Thème 2– Le Soleil, notre source d’énergie

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

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. Le spectre du rayonnement émis par la surface (modélisé par un spectre de corps noir) dépend seulement de la température de surface de l’étoile.
Le spectre d’un corps noir est caractérisé par les propriétés suivantes :
– La longueur d’onde d’émission maximale estinversement proportionnelle à la température (loi de Wien).
– La puissance émise par unité de surface est proportionnelle à la puissance quatrième de la température (loi de Stefan).

La puissance radiative reçue du Soleil par une surface plane est proportionnelle à l’aire de la surface et dépend de l’angle entre la normale à la surface et la direction du Soleil. La puissance solaire reçue par unité de surface dépend donc

• de la latitude (zonation climatique)
• du moment de l’année considéré (variation saisonnière)
• de l’heure de la journée (variation diurne)

2-2 Le bilan radiatif terrestre

La Terre reçoit le rayonnement solaire et émet elle–même un rayonnement. Le bilan radiatif conditionne le milieu de vie. La compréhension de cet équilibre en classe de première permettra d’aborder sa perturbation par l’humanité en classe terminale.

A/ Importance de l’albédo

La proportion de la puissance totale, émise par le Soleil et atteignant la Terre, est déterminée par son rayon et sa distance au Soleil. 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.

B/ Importance de l’atmosphère

La surface terrestre émet un rayonnement électromagnétique dans le domaine infrarouge dont la puissance par unité de surface augmente avec la température. Une partie de cette puissance est absorbée par l’atmosphère, qui elle-même émet un rayonnement infrarouge  vers l’espace et vers la surface terrestre (effet de serre).

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 de la surface terrestre est alors constante.

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).

A/ Bilan de la photosynthèse

L’utilisation par les organismes chlorophylliens d’une infime partie de l’énergie solaire reçue par la Terre, fournit l’énergie nécessaire à la synthèse de matière organique à partir de matière minérale (eau, ions, dioxyde de carbone) : c’est la photosynthèse.La photosynthèse permet la nutrition de presque toutes les formes de vie de la planète Terre. Les molécules organiques peuvent être transformées pour libérer l’énergie nécessaire au fonctionnement des êtres vivants.
L’alimentation apporte ces molécules organiques. L’équilibre alimentaire est un élément essentiel à une bonne santé

B/Une diversité de sources d’énergie utilisables par l’Humanité

De nombreuses sources ou flux d’énergie sont directement ou indirectement issus de l’énergie radiative transférée par le Soleil. La comparaison entre la durée de formation d’une source d’énergie et la durée prévisible d’épuisement de celle–ci en raison de son exploitation permet de distinguer une source d’énergie renouvelable d’une source d’énergie non renouvelable. Les combustibles fossiles se sont formés à partir de la matière organique produite par photosynthèse, il y a plusieurs dizaines à plusieurs centaines de millions d’années.
La biomasse est constituée de matière organique utilisable comme source d’énergie. L’énergie résultant de l’utilisation de la biomasse est principalement obtenue par combustion ou par fermentation.