Chapitre n°1 : Le soleil : une source d’énergie essentielle

I) Le soleil : source d’énergie à l’origine de la production de biomasse

Question n° 1 : Comment est produite la matière organique des végétaux et que permet-elle ?

En présence de lumière solaire, les végétaux peuvent produire leur matière organique (glucides, lipides et protéines). La photosynthèse permet de transformer le CO2 apporté par l'air et l'H2O transportée depuis les racines en glucose et en O2 qui sera rejeté ; cette transformation chimique est rendue possible par l’énergie lumineuse captée par les chlorophylles (pigment de couleur vert) d’où le nom végétaux chlorophylliens

L’équation bilan simplifiée de la fabrication d’une molécule de glucose par photosynthèse s’écrit donc 

Lumière

6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 (glucose) + 6 O2

Les molécules de glucose produites lors de la photosynthèse sont assemblées entre elles pour former l'amidon.

C'est donc pour cela que l'on dit que les plantes permettent de purifier l'air, car celles-ci absorbent le CO2 et rejettent l'O2.

L’ensemble de la quantité de matière organique produite par tous les êtres vivants s’appelle la biomasse. Les végétaux chlorophylliens sont les premiers maillons de la quasi-totalité des chaînes alimentaires dans les écosystèmes : ils sont qualifiés de producteurs primaires. La biomasse des végétaux permet aux producteurs secondaires de se nourrir mais depuis quelques années la matière organique est utilisée pour produire des biogaz et biocarburants.

Les végétaux et animaux non consommés par des producteurs secondaires meurent et sont en grande partie dégradés en matière minérale par des décomposeurs, notamment des bactéries et champignon du sol. Cette matière minérale est ensuite utilisée par les végétaux chlorophylliens pour produire leur matière par photosynthèse.

Transition : la matière organique des végétaux morts non dégradées car enfouies se transforme en combustibles fossiles

II) Le soleil, source d’énergie passée à travers les combustibles fossiles

Question n°2 : Pourquoi les combustibles fossiles mettent-ils autant de temps à se former ?

Un combustible fossile est une ressource souterraine qui en brûlant libère de l'énergie. Il existe différents types de combustibles fossiles ou hydrocarbures : les charbons, le gaz naturel et le pétrole, ce sont des molécules composées de carbone et d'hydrogène. Les combustibles fossiles sont issus de matières organiques mortes échappant à l'action de décomposeurs. Suite à un enfouissement, la matière s'enfonce dans le sol et avec l'augmentation de la température et de la pression, elle se transforme soit en charbon si la matière organique est d’origine continentale ou littorale, soit en pétrole si le milieu d'origine de la matière organique est aquatique. Un combustible fossile met des millions d'années pour se former car il a besoin de beaucoup de matières organiques.

· Formation du charbon :

La formation du charbon a commencé il y a 300 millions d'années. À cette époque, il y avait des forêts luxuriantes, qui ont été submergé par une montée des eaux (dû à des mouvements de terrains ou des changements climatiques). Les végétaux se sont entassés au fond de ces marécages et ont été enfouis sous les dépôts de sédiments. Entre les couches de sédiments, les végétaux privés d'air ne se sont pas décomposés et ont donc formé progressivement de la roche grâce à l'action de bactéries. Suite à l'augmentation de la température et de la pression dans les sols, la matière organique s'est alors transformée en charbon formant des couches et dans lesquelles on va chercher le combustible fossile parfois à des centaines de mètres de profondeur dans des mines.

· Formation du pétrole :

Les formations du pétrole et du gaz ont commencé il y a très longtemps, entre 600 et 2 millions d'années. Il est issu des déchets organiques de micro-organismes aquatiques, les phytoplanctons, qui se sont déposés sur le fond océanique et ont été recouvert par les sédiments. Le poids de ces dépôts entraine un enfouissement de la matière organique. Au fur et à mesure de ce dernier, les déchets organiques se transforment peu à peu en kérogène (matériau solide jouant l'intermédiaire entre les déchets organiques et les hydrocarbures). La matière va continuer à s’enfoncer en profondeur :

· 2000 m de profondeur, le kérogène se transforme alors peu à peu en hydrocarbure,

· 2000 m à 3800 m de profondeur, les hydrocarbures passent à un état liquide, le pétrole,

· 3800 à 5000 m de profondeur, les hydrocarbures liquides deviennent de plus en plus légers et passent à un état gazeux, il y a alors la formation de gaz naturels comme le méthane

Au-delà, on ne trouve plus d'hydrocarbures car ils se sont détruits à cause de l'augmentation de la température. Le gaz, le pétrole et l'eau ont tendance à remonter à travers une roche poreuse (la roche réservoir), jusqu'à ce qu'il rencontre une roche imperméable sous laquelle ils sont piégés et sous laquelle ils s'agencent en fonction de leur densité : au plus profond, l'eau, puis le pétrole, et enfin le gaz. Et s’il n'y a pas de roche imperméable pour les piéger, le pétrole remonte naturellement jusqu'à la surface. Il faut savoir que 1 litre de pétrole correspond à 23 tonnes de matières organiques transformés.

Les combustibles fossiles sont importants car ils libèrent de l'énergie pendant leur combustion. Nous l'utilisons quotidiennement pour nous chauffer, nous déplacer, éclairer des bâtiments, cuisiner... La combustion de ces derniers entraîne de la pollution car elle rejette du dioxyde du carbone causant le réchauffement climatique. Il faut des millions d'année pour former des hydrocarbures ou du charbon et quelques minutes pour les brûler : les combustibles fossiles sont donc des ressources non-renouvelables à l'échelle humaine.

· Le cycle du carbone

Sur Terre, le carbone circule entre différents réservoirs : l'atmosphère, l'hydrosphère, la biosphère et les roches. Ces flux de carbone constituent le cycle du carbone, qui est équilibré à l'état naturel. Quand l'Homme brûle du pétrole, du méthane ou du charbon, il libère instantanément le dioxyde de carbone qui avait été prélevé lentement par des végétaux (photosynthèse) puis piégé pendant des millions d'années. Le dioxyde de carbone rejeté perturbe le cycle naturel du carbone. Une partie de ce gaz s'accumule alors dans l'atmosphère, ce qui augmente l'effet de serre naturel et entraîne un réchauffement global de la planète. De plus, comme le charbon pourrait devenir la première source d'énergie mondiale, alors ce phénomène climatique s’accentuerait sans doute car c'est le combustible fossile le plus polluant.

III) Le soleil : source d’énergie à l’origine du cycle de l’eau et des mouvements atmosphérique et hydrosphérique

Question 3: Comment économiser ou substituer les énergies fossiles pour répondre à tous les besoins de la population, tout en préservant l'environnement de notre planète ?

Nous savons qu'une bonne majorité des énergies fossiles est destinée à la fabrication de matières plastiques, un de nos plus grands besoins. Nous devons donc trouver et améliorer nos moyens soit pour réduire, soit pour réutiliser ou même pour recycler ces matières plastiques.

L'autre grande partie des énergies fossiles est destinée cette fois-ci à la production d'électricité. Elle pourrait être remplacée en partie par les énergies renouvelables exploitées par des ressources naturelles telles que le vent, le soleil, l'eau et les matières organiques. Moins de 1% de l’énergie solaire est utilisé pour la photosynthèse. Le reste chauffe la surface du globe. Du fait de la sphéricité du globe, la quantité d’énergie solaire reçue par unité de surface varie selon la latitude. Elle diminue de l’équateur vers les pôles.

Les zones qui reçoivent plus d’énergie sont plus chauffées ; la chaleur ainsi dégagée par la surface du globe réchauffe l’air qui, devenu moins dense, s’élève. Au niveau d’autres zones, l’air froid descend des hautes altitudes vers le sol provoquant un anticyclone, zone à haute pression. Cette différence de pression génère des mouvements d’air horizontaux des zones de haute pression vers les zones de basse: les vents. Des courants marins naissent aussi de l’inégale répartition de l’énergie solaire par la Terre.

L’énergie solaire est aussi responsable du cycle de l’eau. L’eau s’évapore grâce à la chaleur et circule, sous forme de vapeur, grâce aux vents. Les précipitations, l’écoulement par gravité permettent le retour de l’eau dans les bassins océaniques. L’énergie solaire est donc responsable du cycle de l’eau, des vents et des courants marins.

Néanmoins si nous utilisons à l'avenir d'avantages les énergies renouvelables ainsi que la réutilisation, la réduction et le recyclage du plastique en changeant notre façon de vivre, nous pourrions peut-être ne plus à avoir à utiliser les énergies fossiles pour répondre à nos besoins.

Chapitre n°2 : Nourrir l’humanité en cultivant les sols

I) L’agriculture : une autre source d’énergie, d’origine chimique, essentielle pour la société humaine

Sujet 4 : Comment la planète sera-t-elle en mesure de répondre au besoin de la population mondiale si elle augmente ?

Des études ont démontrées que nous serons environ 9 milliards de personnes en 2050. Pour que tout le monde puisse manger, il faudra doubler la production agricole mondiale, voire la tripler en Afrique. Le problème est que les solutions qui ont permis d'augmenter la productivité de l'agriculture au XXe siècle sont en ce moment en train de montrer leurs limites.

Aujourd'hui, 12 % des terres émergées sont cultivées (57% en Inde, 35% en France, 7% en Russie et 3% en Égypte). Le réchauffement climatique entraîne des complications naturelles, les tempêtes et ouragans sont de plus en plus fréquents, les températures augmentent et les précipitations sont de plus en plus irrégulières. Certaines régions connaissent une sécheresse qui rend la terre difficilement cultivable et les déserts s'étendent de façon irréversible (c'est ce que l'on appelle la désertification). D'autres régions connaissent des périodes de pluies de plus en plus intenses causant des inondations, et détruisant les terres cultivées. De plus, les villes s'étendent de plus en plus ce qui participe également à la diminution des terres cultivables (de plus en plus de personnes vivent en ville). Les espaces cultivables sont donc en diminution ce qui baisse la production de nourriture.

Nous en concluons que la terre pourrait nourrir toute la population mais que le problème se trouve au niveau de la répartition de ces terres.

· Satisfaire nos besoins alimentaires

Tous nos aliments proviennent, directement ou non, de la photosynthèse. Pour répondre à l’augmentation de la demande alimentaire, les pratiques agricoles s’intensifient et de nouvelles terres sont mises en culture. L’agriculture permet à l’humanité de se nourrir mais elle perturbe les écosystèmes naturels : elle est pour cette raison la principale cause de diminution de la biodiversité (ex : l’utilisation de pesticides pour lutter contre les parasites des cultures modifient la biodiversité naturelle du milieu).

Bien que les cultures hors sol se développent, l’essentiel de la production agricole se fait et se fera longtemps au champ. Pour être cultivable, un champ doit présenter de nombreuses qualités :

· Etre suffisamment profond, aéré et pas trop compact pour que les racines puissent s’y enfoncer ;

· Contenir des substances nutritives et de l’eau en quantité suffisante ;

· Ne pas contenir d’éléments chimiques nuisibles aux cultures (sel, aluminium…)

Aucune culture n’est possible sans eau. Dans les régions où les précipitations sont insuffisantes, on a recours à l’irrigation.

· Sols et eau : des ressources limitées et inégalement réparties

Plus des deux tiers des sols de notre planète ne sont pas cultivables (zones montagneuses, zones côtières trop salées, zones trop arides…). A l’échelle planétaire, les réserves en terres cultivables et en eau semblent suffisantes pour compenser la croissance démographique. Ce qui n’est pas toujours le cas à l’échelle régionale. L’Asie du sud ou le Proche-Orient exploitent déjà la quasi-totalité des sols aptes à l’agriculture et plus de 40 % de leurs ressources en eau renouvelables. On estime qu’en 2030, un pays de développement sur cinq sera confronté à des pénuries d’eau. Ensuite l'exposition est importante, il faut que les terres soient assez exposées au soleil mais que la chaleur ne soit pas trop élevée.

Pour résumer, l'agriculture ne peut pas se faire partout. Elle dépend de la qualité de la terre, de l'eau et de l'entretient.

· Agriculture et énergie

A l’échelle mondiale, l’utilisation de produits agricoles à des fins énergétiques s’accentue : 50% du bois consommé est utilisé comme combustible et la production de d’agrocarburants a triplé entre 2000 et 2008.

Les quantités de végétaux, donc de sol et d’eau, pour produire des agrocarburants, sont très importantes. Ce qui crée un débat : pour certains, cette production permet de lutter contre l’épuisement des combustibles fossiles, pour d’autres, elle entre en concurrence avec la production d’aliments.

II) La gestion des sols

Sujet 4 : Comment l’Homme peut-il cultiver les sols tout en les préservant durablement ?

Le sol est la partie superficielle de la croûte terrestre. Il présente une organisation verticale en horizons plus ou moins parallèles à la surface. Il repose sur la roche qui constitue le sous-sol. Le sol est composé de plusieurs couches et différents éléments :

· d’éléments liquides : l’eau (26%)

· d’éléments solides : matière minérales (49% : sable, argile…) et matière organique (3% : restes d’êtres vivants, débris de végétaux).

· d’éléments gazeux : dioxygène, CO2 (22%)

· La formation d’un sol

La formation d’un sol comprend deux étapes principales :

· une décomposition de la roche, nommée roche mère, par désagrégation physique et chimique sous l’action de l’eau, de la température, des racines des végétaux qui s’y implantent, du gel-dégel…

· un enrichissement en matière organique une fois que des végétaux ont réussi à s’implanter sur ce futur sol. Lorsqu’ils meurent, leur matière organique est pour une part

· décomposer en matière minérale par les décomposeurs du sol (bactéries, champignons) ;

· pour l’autre part transformer en un constituant organique complexe, l’humus qui s’incorpore peu à peu au sol sous l’action de la faune (vers de terre, larves d’insectes…).

La formation d’un sol nécessite des milliers d’années (1cm fabriqué en un siècle). C’est donc une ressource non renouvelable à l’échelle humaine.

La formation d’un sol

· La gestion des sols

L’eau présente dans le sol est utile pour l’irrigation, la géothermie mais aussi pour des usages domestiques et industriels.

Les animaux vivant dans le sol comme les lombrics sont nécessaires pour entretenir le sol, ils permettent l’aération, le mélange et le drainage du sol, ils sont appelés les recycleurs.

Le sol se fragilise à cause de l’activité humaine, notamment l’agriculture qui pollue les sols avec l’usage intensif d’engrais chimiques et de pesticides, le passage d’engins de plus en plus lourds provoque un tassement du sol il ne laisse alors passer ni l’air ni l’eau donc la faune des recycleurs diminue.

D’autres activités humaines nuisent au sol :

· La mise en décharge de déchets

· La déforestation et les incendies de forêt qui entrainent l’érosion des sols avec la perte de couverture végétaux

· La construction de routes, d’entrepôts et d’habitations qui imperméabilise le sol

Pour préserver le sol il faudrait donc arrêter les engrais chimiques et les pesticides et utiliser des produits bio qui ne polluent pas, diminuer la construction de routes, habitations et arrêter de rejeter les déchets dans la nature et diminuer la déforestation. Bien adapter l’occupation des sols (choix des cultures, choix au niveau de l’urbanisation…) est la meilleure façon de les protéger. Une prise de conscience au niveau mondiale est nécessaire et une gestion durable des sols représente un enjeu majeur pour l’Humanité.