une ressource renouvelable
TP 1. Répartition de l'énergie solaire à la surface du globe
TP 2. Énergie solaire et mouvement des enveloppes fluides
II. L’énergie solaire agit sur les enveloppes fluides
• A. L'énergie solaire met en mouvement les enveloppes fluides
• B. L'énergie solaire est à l'origine du cycle de l'eau
• L'essentiel
• L'essentiel
BILA
L’énergie solaire incidente (= reçue) nous parvient sous forme de divers rayonnements (infrarouge, visible, ultraviolets…) dont 30 % sont réfléchis par les nuages et par le sol. Les 70% restants sont absorbés par l’atmosphère et le sol qui chauffent et réémettent dans l’infrarouge thermique. C'est l'énergie rayonnée par la Terre.
Image : artic.ac-besancon.fr
● La photosynthèse utilise moins de 1% de l’énergie solaire reçue à la surface de la Terre.
● On cherche à préciser les effets de l’énergie solaire sur la Terre et l’utilisation qui peut en être faite.
Moyenne 2001-2008
Source : neo.sci.gsfc.nasa.gov
Moyenne 1981-2006
Source : neo.sci.gsfc.nasa.gov
TP 1. Répartition de l'énergie solaire à la surface du globe
L’axe de rotation de la Terre fait un angle de 23° 27’ avec le plan de l’écliptique mais reste toujours orienté dans la même direction (étoile polaire). Au cours d’une année, l’axe de rotation est donc « en moyenne » perpendiculaire au plan de l’écliptique.
Source : nte-serveur.univ-lyon1.fr
● La Terre étant sphérique un même rayon solaire incident touche le sol perpendiculairement (sur une surface réduite) vers l'équateur, et obliquement (une plus grande surface) au niveau des pôles. L’équateur reçoit donc davantage d’énergie par unité de surface que les pôles. Cette énergie est absorbée par la planète, qui chauffe en surface. Il en résulte que les températures diminuent quand la latitude augmente.
Un corps soumis à une élévation de température se dilate (= augmente de volume) sans changement de masse. Il en résulte une diminution de densité (= masse volumique par rapport à l’eau). Inversement, la densité augmente quand la température diminue. Par différence de densité, un fluide (eau ou air) tend donc à s’élever quand il est chaud et à descendre quand il est froid. Cela entraîne des mouvements verticaux, complétés par des mouvements horizontaux. C'est la convection qui est un mode de transfert de chaleur avec déplacement de matière (par opposition à la conduction et au rayonnement (radiation) qui se font sans transfert de matière).
La différence de température entre l'équateur et les pôles provoque des transferts d’énergie entre les deux zones. Ces transferts d’énergie par convection sont assurés par les mouvements de l’atmosphère et de l’hydrosphère qui permettent un rééquilibrage thermique. Sans ces transferts, la zone intertropicale ne cesserait de s’échauffer et les zones polaires de se refroidir (voir le bilan radiatif).
Un mouvement d’air ascendant entraîne une diminution de pression ou dépression au niveau du sol (BP). Celle-ci est rapidement comblée par un déplacement d’air ou vent en provenance des zones de haute pression (HP) ou anticyclones. En montant, l’air chaud refroidit. Il ne peut pas descendre verticalement car la dépression est comblée, il descend donc latéralement en formant une cellule de convection. Au niveau du sol les vents sont déviés par l'effet de la rotation de la Terre (force de Coriolis).
On distingue trois cellules de convection atmosphérique par hémisphère.
1. La cellule équatoriale(de Hadley). Au niveau de l’équateur l’air chaud, s’élève, l’eau se condense et provoque des pluies (végétation abondante). L’air sec retombe dans les zones tropicales (déserts), puis retourne vers l’équateur (convergence équatoriale) en générant des vents d’est : les alizés.
2. La cellule polaire. L’air polaire, froid et sec, descend vers le sol, circule jusqu’au 60e parallèle en provoquant des vents d’est. Puis il s’échauffe et s’élève, ce qui entraîne des pluies.
3. La cellule des latitudes moyennes (de Ferrel) est couplée aux deux précédentes. Elle génère des les vents d’ouest.
Les alizés provoquent des courants équatoriaux, d’est en ouest, qui accumulent l’eau sur la bordure occidentale des océans. Au contact des continents cette accumulation entraîne un courant de retour qui, du fait de la force de Coriolis, entraîne cinq grands tourbillons : deux dans l’océan Pacifique ; deux dans l’océan Atlantique ; un dans l’océan Indien.
Ils prennent naissance dans les océans Arctique et Antarctique. En hiver, non seulement l’eau y est froide mais elle est sursalée du fait de la formation de glace de mer. Cela provoque une augmentation de densité thermohaline (= en relation avec la température et la salinité) des eaux de surface et entraîne leur plongée jusque vers 3 000 m de profondeur (= downwelling). Ces eaux profondes, froides et sursalées convergent toutes vers le courant circumpolaire antarctique qui tourne vers l’est. En compensation, les courants de surface transportent des eaux chaudes vers les régions froides.
L'énergie solaire provoque l'évaporation d'une partie des eaux océaniques et continentales de surface. Elle est aussi le moteur de l'évapotranspiration des plantes. La vapeur d'eau ainsi produite s’élève, refroidit, se condense, s’accumule et forme les nuages poussés par le vent. Un nuage suffisamment chargé d’eau tombe sous forme de pluie ou de neige. Une partie de cette eau peut être immobilisée sous forme de glace, mais la plus grande partie s’écoule vers la mer par gravité (en surface ou dans le sous-sol après infiltration).
A. L'énergie solaire est à l'origine des vents et des courants marins
● Le déséquilibre thermique entre l'équateur et les pôles provoque des mouvements de convection des enveloppes fluides de la Terre (atmosphère et hydrosphère). Combinés à l’effet de la rotation de la Terre, ces mouvements sont à l’origine des vents dans l’atmosphère et des courants océaniques profonds dans l’hydrosphère. Les courants océaniques de surface résultent de l’effet du vent.
B. L'énergie solaire est à l'origine du cycle de l'eau
● À la surface de l’hydrosphère, l’effet combiné du vent et de la température provoque l’évaporation de l’eau qui, en s’élevant, refroidit, se condense, retombe sous forme de précipitations (pluie ou neige) en retourne enfin vers l'océan. C'est le cycle de l’eau.
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1 Modèle commercialisé - 2 Le four solaire de 1 000 kW d'Odeillo (Font Romeu, Pyrénées orientales) dépend du CNRS. Avec le four solaire de Parkent en Ouzbékistan, il est l'un des deux plus grands du monde. - 3 Schéma de fonctionnement du four d'Odeillo.
Ils piègent la chaleur des rayons solaires et la transfèrent à un fluide caloporteur qui permet le fonctionnement d'un chauffe eau solaire. Images : www.global-hf.com/
Ils convertissent la lumière solaire en électricité. Sources : www.avenir-energies.fr/ et http://www.planet-ere.com
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Images : wolpeper.com/slides/
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1 Moulin à eau de Braine-le-Château (XIIe siècle) Source : www.science-et-vie.net - 2 Barrage hydroélectrique de Sainte Croix Il est situé sur le Verdon, à la limite du Var et des Alpes de haute Provence. Sa retenue est de 767 millions de m³ d'eau et il fournit 142 millions de kWh par an. Construit de 1971 à 1974 , c'est un barrage en voûte à double courbure en béton - 3 Schéma de fonctionnement d'un barrage hydroélectrique
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Centrales de production d'électricité à partir de biomasse en France
Source : http://www.drire.gouv.fr/poitou-charentes/energie/images/biomasse_carte.gif
L'énergie de la biomasse est renouvelable à condition que les quantités brûlées n’excèdent pas les quantités produites ; cette condition n'est pas toujours remplie dans le cas du bois.
● Le rayonnement solaire est directement utilisable dans les fours solaires et par les panneaux solaires thermiques (production d'eau chaude) ou photovoltaïques (production d'électricité).
- le vent permet de faire fonctionner des éoliennes (ainsi que des voiliers ou des moulins à vent) ;
- l’énergie hydraulique liée au cycle de l'eau permet de faire fonctionner des turbines pour la production d’électricité (ainsi que des moulins à eau).
● La biomasse est de l’énergie solaire stockée sous forme organique (grâce à la photosynthèse). Elle est exploitée par combustion (bois), après méthanisation (biogaz) ou transformations chimiques (biocarburant).
Source : http://www.cea.fr/
ENRt : énergies renouvelables thermiques (bois, déchets de bois, solaire thermique…), pompes à chaleurs et biocarburants.
Unités : méga (M) = 106 ; giga (G) = 109 ; Téra : (T) = 1012
tep : tonne d'équivalent pétrole = environ 42 GJ
Depuis 1980, la production d'énergie de la France est marquée par la nette prédominance de l'électricité d'origine nucléaire qui représente, en 2009, 82% de l'énergie produite. Inversement les énergies fossiles sont anecdotiques.
La France ne produit que la moitié de l'énergie qu'elle consomme. Le reste est assuré par l'importation de combustibles fossiles, surtout du gaz et du pétrole.
Production d’énergie renouvelable en France
En 2009, les énergies renouvelables ne représentent que 8% de la consommation énergétique de la France.
Source : Statistiques énergétiques de la France
http://www.stats.environnement.developpement-durable.gouv.fr/
http://www.statistiques.developpement-durable.gouv.fr/rubrique.php3?id_rubrique=466
● La production énergétique de la France est assurée à 80% par de l'électricité d'origine nucléaire et à 15% par l'ensemble des énergies renouvelables.
● La France consomme deux fois plus d'énergie qu'elle n'en produit. La moitié de l'énergie consommée est importée sous forme de combustibles fossiles.
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