en milieu continentale où l’air
contient 21 % d’oxygène, c’est
la raison pour laquelle les sédiments marins et lacustres sont
seuls susceptibles de contenir
des gisements de pétrole.
Cela se déroule lorsqu’une biomasse est ensevelie rapidement
sous de fortes quantités de sédiments. La matière organique
retrouve dans des conditions
anaérobies (sans oxygène) et de
ce fait soustraite à l’action des
décomposeurs.
Séquence 6 – SN20
23
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Pour en savoir un peu plus
Pour s’interroger
D’autres facteurs interviennent dans ces processus,
notamment un milieu fermé et peu oxygéné. ces
conditions se rencontrent actuellement dans des
lagunes, deltas, mer fermée type mer rouge, dans les
tourbières…
Dans un bassin sédimentaire, les
dépôts de nouvelles couches de
sédiments se poursuit pendant
des millions d’années, voire des
dizaines de millions d’années.
La permanence de ce bassin
implique son enfoncement au
cours du temps.
La nature de sédiments détritiques (sable, argile,
vase…) conditionne aussi l’enfouissement
Certaines contraintes tectoniques favorisent aussi
l’enfoncement des formations sédimentaires.(voir
exercice)
Ces différents facteurs sont l’objet d’étude de
différents domaines de la géologie impliquant
différents spécialistes.
Dans
quelles conditions se déroule la transformation de la
matière organique piégée dans des sédiments en pétrole en
profondeur ?
Activité 3
La maturation de la biomasse en pétrole
À partir du document 6, identifier les conditions contribuant à la
transformation de la matière organique piégée, en combustible fossile.
La réponse doit être justifiée par des valeurs chiffrées.
Document 6
La maturation de la biomasse en pétrole
proportion relative en constituants (en %)
20
60
40
80
100
0
matière organique (CHON)
1
dégradation
biochimique
kérogène (ch)
dégradation
thermique
2
huile
(CH)
3
4
gaz (CH)
résidus
5
profondeur (en km) et température croissante
24
Séquence 6 – SN20
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La biomasse qui a échappé à l’action des décomposeurs s’enfonce en
profondeur.
Une dégradation biochimique commence, conduisant à la formation de
matière organique appauvrie en oxygène (O) et azote (N), le kérogène.
La température augmente lors de l’enfoncement de 3° tous les 100 m en
moyenne. (La température en surface est autour de 14°C). La pression
augmente aussi au fur et à mesure de l’enfoncement.
Cet enfouissement va conduire d’une part à une transformation progressive
des sédiments en roches, et d’autre part, à la dégradation thermique du
kérogène en pétrole, mélange d’huile et gaz. Cette dégradation correspond
à un enrichissement en carbone et une élimination des éléments O, H et N
(volatils) sous forme de gaz (H2O, CO2, CH4, N2).
À retenir
La transformation chimique de la matière organique piégée dans les sédiments en hydrocarbures
se déroule en profondeur,
Elle subit alors une augmentation de pression (compression) et un réchauffement qui entraîne
sa simplification moléculaire par cuisson (perte d’oxygène puis d’hydrogène). En fonction de la
profondeur de l’enfouissement et de la composition initiale de la matière organique, la cuisson
peut conduire à du charbon, de l’huile (pétrole) ou du gaz.
Ces transformations se déroulent à une température élevée et très lentement en quelques
dizaines de millions d’années. Ce processus est appelé maturation. (Certaines contraintes
tectoniques favorisent l’enfouissement).
2. Les gisements de pétrole
Pour s’interroger
Du fait de leur faible densité, les hydrocarbures (pétrole et gaz) ne restent
pas en profondeur (dans la roche mère) mais remontent en surface.
Dans quelles conditions géologiques est conservé, piégé le pétrole,
comment se forment les gisements de pétrole ?
Activité 4
On recherche les conditions géologiques favorables à l’accumulation de
pétrole dans un gisement
Questions
Expliquer pourquoi le pétrole est localisé dans la roche réservoir et
non dans la roche mère.
Déterminer la fonction de la roche imperméable.
Séquence 6 – SN20
25
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Document 7
Coupe simplifiée d’un gisement pétrolier
La roche réservoir est perméable et
poreuse.
Puits de forage
La perméabilité est l’aptitude d’une roche
à se laisser traverser par un fluide.
Roche imperméable
La porosité est le volume relatif des
espaces vides présents dans une roche.
Hydrocarbures
piégés dans
la roche réservoir
Roche
réservoir
Roche mère
À retenir
Pour en savoir plus
Les gisements actuels d’hydrocarbures sont
localisés dans des bassins sédimentaires,
présentant des conditions géologiques
particulières,
Les combustibles fossiles se forment dans la
roche mère, puis au fur et à mesure ils migrent
vers le haut.
Les combustibles sont stockés dans une
roche réservoir présentant une porosité et
perméabilité importante. Ces propriétés
permettent au pétrole de circuler et d’être
stocké. Cette formation est surmontée d’une
formation peu poreuse et imperméable, afin
de piéger les hydrocarbures et empêcher leur
migration vers le haut.
Les pièges les plus courants =
dispositifs assurant l’étanchéité
du gisement et empêchant la
migration des hydrocarbures vers la
surface sont d’origine tectonique.
Ils contiennent environ 80% des
réserves mondiales de pétrole.
Ces conditions étant difficilement
réunies, seuls 1 % des hydrocarbures
formés sont finalement piégés.
La formation du pétrole est en
relation avec l’activité interne de
notre planète…
Ces différents processus se déroulent très
lentement.
3. La quête de nouveaux gisements
et leurs exploitations
Pour s’interroger
De nombreux mécanismes biologiques et géologiques contribuent à la transformation de la
matière organique en combustibles fossiles sur des dizaines de millions d’années, cependant
ces réserves sont non renouvelables à l échelle humaine.
La population humaine s’accroissant avec un mode de vie de plus en plus énergivore, quel est
le devenir du pétrole dans la problématique énergétique globale ?
26
Séquence 6 – SN20
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Activité 5
Raisonner : rechercher, extraire, organiser des données en relation avec
le problème posé
À partir des documents proposés, relever les enjeux générant la recherche
de nouveaux gisements.
Questions
Relever des valeurs chiffrées significatives pour justifier la réponse et
mettre en relation les données.
Déterminer en moyenne la durée d’années de réserves, pour
l’ensemble des pays considérés.
Document 8
Le prix du pétrole en chiffres…
Dollar et euro
par baril
55
yen
par baril
5500
Dollar
Euro
Yen
50
5000
45
4500
40
4000
35
3500
30
3000
25
2500
20
2000
15
1500
10
1000
5
500
0
1997
Document 9
0
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
Évolution de la consommation de pétrole entre 1995 et 2003
30
Gigabarreels Annually
25
20
15
10
5
Document 10
2003
2001
1997
1999
1995
1993
1991
1989
1987
1985
1983
1981
1979
1977
1975
1973
1971
1969
1967
1965
0
Réserves et années de réserves de pétrole dans le monde
Pays
États-Unis
Réserves
(en milliards de barils)
21,8
Années de réserves
8
Mexique
12,9
9
Canada
12
11
Séquence 6 – SN20
27
© Cned – Académie en ligne
Venezuela
79,7
77
Brésil
11,2
15
Équateur
4,6
24
Norvège
7,7
7
Royaume-Uni
4
6
Russie
60
17
Kazakhstan
9
18
Azerbaïdjan
7
44
Arabie Saoudite
266,8
66
Iran
135.5
86
Irak
115
166
Koweït
104
107
Émirats Arabes Unis
97.8
95
Qatar
15,2
38
Oman
5,5
19
Yémen
4
27
Libye
39
62
Nigéria
36
38
11,4
5,4
18,3
5,8
4,3
15
12
14
20
10
Algérie
Angola
Chine
Inde
Indonésie
La
À retenir
Devant la demande croissante de la population les
réserves de pétrole s’épuisent très rapidement. Le
cours du pétrole augmente. Ce sont donc des enjeux
économiques qui motivent la recherche de nouveaux
gisements.
prospection pétrolière
est motivée par des enjeux
économiques à l’échelle de
la planète, quels sont les
moyens mis en œuvre, et
les impacts générés par
l’exploitation pétrolière sur
la planète ?
Activité 6
Raisonner : rechercher, extraire, organiser des données en relation avec
le problème posé
Questions
À partir des connaissances déterminer quels types de formations
géologiques sont recherchés par prospection sismique et dans quelles
zones géographiques elles sont réalisées.
À partir des documents (11, 12 et 13), relever quelques conséquences
écologiques générées par l’exploitation d’un gisement de pétrole.
28
Séquence 6 – SN20
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Document 11
Faire parler le sous-sol : la prospection sismique
Les prospecteurs créent de
petits séismes artificiels qui
génèrent des ondes pénétrant
dans le sous-sol. Quand ces
ondes rencontrent une limite
géologique entre deux formations géologiques, elles sont
renvoyées en surface, ou elles
sont reçues par des capteurs.
Il est ainsi possible de reconstituer une image du sous-sol,
grâce à un traitement numérique en trois dimensions.
Document 12
Exploitation de gisement dans des conditions extrêmes
Des moyens techniques très
performants et adaptés :
L’extraction du pétrole implique
la construction de structure
comme les plates-formes très
sophistiquées et adaptées aux
gisements à exploiter.
La construction, le transport, le
fonctionnement et la fin de vie
d’une plate-forme génèrent divers
impacts sur l’environnement.
Ainsi la toxicité des revêtements des coques, des peintures ou de
certains déchets perdus en mer, peuvent poser des problèmes locaux.
La combustion des déchets d’hydrocarbures libère une quantité
importante de CO2. Un autre problème est celui des impacts générés
par l’éclairage des infrastructures, qui perturbe la vie marine, les
écosystèmes, mais surtout les oiseaux migrateurs (Pétrels, Puffins,
Macareux…). Les impacts sont difficilement mesurables, mais un
comité spécialisé sur les industries off-shore étudie la question. Des
expériences laissent penser que les oiseaux seraient moins perturbés
par la lumière verte, qu’on pourrait donc privilégier sur les platesformes, mais les feux verts balisant traditionnellement les pistes
d’hélicoptères, certains craignent d’ainsi perturber les habitudes ou le
sens de l’orientation des pilotes.
Séquence 6 – SN20
29
© Cned – Académie en ligne
Document 13
Extrait d’un article de presse du Morning Breiz
«Le 20 avril 2010 dans le golfe du Mexique, une explosion et un incendie
se déclarent sur la plate-forme Deepwater Horizon.
Le 22 avril, soit deux jours plus tard, la plateforme coule et repose
désormais par 1 500 m de fond.
Très vite, le pétrole commence à se disperser dans l’eau Ainsi le 2 juin,
la superficie de la nappe de pétrole dépasse les 24 000 km2 ce qui
représente la superficie de la Bretagne.
Les côtes du Sud est des Etats-Unis sont touchées : Louisiane, Floride,
Alabama.
Des boulettes de pétrole ont également été observées au Texas. En
trois mois, selon les estimations, entre deux et quatre millions de barils
(1 baril = 160 litres) se sont déversés en mer.
Les impacts écologiques directs et indirects sont d’une ampleur hors
norme.
Le golfe du Mexique est une zone particulièrement riche en espèces
ayant une valeur commerciale, les autorités ont donc très rapidement
étendus l’interdiction de pêcher à environ un tiers des eaux du golfe du
Mexique.
Par ailleurs, en atteignant les côtes la nappe de pétrole contamine
les écosystèmes locaux très fragiles comme les bayous, ce sont des
zones marécageuses où de nombreuses espèces animales viennent se
reproduire.
Les écologistes estiment qu’il s’agit une catastrophe historique hors
norme. La liste des espèces menacées est longue et ne compte pas
moins de 400 espèces. (Pélicans, Dauphins, Tortues,…)
Les dégâts et impacts futurs ne sont pas encore tous connus, et toute
la vie marine comprise entre le fond de l’océan et sa surface peut être
affectée. »
À retenir
La découverte de nouveaux gisements constitue un enjeu économique
important.
La recherche de nouveaux gisements implique une connaissance précise du
sous-sol et des techniques très sophistiquées et adaptées d’exploitation.
Ces techniques d’exploitations ont des répercussions environnementales
de par leur fonctionnement et des risques d’accidents.
L’exploitation des gisements constitue un enjeu économique et
environnemental important pour l’humanité.
Quels
30
Séquence 6 – SN20
© Cned – Académie en ligne
sont les conséquences de l’utilisation du pétrole ?
C
Combustibles fossiles
et cycle du carbone
La formation du pétrole résulte de mécanismes très lent contribuant
au prélèvement du CO2 atmosphérique au cours de la photosynthèse à
l’origine de la biomasse fossilisée en pétrole.
Activité 7
À partir de l’exploitation des documents, rechercher les impacts de
l’utilisation des combustibles fossiles (pétrole, gaz, charbon et dérivés)
sur le cycle du carbone.
Questions
Comparer l’évolution du taux de CO atmosphérique à celle du taux de
2
CO2 d’origine fossile.
À partir du document 16, construire un tableau présentant les
différents réservoirs du carbone, et les formes de stockage.
À l’aide du document 17, compléter le cycle du document 16.
Document 14
Évolution du taux de CO2 dans l’atmosphère
On peut mesurer l‘évolution du taux de CO2 atmosphérique grâce à
des bulles de gaz emprisonnées dans la glace au niveau des calottes
glaciaires.
CO2 en ppm
360
340
320
300
280
270
1800
1900
2000
Années
Séquence 6 – SN20
31
© Cned – Académie en ligne
Document 15
Évolution de la production de CO2 d’origine fossile depuis 1860
Production de CO2
d’origine fossile (Gt)
10
1
01
1860
1900
1940
1980
2000
Années
La combustion des produits fossiles (pétrole, charbon…) rejette du CO2
dans l’atmosphère.
Document 16
Le cycle naturel du carbone
Le CO2 atmosphérique n’est qu’une des formes chimiques sous
laquelle se trouve le carbone sur notre planète. Cet élément chimique
est stocké dans plusieurs compartiments terrestres (= réservoirs), sous
d’autres formes. Le carbone existe dans l’eau sous forme dissoute (ions
HCO3-), dans la matière organique (glucides, lipides, protides) et la
matière minérale (squelettes, coquilles, ….) des êtres vivants ; dans les
combustibles fossiles (sous forme d’hydrocarbures), dans la lithosphère,
au niveau des roches sédimentaires, par exemple les calcaires (Sous
forme de carbonate de calcium CaCO3), et aussi dans les roches du
manteau terrestre (non représenté sur le schéma). Les molécules
carbonées sont soumises à des échanges permanents entre ces
réservoirs, où elles séjournent pendant des durées variables. Différents
processus physiques, chimiques et biologiques sont impliqués dans ces
transferts. La vitesse des transferts est mesurée par des flux de carbone
annuels. Le cycle du carbone représente ces échanges entre réservoirs,
on le qualifie de naturel si l’on ne tient pas compte des effets des
activités humaines (les échanges sont quantifiés en masse de molécules
carbonées ramenées à leur masse de carbone).
Les valeurs indiquées sont exprimés en Gt pour les réservoirs et en Gt.
an-1 pour les flux.
32
Séquence 6 – SN20
© Cned – Académie en ligne
Le cycle naturel du carbone
Atmosphère
760 Gt
Biosphère
610 Gt
Hydrosphère
39 000 Gt
Lithosphère
60 000 000 Gt
précipitation
de sédiments
0,1 Gt
Document 17
Répartition du carbone produit par les diverses activités humaines vers
les différents réservoirs en Gt de carbone par an.
1,9
3,3
atmosphère
océans
1,9
biosphère
À retenir
L’utilisation de combustible fossile restitue à l’atmosphère du dioxyde de carbone prélevé
lentement et piégé depuis longtemps. Brûler un combustible fossile, c’est en réalité utiliser
une énergie solaire du passé. L’augmentation rapide d’origine humaine de la concentration du
dioxyde de carbone interfère avec le cycle naturel du carbone.
Séquence 6 – SN20
33
© Cned – Académie en ligne
3
Le soleil, à l’origine de ressources énergétiques renouvelables
Pour s’interroger
L’énergie solaire « fossilisée » sous forme de pétrole et de charbon est
épuisable. L’utilisation massive depuis 200 ans de ces combustibles
fossiles a provoqué en peu de temps une importante augmentation du taux
de dioxyde de carbone dans l’atmosphère, augmentation qui contribue au
réchauffement climatique. Pour ces deux raisons, des sources d’énergie
autres que fossiles sont de plus en plus utilisées par les humains pour
couvrir leurs besoins énergétiques croissants. C’est le cas de l’énergie
éolienne, qui tire son nom d’Eole, le maître des Vents dans la Grèce antique,
et de l’énergie hydraulique qui est l’énergie de l’eau.
L’Homme a très tôt exploité l’énergie du vent à l’aide de moulins
à vent qui semblent avoir existé dès l’an 600 en Perse. Ils
sont mentionnés dans l’œuvre Don Quichotte de la Manche de
l’écrivain espagnol Cervantès parue au début des années 1600.
Les moulins à vent sont équipés d’ailes en bois recouvertes de toile. Leur
rotation, qui est provoquée par le vent, actionne différents éléments (roues
et engrenages) qui permettent de faire tourner une meule qui broye par
exemple des grains de céréales, les transformant en farine.
Les moulins à vent sont « les ancêtres » des éoliennes qui se développent
actuellement et qui servent le plus souvent à produire de l’électricité (mais
une éolienne peut aussi servir à actionner une pompe à eau).
L’énergie hydraulique est elle aussi connue depuis longtemps avec les
moulins à eau dont la roue tournait grâce à l’écoulement de l’eau d’un
ruisseau.
Actuellement les centrales hydroélectriques convertissent l’énergie de
l’eau qui s’écoule en énergie électrique.
Énergie éolienne et énergie hydraulique sont qualifiées de renouvelables.
Comment
l’énergie de l’air et de l’eau sont-elles exploitées
par l’Homme ?
En
quoi énergie éolienne et énergie hydraulique sont-elles
des énergies renouvelables ?
34
Séquence 6 – SN20
© Cned – Académie en ligne
A
Deux des énergies renouvelables à
disposition de l’humanité : l’énergie
éolienne et l’énergie hydraulique
1. L’énergie éolienne : faire de l’électricité
avec le vent
(3)
(2)
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.
(1)
De leur vrai nom, les éoliennes sont donc des
aérogénérateurs !
© Cned.
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.
Séquence 6 – SN20
35
© Cned – Académie en ligne
Exemple d’une centrale hydroélectrique : Les centrales hydroélectriques
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).
Lac de
retenue
Barrage
ligne à
haute tension
conduite
forcée
turbine
transformateur
alternateur
canal de fuite
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 !
À retenir
Les énergies éolienne et hydraulique sont des énergies
cinétiques c’est-à-dire procurées par le déplacement
d’un fluide : l’air dans un cas, l’eau dans l’autre.
Les fluides sont les corps qui ne sont pas solides,
qui coulent ou s’écoulent facilement. Les gaz et les
liquides sont des fluides.
Actuellement (en 2010), la
technologie des hydroliennes
est encore dans sa phase
expérimentale : plusieurs modèles
d’hydroliennes sont actuellement
testés à travers le monde.
Les énergies éolienne et hydraulique sont donc des
énergies issues des mouvements qui animent les
enveloppes fluides de la Terre que sont l’atmosphère
et l’hydrosphère (formée par toute l’eau présente sur
Terre).
Comment
les enveloppes fluides de la Terre sont-elles mises
en mouvement ?
36
Séquence 6 – SN20
© Cned – Académie en ligne
B
Le soleil, à l’origine des énergies
hydraulique et éolienne
1. Le soleil, directement responsable
du cycle de l’eau
Nous avons vu dans le chapitre 1 de la séquence 3 que, sur la Terre,
l’eau est présente sous trois états physiques différents (liquide, solide
et vapeur). Elle est contenue dans des « réservoirs » (océans, glaciers,
cours d’eau, atmosphère, nappes souterraines,…) entre lesquels des
échanges ont lieu. Ces échanges constituent le cycle de l’eau.
L’eau liquide chauffée par le soleil se transforme en vapeur (évaporation),
principalement à la surface des océans. La vapeur présente dans
l’atmosphère finit par se condenser : elle repasse sous la forme liquide
et tombe sur Terre sous forme de précipitations c’est-à-dire pluie ou
neige. L’eau retourne alors plus ou moins rapidement dans l’océan selon
qu’elle s’écoule en surface dans les rivières et les fleuves ou qu’elle
s’infiltre dans le sol. Elle peut aussi se retrouver temporairement piégée,
« stockée » dans les lacs.
Document 1
Schéma du cycle de l’eau
2
atmosphère
1b
1
2
3
4
Activité 1
Raisonner : extraire des informations d’un document, mettre en relation
des informations
Questions
Indiquer ce qui se passe au niveau des numéros 1, 2, 3 et 4 du
schéma.
Expliquer pourquoi on peut dire que l’énergie solaire est un moteur
du cycle de l’eau.
Séquence 6 – SN20
37
© Cned – Académie en ligne
À retenir
Le cycle de l’eau a pour moteurs l’énergie solaire (responsable de
l’évaporation) et la gravité (responsable de l’écoulement). En utilisant
l’énergie de l’écoulement de l’eau des rivières et des fleuves, les centrales
hydroélectriques exploitent le cycle de l’eau.
On peut donc dire que le soleil est, de manière indirecte, à l’origine de
l’énergie électrique produite au niveau des centrales hydroélectriques !
2. Le soleil, indirectement responsable
des vents et des courants marins
a. L’origine des vents
Sans doute avez-vous déjà vu à la télévision ou dans un journal des
« cartes météo » : elles affichent un certain nombre de données, dont
les pressions atmosphériques qui règnent au sol. Vous avez également
entendu les mots anticyclone et dépression. Il s’agit de vocabulaire
associé aux pressions atmosphériques.
Document 2
Carte des pressions atmosphériques et des vents
La carte ci-contre indique les
valeurs des pressions atmosphériques (lignes courbes) et le sens
des vents dominants (flèches).
– Les lignes sont des courbes
isobares : ce sont des lignes
(imaginaires) qui relient les
zones qui subissent la même
pression atmosphérique. Le
chiffre indique la valeur de
cette pression en hPa (hPa =
hectoPascal. Le Pascal est l’unité
de mesure de la pression).
– A signifie anticyclone et D
dépression.
38
Séquence 6 – SN20
© Cned – Académie en ligne
Activité 2
Raisonner : extraire des informations d’un document, mettre en relation
des informations
Questions
À partir de l’observation de la carte, définir ce que sont un anticyclone
et une dépression.
Mettre en relation les pressions atmosphérique et le sens des vents.
Conclure en indiquant la cause des vents.
À retenir
Pourquoi
Les différentes zones de la surface de la Terre ne sont
pas soumises à la même pression atmosphérique :
certaines zones sont des zones de haute pression
(anticyclones) et d’autre de basse pression
(dépressions).
Ces différences sont à l’origine d’appels d’air : l’air se
déplace des zones de pressions les plus hautes vers
les zones de pressions les plus basses, ce qui tend à
équilibrer les pressions.
Ce sont ces déplacements d’air que nous appelons
vents.
Document 3
y-a-t-il des différences de pression atmosphérique à la surface du
sol ?
Nous allons le comprendre grâce à
l’observation et à l’interprétation
des mouvements de l’air dans
différentes situations.
Le problème c’est que l’air est
invisible ! Pour le rendre visible, on
y introduit de la fumée, grâce à de
l’encens qui brûle.
Les mouvements de l’air dans des situations différentes
Manipulation A :
(1) = coupelle d’encens
(2) = bloc réfrigérant à température ambiante
(3) = bloc réfrigérant glacé.
A2
A1
(3)
(2)
(1)
© Cned.
© Cned.
Séquence 6 – SN20
39
© Cned – Académie en ligne
Manipulation B
B2
B1
© Cned.
© Cned.
Activité 3
Observer. Raisonner : extraire des informations d’un document, mettre
en relation des informations
Questions
Décrire la trajectoire de l’air chaud enfumé qui s’échappe de l’encens
dans la situation A1 (sans oublier de décrire sa trajectoire au niveau
du bloc réfrigérant).
Indiquer si, selon vous, ce déplacement de l’air crée, au dessus de la
coupelle d’encens, une dépression ou au contraire une surpression.
Indiquer quelle condition expérimentale a été modifiée pour faire
l’observation A2 et décrire le mouvement de l’air dans ce cas.
Mettre en relation le fait que l’air subit un refroidissement et sa
trajectoire afin de déduire l’effet d’un refroidissement de l’air sur son
« comportement ». Dire si, selon vous, ce type de situation conduit à
une dépression ou d’une surpression « au sol ».
Activité 4
Observer. Raisonner : extraire des informations d’un document, mettre
en relation des informations
Questions
Indiquer quelle condition expérimentale a été modifiée entre
l’observation B1 et l’observation B2.Comparer la trajectoire de l’air
dans les deux situations.
Montrer que l’on peut faire l’analogie avec une dépression et du vent.
À retenir
Des différences de température créent des différences de pressions atmosphériques.
Cela est dû au fait que selon la température, la densité de l’air change.
L’air chauffé devient moins dense, ce qui entraîne son ascension. Cette ascension provoque une
baisse de la pression au sol (dépression).
À l’inverse, l’air qui se refroidit devient plus dense et donc « tombe » vers le sol, créant une
surpression (anticyclone).
40
Séquence 6 – SN20
© Cned – Académie en ligne
Les
dépressions et les anticyclones qui se forment à la
surface de la Terre sont-ils eux aussi liés à des différences
de température ?
Document 4
Les températures moyennes à la surface de la Terre
Isotherme annuelle moyenne de 20°
Isotherme annuelle moyenne de -5°
Activité 5
Question
Observer. Raisonner : extraire des informations d’un document
Décrire la répartition des températures à la surface de la Terre.
À retenir
Sur Terre il existe des différences marquées de températures entre les
différentes régions du globe. Les températures ont une répartition en
fonction de la latitude (répartition latitudinale) : les régions équatoriales
(latitude 0°) sont plus chaudes que les régions tropicales elles-mêmes plus
chaudes que les zones polaires (latitudes élevées : 70 à 90° de latitude
Nord et Sud).
La région équatoriale est plus chaude que les régions qui sont de part
et d’autre. L’air y est également plus chaud car les basses couches de
l’atmosphère sont chauffées par le sol : en effet, la surface terrestre
chauffée par le soleil, émet en retour un rayonnement (non lumineux) qui
chauffe l’air.
L’air chaud des régions équatoriales a une densité faible et s’élève. Cet air
est chaud mais également humide car l’évaporation dans ces régions est
intense.
L’air chaud et humide se déplace en altitude vers les tropiques. Pendant
son « trajet » en altitude vers le nord et le sud, il se refroidit et sa densité
augmente donc. Il finit par redescendre vers la surface de la Terre où il se
déplace vers l’équateur où il revient donc !
Un tel circuit est appelé cellule de circulation atmosphérique (ou de
convection atmosphérique).
Séquence 6 – SN20
41
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Document 5
Schéma d’une cellule de convection atmosphérique
Altitude (en km)
15
(2)
(1)
10
(3)
5
(4)
(5)
Vers l’équateur
Activité 6
Question
(6)
Plusieurs milliers de kilomètres
Vers le pôle
Retrouver à quelle légende écrite ci-dessous correspond chacun des
numéros 1 à 6 portés sur le document
Refroidissement de l’air : n° …
Descente d’air froid (et sec) : n° …
Réchauffement de l’air : n° …
Zone de basse pression : n° …
Ascension d’air chaud (et
humide) : n° …
Zone de haute pression : n° …
À l’échelle de la planète, les scientifiques ont mis en évidence l’existence
de plusieurs grandes cellules de circulation atmosphérique de ce type
entre l’équateur et les pôles. Ce sont elles qui régissent les vents sur
Terre et sont responsables de la répartition des zones climatiques.
Document 6
42
Les cellules de convection atmosphérique sur Terre
Séquence 6 – SN20
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Activité 7
Question
Observer
Déterminer, dans le document combien il y a de cellules de circulation
atmosphérique entre l’équateur et chaque pôle.
Remarque
Grâce à ces cellules, l’air
est brassé en permanence et
la chaleur de l’équateur est
transférée vers les pôles !
Nous venons de voir que les courants d’air que sont
les vents sont liés à des différences de pression à la
surface du sol, elles-mêmes dues à des différences
de température entre zones terrestres.
Pourquoi
les températures ne sont-elles pas
homogènes à la surface de la Terre ?
Afin de comprendre pourquoi il existe une zonation des températures
sur Terre, on utilise un dispositif analogique qui permet d’étudier
l’arrivée de rayonnements en différents points du globe.
On rappelle qu’une expérience analogique consiste à reproduire, en
utilisant un matériel adapté, un phénomène naturel en modifiant les
échelles et les durées afin de les rendre observables.
Matériel :
– Un globe terrestre.
– Une source de lumière : ici un projecteur à diapositives.
– Une planche de bois percée de plusieurs trous alignés, de même
diamètre.
Protocole expérimental : on éclaire le globe à travers la plaque percée
de trous. On observe et on compare la surface éclairée à différentes
latitudes (entre les pôles et l’équateur).
© Cned.
Séquence 6 – SN20
43
© Cned – Académie en ligne
Résultat
© Cned.
Une bande de papier a été positionnée sur le globe et le contour des
taches de lumière a été tracé.
Nigéria
Algérie
France
Activité 8
Observer. Raisonner : extraire des informations d’un document, mettre
en relation des informations
Questions
Indiquer l’intérêt d’utiliser une plaque percée de trous et indiquer
pourquoi il est important que tous les trous aient le même diamètre.
Comparer la forme et la surface des taches de lumière en chacun des
trois lieux.
Utiliser le document 7 pour expliquer la différence de forme entre la
tache obtenue au niveau du Nigéria et celle obtenue en France.
Montrer que l’observation réalisée permet de comprendre que la
quantité d’énergie reçue par unité de surface (par cm2 ou m2) est
inégale d’un lieu à l’autre.
Mettre en relation l’analogie et la réalité afin de répondre au
problème.
44
Séquence 6 – SN20
© Cned – Académie en ligne
Document 7
Répartition au sol d’un faisceau de lumière en fonction de son angle
d’incidence
Faisceau
de lumière
90°
45°
À retenir
À retenir
Du fait de la sphéricité de la Terre, l’énergie solaire y est inégalement
répartie selon la latitude. Cela est à l’origine de différences de température
entre lieux, différences qui sont responsables de différences de densité
de l’air.
Les différences de densité de l’air sont elles-mêmes à l’origine de
mouvements verticaux de masses d’air dans l’atmosphère (l’air chaud
monte, l’air froid descend). Il en résulte des différences de pression au
sol (zones dépressionnaires et zones anticycloniques) qui créent des
déplacements d’air horizontaux : l’air se déplace en effet des régions où
la pression atmosphérique est forte vers les régions où elle est faible. Ces
mouvements horizontaux sont les vents !
Les vents ont lieu dans la couche d’air comprise entre 0 et 15 km (= la
troposphère). Leur vitesse est de l’ordre d’une dizaine de mètres par
seconde.
Remarque : du fait de la rotation de la Terre et d’autres phénomènes, les
masses d’air ne vont pas « en ligne droite » des anticyclones vers les
dépressions : elles sont déviées (par la force de Coriolis) et s’enroulent sur
elles-mêmes.
Nous connaissons maintenant l’origine des vents dont l’énergie est
exploitée par les éoliennes.
Pour ce qui est de l’énergie hydraulique, nous avons vu que la force de
l’eau qui s’écoule est exploitée au niveau des barrages hydroélectriques.
Les courants marins sont une autre source d’énergie hydraulique exploitée
par des hydroliennes placées en mer.
Quelle
est l’origine des courants ? Comment l’eau des océans
est-elle mise en mouvement ?
Séquence 6 – SN20
45
© Cned – Académie en ligne
b. L’origine des courants marins
Les courants marins sont des déplacements de masses d’eau à l’intérieur des
océans. Elles se déplacent à des vitesses de l’ordre de 10 à 20 km. h-1.
Il y a des courants marins de surface et des courants marins en
profondeur.
Document 8
Les courants marins de surface
Les flèches noires représentent les principaux courants de surface dans
les différents océans.
OCÉAN GLACIAL ARCTIQUE
EURASIE
AMÉRIQUE
DU
NORD
OCÉAN
OCÉAN
AFRIQUE
ATLANTIQUE
équateur
PACIFIQUE
AUSTRALIE
2000 km
(équateur)
AMÉRIQUE
DU
SUD
OCÉAN
INDIEN
OCÉAN GLACIAL ANTARCTIQUE
chaud qui circule dans l’Atlantique nord le long des côtes de l’Amérique
du nord et se dirige vers le nord de l’Europe (repérez les flèches qui lui
correspondent sur la carte). Cette eau qui se déplace à 8 km. h-1 développe
une énergie cinétique équivalente à celle de vents à 230 km. h-1 !
Document 9
Un modèle analogique pour comprendre l’origine des courants marins
Matériel :
– Deux cristallisoirs B1 et B2 dans lesquels on va respectivement placer
de l’eau chaude et des glaçons.
– Deux bouteilles en plastique (A1 et A2) reliées par deux tubes
transparents horizontaux : l’un mettant en communication le haut des
deux bouteilles (C1) et l’autre situé plus bas (C2).
46
Séquence 6 – SN20
© Cned – Académie en ligne
A1
– De l’eau colorée en rouge
(bouteille A1) et de l’eau colorée
en bleu (bouteille A2).
A2
C1
C2
B1
B2
© Cned.
Protocole expérimental
eau colorée
en rouge
eau colorée
en bleu
eau chaude
eau + glace
On verse simultanément l’eau colorée en
rouge dans la bouteille qui plonge dans
l’eau chaude et l’eau colorée en bleu
dans la bouteille qui plonge dans les
glaçons, de façon à ce que les deux eaux
colorées « se rencontrent » à mi-chemin
des tubes transversaux.
Observation
réalisée au bout de 4 à
5 mn .
Séquence 6 – SN20
47
© Cned – Académie en ligne
Activité 9
Observer. Raisonner : extraire des informations d’un document, mettre
en relation des informations
Questions
Décrire l’observation réalisée. Ajouter des flèches sur le document
pour matérialiser le déplacement qui se produit.
Proposer une explication à cette observation, sachant que le
« comportement » de l’eau en fonction de la température est
comparable à celui de l’air.
Utiliser cette expérience analogique pour proposer une explication aux
courants marins et montrer qu’il s’agit d’une forme d’énergie solaire.
Pour information
À retenir
L’eau est un fluide qui, comme
l’air, est mis en mouvement par
une différence de densité qui
trouve son origine dans une
différence de température.
Les eaux marines ont une densité moyenne de 1,028
(cela signifie que 1m3 d’eau pèse 1028 kg).
Lorsque la température diminue de 1°C, la masse de
1m3 d’eau augmente de 0,2 kg.
Les courants marins trouvent leur origine dans les différences de
températures entre les différentes zones océaniques. En effet, les
océans, comme la surface terrestre et l’air, sont inégalement chauffés
par les rayonnements solaires.
Les différences de température ne sont pas le seul facteur à l’origine des
courants océaniques : les courants de surface, par exemple, résultent
également de l’action des vents qui entraînent avec eux (par friction) les
eaux de superficielles.
Les courants marins sont donc, comme les vents, liés à l’inégale
répartition de l’énergie solaire sur Terre.
Le soleil est donc en permanence à l’origine des sources d’énergie
que sont les vents et les courants. C’est pourquoi ces énergies ont un
caractère renouvelable.
C
Les possibilités d’utilisation
des énergies renouvelables liées
au soleil par l’Homme
Actuellement, les activités humaines nécessitent 0,5 ZJ. an-1(1 ZJ = un
zetta joules = 1021 joules).
48
Séquence 6 – SN20
© Cned – Académie en ligne
Grâce
à quelles ressources l’homme produit-il l’énergie qu’il
utilise ?
Document 10
Les sources énergétiques actuellement exploitées à l’échelle mondiale
pétrole
charbon
gaz naturel
biomasse
éolien
hydro-électrique
nucléaire
Activité 10
Questions
Raisonner : extraire des informations d’un document
Lister les ressources énergétiques citées dans le document et qui sont
d’origine solaire.
Lister les ressources énergétiques d’origine solaire qui sont renouvelables.
Comparer la part actuelle des énergies d’origine solaire renouvelables
et non renouvelables.
La Terre connaît une augmentation démographique qui devrait la
conduire à porter 9 milliards hommes d’ici 2 050.
Les besoins énergétiques devraient alors dépasser les 0,7 ZJ. an-1.
Ces besoins ne pourront évidemment pas être couverts par les
combustibles fossiles : les ressources en pétrole, gaz et charbon
s’épuisent, or ce ne sont pas des ressources renouvelables du fait qu’ils
sont consommés à une vitesse bien supérieure à la vitesse à laquelle ils
sont créés !
Par contre, le soleil fournit largement assez d’énergie pour satisfaire les
besoins énergétiques humains mêmes plus importants qu’aujourd’hui !
La Terre absorbe en effet chaque année, une quantité d’énergie solaire
qui est de 3 850 ZJ.
Activité 11
Question
Raisonner : mettre en relation des informations
Déterminer quelle durée d’ensoleillement de notre planète est nécessaire
pour couvrir les besoins annuels en énergie de l’humanité.
Séquence 6 – SN20
49
© Cned – Académie en ligne
Un peu plus d’une heure d’ensoleillement suffit à apporter sur Terre
l’équivalent des besoins énergétiques humains d’une année entière !
L’Homme doit donc trouver les moyens d’exploiter pleinement les sources
d’énergie renouvelable d’origine solaire en développant et déployant les
technologies que sont les éoliennes, les hydroliennes, les panneaux
solaires, etc…
Le développement des énergies renouvelable est nécessaire pour
s’inscrire dans la durée. Actuellement, à l’échelle mondiale, elles ne
représentent que 12 à 13 % de la production totale d’énergie. Lorsqu’il
n’y aura plus ni pétrole ni charbon ni gaz, il faudra bien que leur rôle soit
majeur !
Cependant, tous les moyens d’exploitation ne peuvent pas être installés
n’importe où. Il faut que les installations soient économiquement
rentables et il faut également tenir compte d’éventuels impacts négatifs
sur le paysage ou l’environnement. Par exemple la construction d’un
barrage sur une rivière fait obstacle à la migration des poissons, elle
peut également conduire à engloutir une vallée et donc à déplacer les
populations qui y ont leurs villages.
Cette exploitation croissante des ressources renouvelables s’inscrit dans
une démarche de développement durable, c’est-à-dire que nous devons
utiliser les ressources de notre planète afin de répondre à nos besoins
présents sans compromettre ceux des générations futures. L’humanité
n’a pas le choix !
50
Séquence 6 – SN20
© Cned – Académie en ligne
4
Synthèse
de la séquence
L’énergie solaire qui atteint la surface de notre planète est utilisée par
les végétaux chlorophylliens terrestres et marins pour la réalisation de
la photosynthèse.
L’énergie solaire lumineuse permet la photosynthèse, c’est-à-dire la
synthèse de matière organique à partir de matières minérales (eau, sels
minéraux et dioxyde carbone) dans les parties chlorophylliennes de la
plante.
Toute la biomasse d’un écosystème dépend de sa productivité primaire
qui permet l’entrée de matière minérale et d’énergie dans le monde
vivant. La productivité primaire mondiale permet le fonctionnement de
toute la biosphère.
La présence de restes organiques dans le pétrole et l’ensemble des
combustibles fossiles (charbon, tourbe.) montre qu’ils sont issus d’une
biomasse. Brûler un combustible fossile, c’est donc en réalité utiliser
une énergie solaire du passé.
Dans des environnements de haute productivité, une faible proportion
de la matière organique échappe à l’action des décomposeurs puis
se transforme en combustible fossile au cours de son enfouissement.
La répartition des gisements de combustibles fossiles montre que
transformation et conservation de la matière organique se déroulent
dans des conditions géologiques bien particulières.
La connaissance de ces mécanismes permet de découvrir les gisements
et de les exploiter par des méthodes adaptées. Cette exploitation a des
implications économiques et environnementales.
L’utilisation de combustible fossile renvoie rapidement à l’atmosphère
du dioxyde carbone prélevé lentement et piégé depuis longtemps.
L’augmentation rapide d’origine humaine de la concentration du
dioxyde de carbone dans l’atmosphère interfère avec le cycle naturel du
carbone.
Les conséquences climatiques avec l’augmentation de l’effet de serre
seront abordées ultérieurement.
L’Homme, comme les autres animaux, dépend de la photosynthèse
pour la satisfaction de ses besoins alimentaires. Il est donc en ce sens
dépendant l’énergie solaire !
La biomasse végétale qu’il exploite lui permet d’avoir nourriture, énergie et
matériaux. L’homme détourne donc une partie de la biomasse à son profit !
Séquence 6 – SN20
51
© Cned – Académie en ligne
L’agriculture, c’est-à-dire l’activité humaine qui permet de produire la
biomasse végétale utilisée, nécessite deux ressources naturelles : de
l’eau et des sols cultivables. Ces deux ressources sont inégalement
réparties sur Terre (inégale répartition spatiale), fragiles et en quantité
limitée.
La part de l’énergie solaire transformée en biomasse végétale est très
faible : moins de 1 %.
Le reste, à savoir 99 % de l’énergie solaire, chauffe l’air (par l’intermédiaire
du sol) et l’eau et provoque l’évaporation de l’eau, ce qui permet le cycle
de l’eau.
Du fait de sa sphéricité, le chauffage de la Terre par le soleil n’est pas
uniforme : l’énergie solaire est inégalement reçue à la surface de la
Terre.
Cette inégale répartition est à l’origine des vents dans l’atmosphère
et des courants dans les océans. L’énergie cinétique des vents et des
courants est exploitable par l’humanité.
En fait, l’énergie solaire est à l’origine de presque toutes les sources
d’énergie sur Terre :
– le rayonnement solaire qui est lui-même utilisé (au niveau des
installations photovoltaïques par exemple),
– l’énergie cinétique des vents,
– l’énergie cinétique des courants marins, de la houle et des vagues,
– les énergies combustibles fossiles que sont le pétrole et le charbon.
Seules l’énergie nucléaire, la géothermie et l’énergie marémotrice ne
sont pas d’origine solaire.
L’énergie solaire, l’énergie éolienne et l’énergie hydraulique sont,
contrairement aux combustibles fossiles, des énergies renouvelables.
En effet, alors que les combustibles fossiles sont consommés à une
vitesse bien supérieure à la vitesse à laquelle ils sont créés, les énergies
renouvelables proviennent-elles de ressources rapidement régénérées.
L’utilisation des énergies renouvelables s’accroît d’année en année. Cela
est une nécessité face à l’augmentation de la population mondiale et à
l’augmentation de la demande énergétique qui en découle.
L’exploitation croissante des sources d’énergie renouvelable s’inscrit
dans une démarche de développement durable qui vise à satisfaire les
besoins actuels de l’humanité sans compromettre ceux des générations
futures.
52
Séquence 6 – SN20
© Cned – Académie en ligne
5 Exercices
Exercice 1
Questions
Choisir la ou les bonnes réponses :
La photosynthèse assure la production de :
a) Lénergie solaire.
b) Molécules organiques.
c) Molécules minérales.
La photosynthèse utilise :
a) De 5 à 10 % de l’énergie solaire reçue par la Terre
b) De 30 à 50 % de l’énergie solaire reçue par la Terre
c) Moins de 1 % de l’énergie solaire reçue par la Terre.
La combustion du pétrole libère :
a) Du dioxyde de carbone..
b) Du dioxygène.
c) Des molécules organiques.
Un gisement de pétrole est localisé :
a) Dans la roche réservoir.
b) Dans la roche mère.
c) En surface.
Exercice 2
Raisonner : rechercher, extraire, organiser des données en relation avec
le problème posé
À partir de l’exploitation des documents et de vos connaissances, déterminer la nature des molécules produites par photosynthèse et les éléments nécessaires à cette synthèse.
Questions
A partir du document 1, monter que le CO du milieu est incorporé
2
dans la matière vivante au cours de la photosynthèse.
Déterminer la nature des molécules produites par la photosynthèse.
En mettant en relation la nature chimique des molécules produites
au cours de la photosynthèse et la composition des cultures hors-sol,
expliquer la nécessité d’un apport en sels minéraux dans les cultures
hors sol.
Ecrire sous forme d’une équation bilan le déroulement de la photo-
synthèse.
Séquence 6 – SN20
53
© Cned – Académie en ligne
Document 1
Cette expérience a été menée par Calvin, scientifique qui a reçu le prix
Nobel, suite à ses travaux.
Des chlorelles (algues unicellulaires) sont placées dans un milieu de
culture à la lumière.
Puis, une injection de CO2 marqué, c’est-à-dire fabriqué à partir du carbone 14 radioactif 14C, est effectuée dans le milieu de culture. Trente
seconde après l’incorporation, les algues sont ébouillantées, ce qui bloque instantanément toutes les réactions biochimiques.
Les molécules contenues dans le cytoplasme des Algues sont ensuite
séparées en les faisant migrer sur un papier filtre spécial et on réalise
une autoradiographie des molécules étalées. Toute molécule radioactive, ayant donc intégré du 14C fait une tâche noire sur la plaque photographique. Ici les taches ont été colorées pour différencier glucides et
protides.
acide glutamique
alanine
acide aspartique
glycine
sérine
trioses phosphate
saccharose
oses
phosphate
glucose
glucides
protides (acides aminés)
oses
diphosphate
L’alanine, la glycine, la sérine et l’acide glutamique sont des acides aminés, constituants des protéines et de formule:
Acide Aspartique
Glycine
HOOC
COO
H CH
CH2
Acide Glutamique
Alanine
CH
COO
NH2
CH
NH2
54
Séquence 6 – SN20
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HOOC
CH2
CH2
CH
NH2
Sérine
HOH2C
COOH
NH2
NH2
H3C
CH
COOH
COOH
Document 2
Les cultures hors-sol
Ces méthodes de cultures sont classiquement utilisées par les professionnels en horticulture. Elles demandent un apport contrôlé en eau et
en sels minéraux pour répondre aux besoins des plantes. Par exemple, le
magnésium est un constituant fondamentale de la chlorophylle (pigment
vert), le potassium permet la synthèse des protéines, l’azote est constituant des protéines…
Sels minéraux
Concentration (mg. L-1)
NO3-
170.8
NH4+
30.8
K+
210.7
Ca2+
124
Mg2+
18
-
Exercice 3
SO4 2
72
H2PO4-
213.4
Choisir les bonnes réponses
1- Les pôles reçoivent moins d’énergie solaire que l’équateur
a- parce qu’ils sont plus éloignés du soleil.
b- parce que l’atmosphère y est plus épaisse.
c- parce que les rayons du soleil arrivent obliquement à leur surface.
2- Est une énergie renouvelable
a- l’énergie hydraulique.
b- l’énergie issue du charbon.
c- l’énergie éolienne.
Exercice 4
Les courants marins sont pour partie dus aux différences de température
à la surface de la Terre. Un autre facteur en est également la cause : il
s’agit des différences de salinité (teneur en sel) de l’eau de mer selon les
endroits (en moyenne 35 g de sel par litre). Les eaux des régions polaires
sont en effet plus salées que les eaux des régions équatoriales.
On cherche à montrer, par une expérience analogique,
qu’une différence de salinité peut provoquer des
mouvements d’eau.
On dispose du matériel suivant :
– de l’eau du robinet, incolore,
– un pot de sel,
– du colorant bleu,
– des récipients pour faire des mélanges,
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– le dispositif présenté dans le schéma. Les bouteilles et les tubes sont
vides au départ. Les tubes font communiquer les deux bouteilles.
Questions
Proposer une expérience utilisant ce matériel permettant de vérifier
qu’une différence de salinité provoque des mouvements d’eau.
Proposer un montage témoin.
Indiquer ce qui doit se produire dans le montage expérimental et
dans le témoin, sachant que lorsque la salinité de l’eau augmente de
1 g. L-1, alors la masse de l’eau augmente de 1 kg par m3.
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