Chap IX : Le défi énergétique : du non renouvelable au renouvelable

 

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Pb I : Quelle est l’origine de l’inégale répartition de l’énergie solaire sur terre ?

Pb II : Quelle relation y-il-entre l’énergie solaire et mouvements de l’atmosphère ?

PB III : Quelle relation y-il-entre énergie solaire et mouvements de l’hydrosphère ?

PB IV  : que est l’Impact des activités énergétiques humaines sur l’atmosphère ?

PbV : Quelles sont les solutions énergiques pour demain ?

Video résumant les problématiques du chapitre :

 

Rappel :le soleil est une étoile :

 

  • Au cœur de notre étoile vieille de 5 milliards d’années que 4 atomes d’hydrogène fusionnent pour donner 1 atome d’Hélium  en dégageant  une extraordinaire quantité d’énergie.
  • Cette énergie est transformée en énergie électromagnétique qui émane du Soleil en direction des l’espace. L’énergie émise par la surface solaire est d’environ 63 106 watts par mètre carré.
  • Après un voyage de 149,5 millions de Km, cette énergie pénètre dans l’atmosphère terrestre. Elle est estimée à environ 1370 W.mS2.

Constat :

  • A proximité de la Terre , on a à peu près la même quantité d’énergie reçue donc on devrait avoir la même température partout.
  • Or un planisphère nous montre l’existence de différentes zones (froide, tempérée et chaude) et une répartition latitudinale des climats.

 

TP:  Le moteur des enveloppes fluides de la Terre

Problème quel est  Le moteur des enveloppes fluides de la Terre ?

  • QUEL EST LE MOTEUR DES COURANTS ATMOSPHERIQUES ?

A l’aide du  matériel proposé sur votre poste et des animations sur le site profsvtsite.com :

1- complétez ce tableau

 

Expérience ou modélisation observation Conclusion
1. Allumer le bâton d’encens et observer le déplacement de la fumée  

 

 

 

 

 
2. Placer une surface froide au dessus du bâton d’encens et observer le déplacement de la fumée  

 

 

 

 

 

 

  • Définissez :
  1. pression atmosphérique : Pression (Force qui agit sur une surface donnée ; mesure de cette force par unité de surface ) atmosphérique  exercée par l’atmosphère terrestre en un point
  2. Vent polaire: Le ventcorrespond au déplacement d’une masse d’air consécutif à des différences locales de température et de pression. Les vents polaires. Ils appartiennent à la cellule polaire. Ils soufflent dans la même direction que les alizés et donc à l’opposé des vents d’ouest.
  3. Alizés nord :  L’alizé est un vent régulier des régions intertropicales (entre 23°27 nord et 23°27 sud), soufflant d’est en ouest de façon régulière des hautes pressions subtropicales (crête subtropicale) vers les basses pressions équatoriales (zone de convergence intertropicale). Dans l’hémisphère nord, il  souffle du nord-est vers le sud-ouest,
  4. Alizés sud il  souffle dans l’hémisphère sud du sud-est vers le nord-ouest
  5. Anticyclone Un anticycloneest une région de l’atmosphère où existe un centre de hautes pressions. Au centre de l’anticyclone, le ciel est dégagé et, en météorologie, des conditions anticycloniques sont synonymes de beau temps.

En effet, dans la zone centrale de l’anticyclone, l’air lourd descend au sol et chasse les nuages dans la zone périphérique créant ainsi un bouclier face aux intempéries.

  1. Dépression atmosphérique : La dépressionest un terme qui fait référence à une zone de basse pression atmosphérique, associée au mauvais temps car à l’origine de courants ascendants favorisant la formation de nuages et de précipitations.
  2. Perturbation atmosphérique : Une perturbation atmosphérique est une interruption de l’équilibre local de l’atmosphère qui conduit à la formation de nuages et de précipitations1. Ces perturbations peuvent se produire à différentes échelles spatiales et selon divers mécanismes. On parle ainsi de perturbations à la stabilité de l’air très locales donnant des orages et de perturbations dynamiques à grande échelle qui évoluent en dépressions météorologiques ou cyclones tropicaux.
  3. Cellule de convection Hadley : La cellule de Hadley est une circulation atmosphérique fermée. Elle redistribue l’énergie accumulée à l’équateur vers les plus hautes latitudes dans les deux hémisphères. On a alors une ascension des masses d’air apportées par les alizés.

La circulation de Hadley intervient sur plusieurs kilomètres d’altitude. Dans les basses couches, proches de la surface, les alizés (des vents d’est) convergent vers l’équateur depuis les deux hémisphères. Ces vents, chargés d’humidité, apportent de la chaleur à l’air équatorial. Par leurs mouvements, ils procurent suffisamment d’énergie pour soulever l’air par convection. Autour de 5° de latitude, les masses d’air s’élèvent et atteignent la tropopause (elles peuvent dépasser les 16 km de haut).

  1. Force de Coriolis : Forceproduite par l’accélération complémentaire due à la rotation terrestre et qui s’exerce sur tous les corps en mouvement à la surface de la Terre. (Elle détermine la direction générale des vents et des courants océaniques, les déviant vers la droite dans l’hémisphère Nord, vers la gauche dans l’hémisphère Sud.)

 

 

 

 

Pb I : Quelle est l’origine de l’inégale répartition de l’énergie solaire sur terre ?

Doc -P132

  • Du fait de la sphéricité du globe, la quantité d’énergie solaire reçue par la surface de la planète varie selon la latitude.
  • Elle diminue de l’équateur vers les pôles.
  • Pour un même pinceau de rayonnement solaire, la quantité éclairée au sol est en effet plus étendue à mesure que l’on s’éloigne de l’équateur, l’énergie est donc moins concentrée.
  • Plus on s’éloigne de l’équateur et moins il y a d’énergie absorbée pour une surface donnée au sol, les zones sont donc de plus en plus froides.

 

Bilan

  • L’énergie solaire reçue A la surface de la Terre dépend de la latitude.
  • En raison de la sphéricité de la Terre (et donc de la variation de l’angle d’incidence des rayons solaires reçues)  un mètre carré de surface du sol à l’équateur reçoit beaucoup plus d’énergie solaire qu’un m2au pôle.
  • Cette distribution de l’énergie est responsable du  découpage en grandes zones climatiques: équatoriale, tempérée, froide. Cette différence dans le bilan   thermique qui est à l’origine d’un transport de chaleur de l’équateur vers les pôles.

 

Pb II : Quelle relation y-il-entre l’énergie solaire et mouvements de l’atmosphère ?

II- -l’origine des vents.

Doc -P133

A-Différences de températures et mouvements verticaux :

  • La chaleur du soleil chauffe le sol qui accumule alors de la chaleur.
  • Celui-ci la restitue à l’atmosphère ce qui chauffe les masses d’air.
  • Ces dernières deviennent moins denses et ont tendance à s’élever créant des colonnes d’air ascendantes dont se servent les oiseaux et les planeurs pour voler sans effort.
  • Ce déplacement d’air vers l’altitude tend à diminuer la pression de l’air en surface créant ainsi une zone de basse pression (dépression).
  • En revanche, l’air d’altitude, froid et dense, a tendance à descendre, (Colonne d’air descendante) créant ainsi une accumulation d’air en surface : zone de haute pression (anticyclone)

B-Différences de pression atmosphérique et mouvements horizontaux :

  • Les mouvements horizontaux (les vents) s’effectuent des zones de haute pression vers les zones de basse pression créées par les mouvements verticaux.
  • Ce déplacement des nuages et la direction des vents sont influencés par la force de Coriolis, conséquence de la sphéricité de la Terre et de sa rotation sur elle-même, d’Ouest en Est.
  • Voir animation Coriolis

Bilan

  • Les zones les plus « éclairées par les rayons solaires » sont les plus échauffées.
  • La chaleur ainsi dégagée par la surface du globe, réchauffe l’air qui devenu moins dense s’élève. Il se crée ainsi des zones de basses pressions à l’origine de mouvements d’air horizontaux en provenance de zones proches mais de plus haute pression : ce sont les vents.
  • Animation sur les cellules de Hadley et forces de coriolis:

voir une des deux vidéos bilans suivantes :

PB III : Quelle relation y-il-entre énergie solaire et mouvements de l’hydrosphère ?

III.   L’origine des courants marins.

Doc -P 134

  1. L’eau s’évapore grâce à la chaleur équatoriale, sous forme de vapeur elle circule grâce aux mouvements atmosphériques ; les précipitations, l’écoulement par gravité permettent le retour de l’eau dans les bassins océaniques.
  2. Les courants marins de surface naissent de l’inégale répartition de l’énergie solaire reçue par la Terre. Poussées par les vents, de gigantesques masses d’eau chaudes sont mises en mouvement des tropiques vers les pôles comme par exemple le Gulf Stream.

Les courants marins prennent donc naissance de l’énergie solaire, c’est une forme de conversion énergétique.

  1. Le Gulf Stream est un immense gisement énergétique, le déplacement d’eau est susceptible de générer une immense quantité d’électricité.

En l’absence de moyens techniques efficaces pour l’utiliser, cela reste théorique, le Gulf Stream est un gisement mais pas encore une réserve utilisable.

Bilan

  • L’atmosphère exerce, par l’intermédiaire des vents, une force d’entraînement mécanique sur les eaux de surface (jusqu’à –200m).
  • Ainsi, la direction des courants superficiels est similaire à celle des vents.
  • De plus, les différences de température de l’eau de surface participent également à la création des courants superficiels. On observe ainsi des courants entre les zones chaudes de l’équateur et les zones froides des pôles.
  • On observe, un déplacement d’eau en surface depuis la zone chaude de l’aquarium vers la zone froide. A ce niveau, on observe également une plongée de l’eau de surface en profondeur.
  • Ce phénomène existe également sur Terre au niveau des zones polaires créant ainsi les courants marins profonds.
  • La différence de température entraîne une différence de densité qui met l’eau en mouvement.

PB IV  : que est l’Impact des activités énergétiques humaines sur l’atmosphère ? p130-131

A- Combustibles fossiles et rejet de CO2  

  1. Le CO2,via l’atome de carbone, est présent dans différents réservoirs sur la planète.

Ces réservoirs sont interdépendants, ils s’échangent le carbone par différents phénomènes qui s’équilibrent au cours du temps (la respiration-fermentation équilibre la photosynthèse, les diffusions d’un réservoir à l’autre s’équilibrent, etc.).

  1. Les archives géologiques montrent que cet équilibre se modifie au cours du temps. Il existe une fluctuation naturelle du taux de CO2 atmosphérique. Tous les 100 000 ans par exemple son taux augmente brutalement. Les échanges entre les réservoirs se modifient, certains deviennent prépondérants et vont faire augmenter ou diminuer le taux atmosphérique.
  2. On observe que la combustion (à laquelle on associera la calcination) et la déforestation donne un flux énorme de CO2 produit par les activités humaines 30 Gt/an, c’est-à-dire 30 fois ce que produit actuellement le volcanisme…
  3. Par la confrontation des documents 2 et 4, le taux actuel de CO2 est inédit depuis 800 000 ans. Jamais il n’avait dépassé 300 ppm, il atteint aujourd’hui 370 ppm.

Bilan

 

  • Lorsqu’on fait brûler un combustible fossile, du carbone est libéré sous forme de CO2. L’océan et la biosphère en réabsorbent la moitié, l’autre moitié s’accumule dans l’atmosphère. On observe :
    – une acidification de l’eau des océans* ;
    – une augmentation de l’activité photosynthétique ;
    – une augmentation de l’effet de serre qui entraîne un réchauffement climatique.

CO2 + H2O <–> H2CO3 <–> H CO3- + H+
acide carbonique

  1. Les réservoirs de carbone à l’échelle de la Terre.
  • L’élément carbone est présent dans différents réservoirs terrestre. Ces réservoirs s’échangent principalement du CO2.
  • Ces échanges déterminent un cycle géochimique responsable d’un équilibre du taux de CO2 atmosphérique.
  • Les réservoirs sont en équilibre, c’est-à-dire que les échanges entre eux sont équivalents, ainsi par exemple, l’augmentation de carbone (sous forme de CO2) dans l’atmosphère est compensée par une utilisation accrue par les plantes (augmentation de biomasse).
  • Les archives géologiques montrent que cet équilibre se modifie au cours du temps. Il existe donc une fluctuation naturelle du taux de CO2 atmosphérique.

Bilan

  • Au cours du XXème siècle, Les besoins importants en énergie et en nourriture des humains, l’ont conduit à diminuer les forêts au profit des surfaces cultivées, diminuant du même coup l’utilisation du CO2 par la biomasse végétale.
  • Lors de leur combustion par les activités humaines, du CO2 est restitué dans l’atmosphère.
  • L’océan et la biosphère absorbent une partie du CO2 d’origine humaine mais cela n’est pas suffisant. Les activités humaines sont donc à l’origine d’une perturbation du cycle du carbone.
  • Chaque année, des milliards de tonnes de CO2 supplémentaires s’accumulent dans l’atmosphère entrainant une augmentation rapide du taux de CO2 d’une ampleur et d’une rapidité jamais vues depuis 400 000 ans.

 

 

Pb V : Quelles sont les solutions énergiques pour demain ?

P 133-134-136-137

A- L’énergie solaire

  1. L’énergie solaire est en partie absorbée et réfléchie par l’atmosphère terrestre. Seule la moitié du rayonnement solaire atteint la surface du globe. Une partie est absorbée,

une autre est réémise sous forme de chaleur ou simplement réfléchie.

  1. L’énergie solaire reçue par la planète dépasse de très loin (près de 5 000 fois) les besoins humains en énergie même s’ils sont sans cesse croissants depuis 50 ans.
  2. Le panorama des différentes ressources énergétiques utilisées actuellement à l’échelle du globe montre clairement la prédominance des énergies d’origine biologique (biomasse et combustibles fossiles). La plus grande part de l’énergie solaire reçue par la Terre est donc inexploitée.
  3. Le défi énergétique auquel est confronté l’humanité consiste donc à limiter l’utilisation des ressources d’origine biologique (qui de toute façon sont épuisables) et à développer des technologies innovantes pour mieux utiliser toute l’énergie solaire qui est convertie dans les mouvements des enveloppes fluides ou absorbée à la surface du globe.

 

B- Energie éolienne :

  1. Les secteurs les plus propices pour installer des éoliennes en Europe sont situés au nord-ouest.

En effet, les vents dominants liés à la circulation globale des masses d’air dans l’hémisphère nord sont des vents de sud-ouest. À cela s’ajoutent des spécificités locales liées aux reliefs.

  1. Les vents côtiers sont liés à des différences thermiques entre l’intérieur des terres et la mer.

Pendant la journée, la terre est plus chaude que la mer, l’air chaud s’élève donc au niveau du continent si bien que les courants horizontaux s’effectuent de la mer vers la terre.

La nuit, la terre se refroidissant plus vite que la mer, c’est la mer qui est la plus chaude et le phénomène inverse se produit, les vents viennent alors de la terre vers la mer.

C- l’Energie hydroélectrique :

  1. Un barrage retient de l’eau qui est susceptible de s’écouler de part la gravité. Cette énergie potentielle est susceptible d’être convertie en énergie électrique.
  • Cependant, le barrage contient de l’eau qui lui est parvenue via le cycle de l’eau qui est lui-même lié à l’énergie solaire.
  • Un barrage est donc indirectement une forme de stockage d’une énergie solaire.
  • L’énergie hydroélectrique présente plusieurs avantages : le rendement est très bon, l’énergie est renouvelable, elle est fréquemment disponible.
  • Cependant, les barrages ont des incidences réelles sur l’environnement et les populations humaines : pollutions, déplacement de populations, maladies, diminution des rendements agricoles.
  • L’énergie qui met l’eau en mouvement provient donc du Soleil, l’énergie hydroélectrique est donc une forme de conversion de l’énergie solaire.

D- La biomasse

  • La  biosphère* l’ensemble des êtres vivants et biomasse* leur quantité de matière.
  • Grâce à la photosynthèse les végétaux chlorophylliens sont des producteurs primaires de matière organique qui est ensuite transférée aux différents niveaux de consommateurs.
  • La masse des végétaux réunit le bois, la paille, les rafles de maïs, le biogaz et les biocarburants :
  • Le bois énergie représente 14 % de la consommation énergétique mondiale. Issu des déchets de la forêt ou des industries du bois, il est brûlé pour produire de la chaleur.
  • Le biogaz est issu de la fermentation des déchets organiques. Sa combustion produit de la chaleur, mais également de l’électricité par cogénération.
  • Les biocarburants proviennent de plantes cultivées (tournesol, betterave, colza…). Le biodiesel (ou ester méthylique d’huile végétale, EMHV), l’éthanol, et son dérivé, l’éthyl\tertio\butyl\ether, l’ETBE  sont les plus courants. Ils sont mélangés à de l’essence ou à du gazole. Ces ressources énergétiques sont rapidement renouvelables

E- La géothermie

  • La chaleur interne terrestre se dissipe très progressivement.
  • Elle a pour origine la désintégration d’atomes radioactifs dont l’activité perdurera encore plusieurs centaines de millions d’années (renouvelable à l’échelle humaine).
  • Le volcanisme, les sources d’eau chaude, les geysers… sont autant de manifestations géologiques qui sont la conséquence de l’énergie interne de la Terre.

Bilan :

  • L’énergie géothermique utilisable par l’Homme est variable d’un endroit à l’autre. Le prélèvement éventuel d’énergie par l’Homme ne représente qu’une infime partie de ce qui est dissipé.
  • La température croît avec la profondeur (gradient géothermique) ; un flux thermique atteint la surface en provenance des profondeurs de la Terre (flux géothermique). Gradients et flux varient selon le contexte géologique.

 

Bilan  du problème

 

  • L’énergie solaire arrive de façon continue à la surface de la Terre, les énergies qui en dépendent sont donc renouvelables.
  • Elles permettent de limiter les émissions de CO2 dans l’atmosphère.
  • La quantité d’énergie solaire reçue sur terre est nettement supérieure aux besoins de l’humanité.
  • Les énergies renouvelables représentent actuellement moins de 15% de la production électrique en France et devraient dépasser les 20% en 2020 grâce au développement de l’énergie électrique d’origine éolienne.
  • La biomasse est également une source d’énergie liée à l’énergie solaire, elle implique un processus particulier : la photosynthèse
  • La géothermie est la seule source d’énergie qui n’est pas d’origine solaire.

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