Thème 2– Le Soleil, notre source d’énergie

La Terre reçoit l’essentiel de son énergie du Soleil. Cette énergie conditionne la température de surface de la Terre et détermine climats et saisons. Elle permet la photosynthèse des végétaux et se transmet par la nutrition à d’autres êtres vivants.

2-1 Le rayonnement solaire

Le soleil transmet à la Terre de l’énergie par rayonnement.

L’énergie dégagée par les réactions de fusion de l’hydrogène qui se produisent dans les étoiles les maintient à une température très élevée. Du fait de l’équivalence masse-énergie (relation d’Einstein), ces réactions s’accompagnent d’une diminution de la masse solaire au cours du temps. Comme tous les corps matériels, les étoiles et le Soleil émettent des ondes électromagnétiques et donc perdent de l’énergie par rayonnement. Le spectre du rayonnement émis par la surface (approximativement un spectre de corps noir) dépend seulement de la température de surface de l’étoile. La longueur d’onde d’émission maximale est inversement proportionnelle à la température absolue de la surface de l’étoile (loi de Wien).   

Position de la planète Terre au cours de l’année NB : échelles non respectées

La Terre tourne sur elle-même en un jour et autour du Soleil en une année. Le plan de l’équateur terrestre est incliné de 23° par rapport au plan de révolution de la Terre autour du Soleil. La Terre, au cours de sa rotation annuelle, incline donc tantôt son pôle nord, tantôt son pôle sud vers le Soleil. Cette orientation différente du globe terrestre au long de l’année entraîne donc des déséquilibres de températures tantôt vers le pôle nord, tantôt vers le pôle sud. L’alternance des saisons en Europe est une conséquence de l’inclinaison de l’axe de rotation de la Terre par rapport au plan de révolution autour du Soleil.

Exercice LearningApps : D’où viennent les saisons ?

La puissance radiative reçue du Soleil par une surface plane est proportionnelle à l’aire de la surface (plus cette aire est grande, plus la puissance radiative se répartit sur une grande surface donc diminue par unité de surface) et dépend de l’angle entre la normale à la surface et la direction du Soleil : des rayons perpendiculaires se concentrent sur une faible surface donc la puissance est élevée, des rayons obliques s’étalent sur une grande surface donc la puissance est faible.

Les rayons du Soleil arrivent perpendiculairement à la surface de la Terre

  • au niveau de l’équateur lors de l’équinoxe ;
  • au niveau du tropique lors du solstice d’été (tropique du Cancer le 21 juin, du Capricorne le 21 décembre)

Entre le tropique et le cercle polaire, donc en zone tempérée, les rayons du Soleil arrivent au sol avec un angle compris entre 90° (au tropique en été) et 0° (au cercle polaire en hiver).

Au delà du cercle polaire, les rayons du Soleil ne parviennent pas au sol pendant une période variant d’une nuit (au cercle polaire) à 6 mois (au pôle) : c’est la nuit permanente (et dans l’autre hémisphère, le soleil de minuit).

La puissance solaire reçue par m2 dépend donc

  • de la latitude : au niveau du sol, un m2 de surface reçoit beaucoup plus d’énergie solaire à l’équateur qu’au pôle (zonation climatique). La distribution inégale de l’énergie solaire à la surface de la terre est à l’origine d’une répartition des climats selon la latitude.
Carte des grandes zones climatiques mondiales
  • du moment de l’année considéré : au niveau du sol, un m2 de surface reçoit beaucoup plus d’énergie solaire en été qu’en hiver (variation saisonnière)
  • de l’heure de la journée (variation diurne sur une période de 24h)

La proportion de la puissance totale, émise par le Soleil et atteignant la Terre, est déterminée par

  • son rayon (plus r est grand, plus la planète intercepte d’énergie)
  • et sa distance au Soleil (plus d est grande, moins la planète reçoit d’énergie)

 

2-2 Le bilan radiatif terrestre

La surface de la Terre est inondée d’énergie issue du Soleil. Sa surface rayonne vers l’espace une lumière invisible à l’œil. Sur cette sphère en rotation sur elle-même et autour du Soleil, un équilibre dynamique s’établit, source du climat et des saisons. Au bilan qui détermine les températures, la vie doit son existence à l’eau liquide et l’humanité son habitat. Pourtant, cet équilibre est fragile, tant de faibles variations de la composition de l’atmosphère, de l’usage des sols et de l’urbanisation peuvent le perturber, mettant en jeu les conditions d’existence de plus de sept milliards d’humains.

A/ Importance de l’albédo

Si un objet reçoit plus d’énergie qu’il n’en perd, sa température augmente.

Comme sa température augmente, l’énergie perdue par émission de rayonnement augmente. L’équilibre est atteint lorsque l’énergie que perd l’objet est exactement compensée par l’énergie qu’il reçoit.

Lorsque le rayonnement solaire atteint la surface de la planète, une partie de ce rayonnement (puissance reçue Pr) est diffusée (puissance diffusée Pdiff) sous forme de rayonnement et une autre partie est convertie en énergie thermique (puissance absorbée Pa).         Pr = Pdiff +Pa

La puissance diffusée est liée aux caractéristiques de surface et en particulier l’albédo noté A.    A = Pdiff / Pr

L’albédo dépend de la nature de la surface terrestre (voir ci-contre)

Le sol émet un rayonnement dont la puissance par unité de surface augmente avec la température et est conditionné par la nature du sol.

Une fraction de la puissance reçue du Soleil, quantifiée par l’albédo terrestre moyen, est diffusée par la Terre vers l’espace, le reste est absorbé par l’atmosphère, les continents et les océans.

Un corps gris presque noir, le Vantablack

Article : Des chercheurs du MIT créent par erreur le matériau le plus noir jamais observé (17/09/2019)

Article : Le secret des plumes super noires de l’oiseau de paradis ()

Article : La blancheur la plus éclatante (novembre 2019)

Article : États-Unis : Los Angeles peint ses routes en blanc pour lutter contre la chaleur (14/08/2017)

Article : COP 24: Pour lutter contre le réchauffement climatique, les toits de Paris vont-ils bientôt tous être peints en blanc? (03/12/18)

Article : Refroidir la Terre artificiellement, une “stratégie risquée” (

Article : Miroirs ou aspiration de CO2, des techniques pour « réorchestrer » le climat ()

  • Si la banquise fond avec le réchauffement climatique, comment varie l’albédo ?
  • Quelles seront les conséquences sur la température terrestre moyenne ?

B/ Importance de l’atmosphère

Le rayonnement thermique de la Terre

Voir « c’est pas sorcier » sur l’effet de serre

La surface de la Terre reçoit de l’énergie solaire : voir le rayonnement solaire au sommet de l’atmosphère

Une partie de cette énergie est d’emblée réfléchie (par l’atmosphère, la glace, le sol…), principalement dans le visible (c’est ce que nous voyons quand il fait jour).

en vert sur la figure ci-contre

Une autre partie est absorbée sous forme de chaleur puis réémise vers l’espace sous forme d’un rayonnement infrarouge.

en bleu sur la figure ci-contre

Le sol émet un rayonnement électromagnétique dans le domaine infrarouge (longueur d’onde voisine de 10 μm) et dont la puissance par unité de surface augmente avec la température.

Le bilan radiatif terrestre

Une partie du rayonnement solaire (flèches jaunes) est réfléchie par l’atmosphère et la surface terrestre (30 W.m-2 vers l’espace). Une autre partie est absorbée (flèche jaune vers océan/continent 51 W.m-2) et réchauffe la Terre.

Pour se refroidir, la Terre doit émettre de l’énergie vers l’espace (flèches rouges) sous forme de rayonnement (51 W.m-2 émission nette de la surface aux grandes λ et autres flux).

Une partie de cette puissance reçue du Soleil est absorbée par l’atmosphère, qui elle-même émet un rayonnement infrarouge vers le sol et vers l’espace (effet de serre).

Bilan : Les différents rayonnements reçus et émis par le sol.

La puissance reçue par le sol en un lieu donné est égale à la somme de la puissance reçue du Soleil et de celle reçue de l’atmosphère. Ces deux dernières sont du même ordre de grandeur.

Un équilibre, qualifié de dynamique, est atteint lorsque le sol reçoit au total une puissance moyenne égale à celle qu’il émet. La température moyenne du sol est alors constante.

Si la concentration en gaz à effet de serre augmente dans l’atmosphère, quelle sera la conséquence pour les températures terrestres ?

Comme rien n’est simpliste en Sciences, un petit coup d’œil à ce site climato-sceptique (dernière mise à jour 2012). Tout modèle scientifique est discutable, et la science est perpétuellement remise en question par les scientifiques eux-mêmes.

Ensuite, il faut confronter les hypothèses des uns et des autres aux faits mesurés rigoureusement sur le terrain. Dans le cas du réchauffement climatique, le bilan est là :

Article : Les prédictions climatiques d’il y a dix ans sont-elles confirmées aujourd’hui ? (Libération 03/04/2019) 

Pour faire le bilan de ce chapitre et des impacts du changement climatique : un extrait d’une conférence de J-M Jancovici devant les étudiants d’AgroParisTech (24/09/2019).

2-3 Une conversion biologique de l’énergie solaire : la photosynthèse

L’utilisation par la photosynthèse d’une infime partie de l’énergie solaire reçue par la planète fournit l’énergie nécessaire à l’ensemble des êtres vivants (à l’exception de certains milieux très spécifiques non évoqués dans ce programme).

Photosynthèse à l’échelle moléculaire

Une partie du rayonnement solaire absorbé par les organismes chlorophylliens permet la synthèse de matière organique (ci-contre : glucose, amidon) à partir d’eau, de sels minéraux et de dioxyde de carbone : c’est la photosynthèse.

La photosynthèse permet l’entrée dans la biosphère de matière minérale stockant de l’énergie sous forme chimique (les glucides -par exemple- sont des molécules riches en énergie, libérée lorsque les liaisons chimiques entre les atomes de carbone sont rompues).

Ces molécules peuvent être transformées par

  • respiration (C6H12O6 + 6O2 + 36 ADP +36 Pi → 6CO2 + 6H2O + énergie = 36 ATP) ou
  • fermentation (C6H12O6 + 2 ADP + 2 Pi → 2 C2H5OH + 2CO2 + énergie = 2 ATP)

pour libérer l’énergie nécessaire au fonctionnement des êtres vivants.

Respiration et fermentation à l’échelle moléculaire

À l’échelle de la planète, les organismes chlorophylliens utilisent pour la photosynthèse environ 0,1% (0,34 W.m-2) de la puissance solaire totale disponible (340 W.m-2).

 

 

 

Spectre d’absorption des pigments photosynthétiques

À l’échelle de la feuille (pour les plantes), la photosynthèse utilise une très faible fraction de la puissance radiative reçue, le reste est soit diffusé, soit transmis, soit absorbé (échauffement et évapo-transpiration). 

Article : Quel potentiel la lumière naturelle offre-t-elle à la photosynthèse ?

Article : Doper la photosynthèse végétale : potentiel d’énergie mobilisant la recherche (21.02.2012)

Article : Photosynthèse artificielle : ils transforment du CO2 en matière première (22/09/2017)

Un extrait de Home (2009) de Yann Arthus Bertrand à voir en entier.

la lente formation des hydrocarbures

À l’échelle des temps géologiques, une partie de la matière organique s’accumule dans les sédiments puis se transforme en donnant des combustibles fossiles : gaz, charbon, pétrole.

 

 

 

 

 

 

2-4 Le bilan thermique du corps humain

La température du corps est stable. Cette stabilité résulte d’un ensemble de flux présentés ici.

La température du corps reste stable (homéothermie) parce que l’énergie qu’il libère est compensée par l’énergie dégagée par la respiration cellulaire ou les fermentations.

Résultat de recherche d'images pour "homéothermie""

Hypothermie : les risques et les symptômes

Hyperthermie : les risques et les symptômes

Vidéo : la thermorégulation des chasseurs San

Conférence sur la thermorégulation par J-J Hublin, paléoanthropologue au Collège de France (attention, durée 1h30)

puissance consommée par un corps humain (70kg, 1,70m)

Globalement, la puissance thermique libérée par un corps humain dans les conditions de vie courante, au repos, est de l’ordre de 100 W.

  • 1 W = 1 J.s-1
  • 1g de glucides ou de protides fournit 17,8 kJ
  • 1g de lipides fournit 40 kJ
  • rendement pour travail musculaire et métabolisme 20% maximum, les 80% restants sont dispersés sous forme de chaleur.

 

 

 

Ils s'en payent une belle tranche
L’épaisseur de la couche de graisse isolante d’une baleine boréale
%d blogueurs aiment cette page :