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).   

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)

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

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

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

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

Une partie du rayonnement solaire absorbé par les organismes chlorophylliens permet la synthèse de matière organique 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. Ces molécules peuvent être transformées par la respiration ou la fermentation pour libérer l’énergie nécessaire au fonctionnement des êtres vivants.

À l’échelle de la planète, les organismes chlorophylliens utilisent pour la photosynthèse environ 0,1% de la puissance solaire totale disponible. 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). 

B/ La photosynthèse fossile

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