ENJEUX PLANETAIRES CONTEMPORAINS C4: L’ENERGIE SUR TERRE I. UTILISATION DE L’ENERGIE PAR LA BIOSPHERE A. LA PHOTOSYNTHESE DE LA MATIERE ORGANIQUE Le carbone constitue un élément essentiel pour les organismes vivants, présent au sein des molécules organiques. Les organismes autotrophes pour le carbone vont utiliser ce carbone pour fabriquer des molécules constituées par de longues chaînes carbonées. Ces longues chaînes carbonées sont utilisées par les organismes vivants comme source d’énergie. Le carbone est incorporé au sein des végétaux lors de la photosynthèse. Différentes expériences permettent d’établir les acteurs de la photosynthèse : • Le marquage radioactif du C établit l’intégration du carbone à partir du C02 et la réalisation de molécules carbonées complexes : des glucides • L étude des compositions gazeuses en enceinte close de la culture d’un végétal montre la libération d ’O2 • L’étude des masses de terre lors d’une culture montre l’absorption d’eau • La lumière et la présence de chlorophylle constituent également des conditions indispensables à la réalisation de la photosynthèse Ce qui donne l’équation bilan suivante : n (CO2 +H2O)  [CH20]n + nO2. A la fin de la photosynthèse, la molécule fabriquée est du glucose, celui-ci peut être transformé en différents glucides. Les glucides produits par la photosynthèse permettent la fabrication l’ensemble des molécules organiques du végétal (anabolisme).Ils peuvent être également dégradés (catabolisme) en présence d’O2 ou pas (respiration ou fermentation) et constitués dès lors une source d’énergie permettant l’activité des cellules ou la croissance du végétal. Ils peuvent être aussi stockés sous forme d’un polymère de glucose : l’amidon La matière organique produite par les organismes photosynthétiques constituera la source d’énergie et de carbone pour l’essentiel des organismes de la biosphère Quelques glucides : la cellulose, le glucose et l’amidon B. MATIERE ORGANIQUE ET CYCLE DU CARBONE La photosynthèse permet l’intégration au sein des organismes vivants de l’énergie et du carbone. Le carbone est prélevé dans l’environnement sous forme de CO2 (milieu aérien) et de HC03- (milieu aquatique). Il s’agit donc d’un transfert de matière d’un compartiment terrestre (atmosphère ou océan) vers un autre compartiment (biosphère). Ces transferts obéissent à des cycles appelés cycles biogéochimiques. Ainsi le cycle du carbone se traduit par des échanges entre les 4 compartiments terrestres : la biosphère, l’atmosphère, l’hydrosphère et la lithosphère Le cycle du carbone II. DEVENIR DE LA MATIERE ORGANIQUE ET ENERGIE FOSSILE A. CONDITIONS DE FOSSILISATION L’étude des réservoirs de carbone sur Terre permet de retrouver leur histoire. La présence de restes organiques dans les roches carbonés (charbon, pétrole) contenus dans la lithosphère montre ainsi qu’elles sont issues de la fossilisation d’une partie de la biosphère. Le fonctionnement des écosystèmes entrainent la production de matière carbonée grâce à la photosynthèse. A la mort des organismes, le carbone organique est normalement reminéralisé sous l’action des organismes décomposeurs (champignons, bactéries). Cependant dans des environnements de haute productivité de matière organique et si on observe un enfouissement rapide au sein de sédiments alors une faible proportion de la matière organique appelée kérogène initial échappe à la reminéralisation par les décomposeurs. Les milieux favorables à la formation des kérogènes sont donc des milieux avec : • une forte production de matière organique • une sédimentation importante Formation du pétrole On peut citer : les mers fermées, les estuaires et les deltas des grands fleuves, les zones lacustres et marécageuses. Ces milieux peuvent le subir le phénomène de subsidence, à savoir un enfoncement de la région sous le poids des sédiments accumulés. Ce phénomène entraine une modification des conditions de température et de pression dans lesquelles se trouvent les kérogènes initiaux, ceci entrainera leur transformation en roches carbonées La diversité des roches carbonées résulte de la diversité de la matière organique initiale. Ainsi les charbons sont issus de la transformation de débris végétaux généralement continentaux alors que le pétrole est issu de l’accumulation de plancton marin. Ces roches constituent des sources d’énergie potentiellement utilisable par l’homme par combustion. On parle d’énergie fossile. B. DECOUVERTE ET EXPLOITATION D’UN GISEMENT La connaissance des mécanismes permettant la formation des roches carbonés ou des hydrocarbures permet guider la recherche de gisement (prospection).Il faut également tenir compte des couts d’exploitations qui impliquent que le gisement soit suffisamment important pour être rentable. Ainsi la zone de prospection doit présenter les caractéristiques suivantes : • • • • Être une région à forte productivité organique Posséder une sédimentation abondante Présenter des roches susceptibles d’abriter le phénomène de transformation des kérogènes (roches mères) Présenter des roches imperméables permettant le piégeage des hydrocarbures liquide ou gazeux Exemple de gisement de pétrole III. UTILISATION DES ENER GIES FOSSILES A. BESOINS ÉNERGÉTIQUES MONDIAUX Les besoins énergétiques mondiaux sont considérables et on fortement augmenté depuis 150 ans. Deux pôles constituent l’essentiel des besoins. • • Les transports La production d’électricité 80% de ces besoins sont pourvus par la combustion de carbone contenu dans les roches carbonées ou les hydrocarbures. Compte tenu de l’évolution de la démographie et du développement de certains pays, on estime que ces besoins énergétiques augmenteront de 60% d’ici 2030. Consommation énergétique mondiale B. CONSEQUENCES DE L’UTILISATION DES ENERGIES FOSSILES L’utilisation de combustible fossile restitue rapidement à l’atmosphère du dioxyde de carbone. Brûler un combustible fossile revient à utiliser une énergie solaire du passé. L’augmentation rapide et donc d’origine humaine de la concentration du dioxyde de carbone dans l’atmosphère interfère avec le cycle naturel du carbone et explique très probablement le réchauffement climatique observé depuis 1 siècle. Compte tenu de l’évolution future de la consommation en énergie, la production de C02 anthropique pourrait entrainer une élévation de la température au delà de 2°C pour la fin du siècle Scénarios de politiques énergétiques en 2050 (Conseil Mondial de l’Energie 2007) III. LES AUTRES DEVENIRS DE L’ENERGIE REÇUE PAR LA TERRE A. ENERGIE ET CIRCULATION DES ENVELOPPES L’énergie solaire reçue à la surface de la Terre entraine différents phénomènes en fonction des enveloppes considérées • • • Au niveau de la biosphère : la photosynthèse en utilise moins de 1%. Au niveau de l’atmosphère : l’inégale répartition de la chaleur entrainera la formation des vents Au niveau de l’hydrosphère : l’inégale répartition de la chaleur sera également à l’origine des courants marins mais également du cycle de l’eau en permettant l’évaporation de l’eau Toutes les parties du globe terrestre ne reçoivent pas la même quantité d’énergie. La Terre est une sphère. De fait la température de surface est plus élevée dans la zone où les rayons solaires arrivent perpendiculairement au plan tangent à cette zone. La température moyenne de l’équateur est donc élevée, ceci se traduit par une remontée de cet air, car plus l’air est chaud moins il est dense. En conséquence de quoi la quantité (et donc la masse et donc le poids) d’air à la surface de l’équateur diminue, ce qui diminue la pression atmosphérique. L’air chaud va monter puis se déplacer horizontalement avant de retomber aux niveaux des tropiques créant ainsi une zone de basse pression. Les différences de pression ainsi créées seront à l’origine des vents car les masses d’air se déplacent des hautes pressions vers les basses pressions. Il existe également au sein des océans des mouvements : horizontaux (provoqués par le vent) et verticaux (provoqués par des différences de densité). C’est la température de l’eau et la salinité qui agissent sur cette densité. L’énergie solaire reçue sera à l’origine des différences de températures mais également du cycle de l’eau Energie solaire reçue et latitude Le cycle de l’eau B. ENERGIES RENOUVELABLES L’importance des besoins énergétiques humains et les problèmes posés par l’utilisation des ressources fossiles (hydrocarbures ou nucléaire) conduisent à rechercher des ressources rapidement renouvelables L’utilisation directe de l’énergie solaire constitue un recours possible. Utiliser l’énergie des vents, des courants marins, ou des barrages hydroélectriques, est également possible, cela revient à utiliser indirectement de l’énergie solaire.