Le Soleil est une source d'énergie considérable mais inégalement répartie sur le globe terrestre. Les hydrocarbures sont générés par un processus biologique et chimique qui se déroule sur des millions d'années. Le cycle du carbone crée un équilibre entre le carbone minéral et biologique. La consommation rapide des combustibles fossiles influe de manière importante sur le cycle du carbone en augmentant fortement et rapidement la concentration en \ce{CO2} dans l'atmosphère.
Le Soleil, une source d'énergie indispensable
Influence de l'énergie solaire sur la Terre
La planète Terre reçoit un rayonnement solaire qui fournit une énergie considérable. Cette énergie est émise sous forme lumineuse et thermique (sous forme d'UV). Elle a un effet sur les êtres vivants ainsi que sur des phénomènes planétaires globaux. En cela, le Soleil est responsable de presque toute l'énergie disponible sur Terre.
Répartition de l'énergie solaire sur la Terre
L'énergie solaire reçue par la Terre varie en fonction de la latitude. Elle est maximale à l'équateur, puis elle diminue vers les pôles. En effet, la Terre étant sphérique, les rayons solaires incidents, qui arrivent parallèlement les uns aux autres à la surface de la Terre, se répartissent sur une plus petite surface au niveau de l'équateur qu'au niveau des pôles. Le flux solaire est donc plus faible lorsque la latitude est grande.
Flux solaire
Le flux solaire est l'énergie solaire reçue par la Terre sur une surface donnée. Elle s'exprime donc en W.m-2.
Le flux solaire moyen au sol est de 200 W.m-2.
L'énergie solaire est donc inégalement répartie à la surface du globe. Cela explique notamment les différences de température de l'eau et de l'air observées entre les régions tropicales et les régions polaires.
Répartition du rayonnement solaire sur le globe terrestre
Comme la Terre réémet une partie de l'énergie reçue, l'énergie disponible est plus faible que l'énergie totale reçue. Le flux solaire étant plus important à l'équateur qu'aux pôles, le bilan énergétique est positif à l'équateur et négatif aux pôles. Il y a de ce fait un refroidissement de la Terre au niveau des pôles.
Bilan énergétique
Le bilan énergétique ou bilan radiatif est la différence entre l'énergie absorbée (reçue) par la Terre et l'énergie qu'elle réémet sous forme d'infrarouges vers l'espace.
Le bilan énergétique est positif lorsque la surface considérée absorbe plus d'énergie qu'elle n'en réémet. À l'inverse, le bilan énergétique est négatif lorsque la surface considérée absorbe moins d'énergie qu'elle n'en réémet.
Conséquence sur les phénomènes de circulation des fluides de la planète
Les différences de température provoquées par la répartition inégale de l'énergie solaire à la surface du globe engendrent des mouvements à l'échelle du globe. En particulier, des déplacements atmosphériques et océaniques (le vent et les courants marins) se produisent.
Dans l'atmosphère, les masses d'air sont animées par :
- Des mouvements horizontaux, engendrés par des différences de pression entre les masses d'air
- Des mouvements verticaux, engendrés par des différences de densité entre l'air chaud et l'air froid
La combinaison de ces mouvements horizontaux et verticaux produit des cellules de convection, ou cellules de Hadley.
Mouvement de convection
Le mouvement de convection est un déplacement de matière (d'air ou d'eau ici) lié à des différences de température. L'air chaud (ou l'eau chaude) monte, tandis que l'air froid (ou l'eau froide) descend.
Lorsque l'on fait chauffer de l'eau dans une casserole, on peut remarquer des mouvements de convection.
Cellule de convection
Les cellules de convection (ou cellules de Hadley) sont des mouvements de convection particuliers. Ces mouvements sont circulaires.
Dans les océans, les fluides sont animés par des mouvements affectant les masses d'eaux superficielles et des mouvements affectant les masses d'eau profondes, dus à des différences de densité entre l'eau chaude et l'eau froide. Les eaux chaudes étant moins denses, elles remontent vers la couche superficielle des océans, alors que les eaux froides, plus denses, plongent vers les zones profondes. Le Soleil est donc essentiel à l'établissement de courants marins.
De plus, l'énergie solaire est à l'origine de l'évaporation de l'eau, qui passe de l'état liquide à l'état gazeux. Cette vapeur d'eau forme des nuages. Lorsqu'ils se refroidissent, l'eau qu'ils contiennent passe à l'état liquide (pluie) ou solide (neige). C'est le cycle de l'eau, lui aussi généré par le rayonnement du Soleil.
Les énergies renouvelables dérivées de l'énergie solaire
Les sources d'énergie renouvelable
Énergie renouvelable
Une énergie renouvelable est une énergie qui n'est pas épuisable par l'exploitation humaine, car elle se renouvelle rapidement.
L'énergie photovoltaïque (panneaux solaires), éolienne ou hydraulique (barrages hydro-électriques, hydroliennes, usines marémotrices, etc.) sont des énergies renouvelables.
L'énergie solaire est une énergie renouvelable. L'Homme sait capter directement l'énergie solaire pour la convertir pour ses propres besoins (eau chaude, électricité, par exemple). De plus, le rayonnement du Soleil est à l'origine des vents et du cycle de l'eau, et donc d'autres formes d'énergies :
- L'énergie éolienne, qui consiste à exploiter la force du vent.
- L'énergie hydraulique, qui est fournie par les mouvements de l'eau tels que la marée, les cours d'eau ou encore les chutes d'eau.
- L'énergie solaire, qui est utilisée par les végétaux pour la synthèse de matière organique, et qui peut également constituer une source d'énergie renouvelable, avec les biocarburants.
L'utilisation des énergies renouvelables
L'Homme exploite déjà certaines énergies renouvelables, notamment l'énergie hydraulique grâce à la mise en place de barrages sur les cours d'eau qui produisent de l'électricité.
L'augmentation du prix des combustibles fossiles et les conséquences environnementales néfastes qu'ils entraînent incitent l'Homme à utiliser de nouvelles sources d'énergie pour subvenir à ses besoins énergétiques :
- Les panneaux solaires (ou photovoltaïques) permettent de capter directement l'énergie lumineuse.
- Les éoliennes utilisent une hélice pour produire de l'électricité à partir du vent.
- Les hydroliennes utilisent une hélice pour produire de l'électricité à partir des courants marins.
Cette utilisation des vents et des mouvements d'eau revient indirectement à exploiter l'énergie du rayonnement solaire.
Les biocarburants sont produits à partir d'exploitations agricoles. L'huile pour le biodiesel est obtenue à partir de colza ou de tournesol, l'éthanol pour les voitures à essence est obtenu à partir de blé ou de betterave.
Cependant, cette production de biocarburants peut avoir des effets néfastes sur l'environnement : elle rentre en concurrence avec les productions agroalimentaires et accentue la déforestation pour étendre les surfaces cultivables dans les pays en voie de développement.
L'Union européenne a fixé l'objectif de produire 20% d'énergies renouvelables d'ici à 2020. En France, 14,2% de l'énergie était d'origine renouvelable en 2013.
Les principaux obstacles à l'utilisation des énergies renouvelables sont le prix de production, le caractère intermittent et la difficulté de stockage.
L'utilisation de l'énergie solaire par la biosphère pour produire de la biomasse : la photosynthèse
La photosynthèse
Les végétaux chlorophylliens possèdent dans leurs feuilles et certaines tiges, des cellules contenant des chloroplastes, qui sont des organites localisés dans le cytoplasme. Ces chloroplastes contiennent un pigment vert, la chlorophylle, qui donne aux végétaux leur couleur verte.
La photosynthèse est une réaction chimique qui forme de la matière organique à partir de matière minérale et d'énergie lumineuse. Elle a lieu dans les chloroplastes. La chlorophylle capte l'énergie lumineuse nécessaire à la photosynthèse, qui est une réaction nécessitant de l'énergie ainsi que des ions minéraux.
Les ions minéraux, chargés positivement ou négativement, sont présents dans le sol et absorbés par les racines de la plante, avec l'eau.
L'équation bilan de la photosynthèse est :
Équation bilan de la photosynthèse non simplifiée
Le \ce{CO2} nécessaire à cette réaction est prélevé dans l'air. L'eau et les ions minéraux sont prélevés dans le sol. Le glucose formé par la photosynthèse peut ensuite être transformé en d'autres molécules organiques, comme les acides aminés (constituants des protéines).
La photosynthèse permet donc le stockage de l'énergie solaire sous forme de matière organique végétale. Cependant, la photosynthèse utilise moins de 1% de l'énergie solaire perçue à la surface de la Terre.
Le fonctionnement d'une cellule chlorophyllienne
Les rôles de la photosynthèse
La photosynthèse est une source importante de production de biomasse. En effet, la plupart des chaînes alimentaires partent d'un végétal.
Biomasse
La biomasse est l'ensemble de la matière organique, végétale et animale.
Lorsque l'on parle de biomasse comme source d'énergie, on considère la plupart du temps que c'est sous forme de combustion de la biomasse que sera récupérée l'énergie.
Chaîne alimentaire
Une chaîne alimentaire est un ensemble d'êtres vivants liés entre eux par des relations alimentaires (aussi appelées relations trophiques).
Plante, insecte, oiseau forment une chaîne alimentaire (le premier élément de la chaîne alimentaire est souvent un végétal).
Réseau trophique
Un réseau trophique est un ensemble de chaînes alimentaires liées entre elles.
Dans l'exemple suivant, le poisson peut aussi être mangé par le calmar et le léopard de mer. L'ensemble de ces liens alimentaires forme un réseau trophique.
Un exemple de réseau trophique
On dit que les végétaux sont des producteurs primaires, ils sont capables de synthétiser leur propre matière organique à partir de molécules minérales. Ils peuvent se nourrir eux-mêmes et sont donc autotrophes.
Les végétaux servent de nourriture à d'autres organismes, appelés producteurs secondaires. Les animaux sont obligés de consommer un autre être vivant pour se nourrir, on dit aussi qu'ils sont hétérotrophes.
Les décomposeurs terminent le cycle : ils se nourrissent de restes d'êtres vivants et produisent de la matière minérale. La photosynthèse permet donc de fournir de la nourriture aux êtres vivants.
Fonctionnement schématique d'un réseau trophique.
Les différentes sources d'énergie issues de la biomasse : les combustibles fossiles
La place du carbone et des molécules organiques dans les écosystèmes
Au sein d'un écosystème, la matière organique qui compose les êtres vivants est, à leur mort, consommée par les décomposeurs appartenant au réseau trophique de l'écosystème. La matière organique qu'ils constituent est oxydée par la respiration et redevient, au bout d'un certain temps, de la matière minérale. Le carbone se retrouve alors dans les molécules de dioxyde de carbone. Ce carbone peut être utilisé à nouveau par des végétaux pour fabriquer de la matière organique : c'est le cycle du carbone.
Le carbone de la matière minérale peut se trouver sous forme gazeuse, dissoute ou solide dans les roches.
Cependant, dans certaines conditions, la matière organique n'est pas entièrement dégradée et reste dans cet état pendant des millénaires et même des millions d'années. Cela se produit principalement dans des zones géographiques à forte productivité biologique, comme les zones tropicales, et également dans les zones où la matière organique morte est recouverte rapidement par une couche imperméable comme de l'argile. Il faut noter que les zones tropicales du passé, comme au Crétacé, pouvait être beaucoup plus grande qu'actuellement. Le carbone organique peut alors se retrouver stocké dans des roches sous forme de charbon, de gaz naturel ou de pétrole : ce sont les combustibles fossiles.
Combustible fossile
Les combustibles fossiles sont des combustibles qui se forment beaucoup plus lentement que l'Homme ne les utilise. Ils sont donc assimilés à des sources d'énergie non renouvelables.
Les hydrocarbures comme le charbon, le pétrole et le gaz naturel sont des combustibles non renouvelables.
Les combustibles fossiles sont issus de matière organique végétale, formée à partir d'énergie solaire par les producteurs primaires.
Le charbon provient de restes de végétaux continentaux (feuilles, débris de bois, etc.). Ces végétaux sont riches en lignine, une molécule qui rigidifie les végétaux aériens et riches en carbone.
Le gaz et le pétrole proviennent de phytoplanctons (végétaux marins microscopiques). Ces trois éléments sont riches en hydrogène \ce{H} et en carbone \ce{C}.
La formation des combustibles fossiles
Les restes végétaux tombent au fond des étendues d'eau ou dans le sol, on dit qu'ils sédimentent. Ils se mélangent alors à des sédiments inorganiques comme de l'argile, formant ainsi des boues riches en matière organique. Ces boues contiennent des bactéries anaérobies (c'est-à-dire qu'elles n'ont pas besoin d'oxygène pour vivre) qui minéralisent la matière organique. Il se produit alors une dégradation biochimique qui conduit à la formation de kérogène.
Ce kérogène peut être exploité comme énergie fossile, on le retrouve dans les sables bitumineux.
Les transformations se poursuivent et l'enfouissement continue, de plus en plus profondément dans les couches sédimentaires, c'est la subsidence (enfouissement sous le poids des sédiments). Interviennent alors des mécanismes physiques, comme l'augmentation de la température et de la pression, qui agissent sur ces matières. Les bactéries n'interviennent plus. Le kérogène subit une dégradation thermique, qui le transforme progressivement en combustible fossile. Les molécules de kérogène perdent progressivement leurs atomes d'oxygène et d'hydrogène. Elles deviennent alors plus riches en carbone. Cela conduit à la formation d'hydrocarbures, qui sont les principaux constituants du pétrole.
Un hydrocarbure est une molécule formée seulement d'atomes de carbone et d'hydrogène.
Le lieu de cette transformation est la roche-mère et ce processus peut prendre des millions d'années.
Des gaz peuvent également se former, provenant en partie du méthane produit par les bactéries au début de l'enfouissement. Ils seront ensuite transformés sous l'effet des conditions de pression et de température lors de la subsidence.
La formation des gaz naturels et du pétrole
Après leur formation, le pétrole (liquide) et le gaz naturel quittent généralement la roche-mère et remontent vers la surface. Leur remontée s'arrête s'ils rencontrent une roche imperméable concave. Cette roche imperméable forme un piège à hydrocarbures.
Ces différentes roches sont visibles sur une coupe géologique, c'est-à-dire une représentation verticale montrant ce qu'il y a en sous-sol.
Les structures géologiques qui piègent les hydrocarbures
Lorsque l'enfouissement se fait au bord des lacs ou des mers, et que les sédiments sont riches en feuilles, tiges, troncs d'arbres, champignons, pollen et spores de fougères, les conditions de sédimentation peuvent conduire à la formation de roches solides carbonées comme la houille, la tourbe, le lignite. Ce processus est une carbonification, formant ainsi le charbon.
Les défis de l'utilisation des combustibles fossiles
Les pièges à hydrocarbures sont recherchés par les pétroliers, car ils constituent des gisements de pétrole et de gaz naturel. Certains de ces gisements sont terrestres, d'autres sont en mer et sont aussi appelés offshore.
Lorsqu'un forage est réalisé, la récupération du pétrole peut se faire de manière naturelle s'il remonte tout seul vers la surface. Un pompage est parfois nécessaire : on parle de récupération assistée.
Leur exploitation est une activité économique. Elle a aussi des conséquences environnementales (pollution, marée noire).
L'Homme, en brûlant les combustibles fossiles (gaz, charbon et pétrole) fait retourner du carbone organique à l'état minéral, sous forme de dioxyde de carbone, ce qui enrichit l'atmosphère en \ce{CO2}. En effet, la combustion réalise le processus inverse de la photosynthèse, qui utilise du dioxyde de carbone atmosphérique. L'Homme réalise cette réaction pour produire de l'énergie sous forme de chaleur, avec de multiples applications : carburant automobile, chauffage, etc. C'est ce que l'on peut voir avec l'exemple de la combustion du gaz naturel.
L'équation bilan de la combustion du gaz naturel est :
\ce{CH4} + \ce{2O2} -> \ce{CO2} + \ce{2H2O} + \text{énergie}
Ainsi, l'Homme agit sur le cycle du carbone en provoquant l'enrichissement très rapide de l'atmosphère en \ce{CO2}, alors que la constitution des gisements de combustibles fossiles prend des millions d'années.
Cycle du carbone
Le cycle du carbone est l'ensemble des transports et des transformations des composés carbonés entre les grands réservoirs de la biosphère (ensemble des êtres vivants) et de la géosphère (lithosphère, hydrosphère, atmosphère). Comme il implique à la fois la biosphère et la géosphère, on dit que c'est un cycle biogéochimique.
Le cycle naturel du carbone
L'activité humaine influence le cycle du carbone, en particulier depuis la Révolution industrielle. L'utilisation de quantités très importantes de combustibles fossiles a entraîné une émission de gaz et notamment de dioxyde de carbone. Ces gaz rejoignent l'atmosphère. Par conséquent, la concentration atmosphérique de dioxyde de carbone augmente depuis les années 1850. Or, le \ce{CO2} est un gaz à effet de serre. De ce fait, ces modifications rapides du cycle du carbone perturbent très fortement le climat, ce qui entraîne une augmentation globale de la température de la planète.
