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Archives de l’auteur : M HAROUY

Répartition de l’énergie solaire à la surface du globe :: Activité

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Constat

Le Soleil émet des ondes électromagnétiques…
Le système Terre-atmosphère reçoit de l’énergie du Soleil sous forme d’ondes électromagnétiques. Environ 30 % de l’énergie qui arrive au sommet de l’atmosphère est réfléchie et repart vers l’espace. Le reste de l’énergie est absorbé par le système Terre-atmosphère, l’absorption désignant ce processus physique par lequel l’énergie du rayonnement est convertie en chaleur.
Mais toutes les régions du monde n’absorbent pas la même quantité d’énergie solaire ! La figure ci-dessus (source SCARAB-CNRS/LMD) montre la puissance absorbée en moyenne annuelle (…/…).

Source : http://education.meteofrance.fr/

Comment s’explique cette inégale répartition de l’énergie solaire en latitude ?

Formulez une hypothèse.

energie-solaire-latitude-1

Vérification de cette hypothèse : calcul et modélisation

Autre hypothèse… modélisation.

 

A3 – Énergie solaire et mouvement des enveloppes fluides :: Plan d’étude

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Questionnement initial :
  • Qu’est-ce qu’un fluide ?
  • Quelles sont les deux enveloppes fluides à la surface de la Terre ?
  • De quelles façons se manifeste le mouvement de ces deux enveloppes fluides ?
  • Qu’est-ce qui provoque ce mouvement de ces enveloppes fluides ?
  • Quelle est la nature de l’énergie « contenue » dans ce mouvement de ces deux enveloppes fluides ?
  • Grâce à quoi peut-on « récupérer », convertir une partie de cette énergie ? Et sous forme est convertie l’énergie ?
Sujets traités :
  1. Répartition de l’énergie solaire à la surface du globe
  2. Le mouvement des enveloppes fluides : une source d’énergie exploitable
Référence au programme officiel
L’énergie solaire est inégalement reçue à la surface de la planète.

La photosynthèse en utilise moins de 1%.

Le reste chauffe l’air (par l’intermédiaire du sol) et l’eau (ce qui est à l’origine des vents et courants) et évapore l’eau (ce qui permet le cycle de l’eau).

Utiliser l’énergie des vents, des courants marins, des barrages hydroélectriques, revient à utiliser indirectement de l’énergie solaire.

Ces ressources énergétiques sont rapidement renouvelables.

La comparaison de l’énergie reçue par la planète et des besoins humains en énergie permet de discuter de la place actuelle ou future de ces différentes formes d’énergie d’origine solaire.
  • Expérimenter, modéliser, extraire et exploiter des informations (documents météorologiques et/ou images satellitales et/ou documents océanographiques, etc.) et les mettre en relation pour comprendre l’effet de l’énergie solaire sur un exemple de circulation (atmosphérique ou hydrosphérique).
  • Construire une argumentation (de nature manipulatoire et/ou documentaire) pour montrer l’inégale répartition de la quantité d’énergie solaire reçue selon la latitude, et ses conséquences.

Énergie solaire et mouvement des enveloppes fluides :: Bilan

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Énergie solaire reçue par la Terre

L’énergie solaire reçue a la surface de la Terre est maximale dans la zone intertropicale, puis décroît de l’équateur vers les pôles.

L’énergie de la lumière issue du Soleil se répartit sur la surface sphérique de la planète : plus la latitude augmente et plus la surface éclairée est grande et moins il y a d’énergie reçue par seconde et par mètre carré.

Énergie solaire et mouvements atmosphériques

La répartition des températures au sol est similaire à celle de l’énergie solaire. La température au sol dépend de la quantité d’énergie solaire reçue.

Les températures de l’atmosphère sont décroissantes de l’équateur aux pôles. La zone équatoriale est l’objet d’un échauffement très important de l’air qui devenant moins dense, entame un mouvement ascendant.

Les vents se dirigent des zones de haute pression vers les zones de basse pression. Au global, ils se dirigent vers l’équateur. Dans cette zone, les courants ascendants créés par l’échauffement de l’air entraînent une zone de basse pression dans la zone intertropicale.

L’échauffement de l’air par l’intermédiaire du sol est dû à l’énergie solaire reçue.

Énergie solaire et mouvements de l’eau

La température de l’eau de surface est d’autant plus élevée que l’énergie solaire reçue est importante : cette énergie chauffe l’eau des océans. Au contact de l’air chauffé, l’eau s’évapore. L’air saturé en eau est déplacé par les courants atmosphériques ce qui entretient l’évaporation.

La quantité d’eau évaporée par les océans est supérieure à celle des précipitations. C’est l’inverse pour les continents. De la vapeur d’eau issue des océans est emportée et retombe sous forme de précipitations sur les continents.

L’énergie solaire chauffe l’air et l’eau ce qui permet son évaporation : c’est le moteur du cycle de l’eau.

Une différence de température entraîne une différence de densité qui met les fluides en mouvement. Des différences de température et de salinité créent des courants océaniques profonds, et des courants superficiels. Dans les deux cas, c’est l’énergie solaire qui est a l’origine de ces courants.

Utiliser l’énergie d’origine solaire

L’énergie solaire est a l’origine d’énergies diverses (éolienne, hydraulique,…).

La lumière reçue et captée peut être convertie grâce aux panneaux photovoltaïques en une autre forme d’énergie utilisable : l’énergie électrique. Plus l’angle d’incidence des rayons de lumière sur le capteur s’écarte de 90°, plus la quantité d’énergie reçue diminue et plus la surface éclairée augmente.

La quantité d’énergie solaire reçue est nettement supérieure aux besoins de l’humanité.

L’énergie solaire arrive de façon continue à la surface de la terre, les énergies qui en dépendent sont donc renouvelables.

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.

+ Manuel de SVT 2nde Hatier page 111 partie 4 et schéma page 113
(½ page supérieure)

Titrez et légendez les schémas qui suivent
(auto-correction : cliquez sur le schéma)

cellule_hadleySource : http://www.sciences-animations.fr/doc/flash/circulation_atmospherique.swf

mouvement_atmosphereSource : http://svt.ac-rouen.fr/tice/animations/massesair/masses_air.htm

4 . Le concept de lithosphère et d’asthénosphère :: Plan d’étude

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Questionnement initial
Sujets étudiés
Références du programme officiel
Le concept de lithosphère et d’asthénosphère

  • Saisir et exploiter des données sur des logiciels pour mettre en évidence la répartition des foyers des séismes au voisinage des fosses océaniques.

  • Comprendre comment l’interprétation de la distribution particulière des foyers des séismes permet :

    • de définir la lithosphère par rapport à l’asthénosphère ;

    • de confirmer, dans le cadre du modèle en construction, que la litho­sphère océanique retourne dans le manteau.

  • Concevoir une modélisation analogique et réaliser des mesures à l’aide de dispositifs d’expérimentation assistée par ordinateur de propagation d’ondes à travers un même matériau mais à des températures différentes pour comprendre la différence entre lithosphère et asthénosphère.

L’hypothèse d’une expansion océanique et sa confrontation à des constats nouveaux :: Activités à partir de documents

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On cherche à montrer que des données paléomagnétiques 
vont permettre de valider l'hypothèse que Harry HESS formule en 1962

Photosynthèse et combustibles fossiles – Activités

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Plan d'étude et compétences attendues

A – Le soleil : une source d’énergie essentielle

A2 – Photosynthèse et combustibles fossiles

  1. Nature et origine des combustibles fossiles
        • Repérer dans la composition et les conditions de gisement les indices d’une origine biologique d’un exemple de combustible fossile.
  1. Prospection et exploitation de gisements de combustibles fossiles.
        • Manipuler, modéliser, extraire et exploiter des informations, si possible sur le terrain et/ou modéliser pour comprendre les caractéristiques d’un gisement de combustible fossile (structure, formation, découverte, exploitation).
  1. Conséquences écologiques de l’utilisation des combustibles fossiles
        • Manipuler, modéliser, extraire et exploiter des informations, si possible sur le terrain et/ou Manipuler, modéliser, extraire et exploiter des informations pour repérer dans une archive géologique simple les indices d’une variation d’origine humaine de la teneur en dioxyde de carbone atmosphérique.
        • Représenter un cycle du carbone simplifié mais quantifié pour comprendre en quoi l’utilisation des combustibles fossiles constitue un enjeu planétaire.
Activités

Activité 1 – Extraire des informations d’échantillons de charbon d’une part et de documents d’autre part pour :

  • expliquer l’origine d”un combustible
  • comprendre son mode de formation
  1. Fiche de travaux dirigés (pdf)
  2. Documents en ligne

Activité 2 – Exposé du professeur :

  • Conditions de gisement et d’exploitation des combustibles fossiles
  • Conséquences environnementales de l’utilisation des combustibles fossiles
Bilan notionnel

 

Importance de la photosynthèse à l’échelle de la planète :: Activité à partir de documents

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La photosynthèse permet la production de molécules organiques. Les végétaux sont des producteurs primaires. :: Bilan ::

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A – Le soleil : une source d’énergie essentielle

A1 – Énergie solaire et photosynthèse

1. La photosynthèse permet la production de molécules organiques. Les végétaux sont des producteurs primaires.

  • Les cellules végétales, grâce à leurs chloroplastes et la chlorophylle qu’ils contiennent, sont capables d’utiliser l’énergie lumineuse solaire.

  • Ceci leur permet de réaliser la synthèse des molécules organiques de leur matière vivante à partir de molécules minérales.

  • Les cellules végétales prélèvent dans leur milieu de vie du dioxyde de carbone et de l’eau, mais aussi des molécules ioniques : nitrate (NO3–), phosphate (PO43-), des ions potassium (K+).

  • L’énergie lumineuse est convertie en énergie chimique. Cette dernière est « stockée » dans les liaisons covalentes des molécules organiques produites.

  • La photosynthèse produit du dioxygène que les cellules végétales rejettent dans leur milieu de vie.

  • Dans des conditions d’obscurité, les cellules végétales chlorophylliennes réalisent des échanges gazeux caractéristiques d’une respiration cellulaire : absorption de dioxygène et rejet de dioxyde de carbone.

  • Lorsqu’elles sont exposées à la lumière, l’absorption de dioxyde de carbone et le rejet de dioxygène liés à la photosynthèse « masquent » le métabolisme respiratoire.

Leur capacité à produire des molécules organiques par photosynthèse placent les végétaux au début des réseaux alimentaires d’un écosystème.

Ils sont qualifiés de « producteurs primaires ».

La productivité primaire est la quantité (massique) de matière vivante produite par les végétaux au niveau d’un écosystème, par unité de surface et de temps.
[kg.m-2.an-1] [t.ha-2.an-1]

Gradient et Flux Géothermique :: Activité à partir de documents

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Compétence visée : définir les notions de gradient
et flux géothermique à partir d'informations 
tirées d'un article. Schématiser ces notions.
Document A – Notions de gradient et de  flux géothermique
( d’après  http://planet-terre.ens-lyon.fr/article/chaleur-Terre-geothermie.xml#flux-energie-interne)
Dans le sous-sol, la température augmente avec la profondeur, le plus souvent entre 10 et 30°C par km dans les régions non volcaniques, où elle peut augmenter beaucoup plus. C’est ce que l’on appelle le « gradient géothermique », parfois encore nommé « degré géothermique ».

Comme les roches ne sont pas des isolants parfaits, la chaleur a tendance à migrer des zones profondes chaudes vers les zones superficielles froides.

Depuis Joseph Fourier au XIXème siècle, on connaît les lois de propagation de la chaleur :

J = -k.ΔT/Δp,

  • avec “J” correspondant à ce que les géologues appellent flux de chaleur exprimé en W.m-2,
  • “k” à la conductivité thermique du milieu traversé exprimée en W.m-1.K-1 (Watt par mètre et par degré Celsius) (*)
  • et “ΔT/Δp” le gradient géothermique, correspondant à la variation de température (ΔT) en fonction de la variation de profondeur (Δp), exprimé en K.m-1 (degré Celsius par mètre).

Les mesures sur le terrain du gradient géothermique montrent que ce dernier varie entre 10 et 30 K.km-1 dans la plupart des régions, peut atteindre 100 K.km-1 dans certaines régions, et peut-être localement beaucoup plus fort au niveau de sites très particuliers et d’aires limitées en général au voisinage de volcans.

Les mesures au laboratoire de la conductivité des roches montrent qu’elle varie peu, entre 2,5 et 3,1 W.m-1.K-1.

Ces mesures permettent de calculer le flux de chaleur : sauf dans quelques zones exceptionnelles, celui-ci varie de 50 à 300 mW.m-2, avec une moyenne d’environ 70 à 80 mW.m-2.

Si on intègre ce flux sur l’ensemble de la surface de la Terre, on trouve que la puissance thermique globale est comprise entre 42 et 47 TW. On retient en général la valeur de 44 TW, à laquelle il faut ajouter les 2 TW dégagés par les éruptions volcaniques et les tremblements de terre.

La Terre perd donc globalement 46 TW, dont 4% de manière spectaculaire (séismes et éruptions volcaniques) et 96% de manière très discrète (le flux géothermique).

(*) ici le K correspond au °C et non pas au Kelvin !

 
Compétence visée : Localiser les anomalies positives du flux géothermiques
 à partir de mesures à l'échelle du globe

Document B – Mesures du flux géothermique global
(Source : http://planet-terre.ens-lyon.fr/article/chaleur-Terre-geothermie.xml#flux-energie-interne)

chaleur-Terre-geothermie-04