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sciences de la vie et de la Terre

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énergie solaire et circulations des enveloppes fluides

mis à jour le 23/06/2010


éolienne

Des ressources pour la partie du programme de seconde consacrée aux énergies renouvelables issues de la circulation des enveloppes fluides de la Terre.

mots clés : énergie solaire, énergie éolienne, hydraulique, cycle de l'eau, électricité, océan, courants, enveloppes fluides, atmosphère, vent


L'étude des particularités de la planète Terre a mis en évidence l'importance de l'énergie solaire et de l'effet de serre pour le développement et le maintien de la vie sur Terre. Une ressource pédagogique intitulée "Energie solaire : du local au global" s'attache à l'étude du flux d'énergie solaire et à l'exploitation directe de cette énergie par l'homme. Une autre ressource propose des activités concernant l'exploitation de cette énergie par les végétaux. Dans cette troisième ressource, l'inégale répartition des flux d'énergie à la surface de la Terre apparaît comme le moteur des circulations des enveloppes fluides. Elle permet l'exploitation par l'homme des ressources hydrauliques et éoliennes.

Ces ressources sont de simple propositions d'activités que l'on modulera en fonction des conditions de l'enseignement et de ses choix pédagogiques. Elles ne sauraient être considérées comme une progression.

Ces activités pourront être insérées dans une démarche pluridisciplinaire en rapport avec la partie "L'enjeu énergétique" de l'enseignement de géographie dans le cadre de projets pédagogiques. Elles font appel à des notions de SVT étudiées au collège comme le cycle de l'eau.

Etudier les flux d'énergie
Mettre en évidence et modéliser la circulation thermo haline océanique
Etudier la genèse des systèmes nuageux
Visualiser les circulations atmosphériques
Exploiter les énergies hydrauliques et éoliennes

Etudier les flux d'énergie

 
neo_nasa15NASA Earth Observations est un utilitaire en ligne disponible sur le site de la NASA à l'adresse : http://neo.sci.gsfc.nasa.gov/Search.html

Un tutoriel d'utilisation a été publié sur le site de l'Académie de Lille à l'adresse : http://www5.ac-lille.fr/~svt/svt/articles.php?lng=fr&pg=468
 
neo_nasa01La plupart des données disponibles sont des données issues des satellites d'observation de la Terre dans différents domaines.

Ces données ont permis de construire des indices à partir de traitements mathématiques de signaux bruts. L'onglet "Energy" permet de choisir les données relatives à nos préoccupations.

Ici c'est l'insolation moyenne en W/m² (Solar Insolation) au mois de juillet 2009 qui a été choisie.
Il est bien entendu possible de choisir la période de mesure dans la liste en dessous de l'image.
 
neo_nasa03La commande "View" actualise l'affichage tandis "Analyze this image" la charge dans une boîte de choix dans la partie droite de l'écran
 
neo_nasa04La commande "Configure/launch analysis" charge un nouvel écran avec des onglets de choix. On se contentera dans ce cas précis de cliquer sur "Launch analysis"
 
neo_nasa20Attention ! Si l'on utilise Internet Explorer, il faut autoriser l'exécution des contenus bloqués par la sécurité (sic) du navigateur.
 
Après un délai d'affichage qui peut être assez long en fonction de la connexion, l'image est chargée et l'outil "Probe" permet d'accéder à la valeur de l'insolation en n'importe quel point du globe durant le mois étudié.neo_nasa05
 
neo_nasa06La manipulation précédente peut aussi conduire à schématiser ce que devient l'énergie frappant la surface d'un objet. L'hypothèse d'une réflexion est testée en mesurant cette réflexion dans le domaine de la lumière visible (courtes longeurs d'onde ou "Reflected Shortwave Radiation").

Les élèves notent que cette réflexion est importante pour les étendues glacées, les zones nuageuses et les déserts. Elle est très faible dans les zones océaniques.
 
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Une analyse sur deux canaux : l'insolation et la réflexion dans le visible, permet de valider cette hypothèse.

Le pointage successif de zones identifiées avec l'outil "probe" permet de faire une première approche du bilan énergétique.

La réalisation d'un transect méridien permet de comparer les flux entrants et sortants de différentes zones. On notera pour éviter tout malentendu que les échelles utilisées ne sont pas exactement les mêmes pour les deux flux.
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neo_nasa09Les zones glacées du Groënland réfléchissent presque toute l'énergie reçue.
Les zones nuageuses de l'Atlantique nord interceptent une grande partie de l'énergie qui n'arrive donc pas au sol et réfléchissent la quasi totalité de l'énergie interceptée.
L'Atlantique central et la forêt amazonienne reçoivent beaucoup d'énergie mais n'en réflechissent qu'une très faible part.
En ce mois de juillet, l'Antarctique ne reçoit que très peu d'énergie qu'il réfléchit presque en totalité.
Les élèves émettent l'hypothèse d'une absorption de l'énergie par l'eau qui conduit à son échauffement.
 
neo_nasa10On peut éventuellement confirmer cette hypothèse en utilisant la notion de bilan énergétique. Cela correspond à l'item "Net Radiation" dans l'onglet "Energy".

On voit ici clairement que ce sont les océans tropicaux qui ont le bilan le plus positif tandis qu'en ce mois de juillet 2009 l'Antarctique tout entier a un bilan négatif. Les déserts, qu'ils soient glacés ou chauds, ont des bilans très faiblement positifs ou nuls du fait de la réflexion très élevée.
Les élèves sont donc conduits à se poser la question du devenir de cette énergie absorbée par l'eau des océans.

 

Mettre en évidence et modéliser la circulation thermo haline océanique


neo_nasa11L'utilisation des données "Sea Surface Température" de l'onglet "Ocean" de Neo Nasa montre clairement la corrélation entre un bilan énergétique positif et une température superficielle de l'océan assez élevée. La définition de cette image n'est cependant pas suffisante pour bien voir les courants chauds.
 
neo_nasa12Pour traiter du rôle des courants chauds de surface dans le transfert d'énergie au sein des enveloppes fluides, il est possible d'utiliser les images infra rouges disponibles sur le site de l'université John Hopkins. Une ressource est consacrée à ces images dans cette rubrique.

http://fermi.jhuapl.edu

Pour faciliter la lecture, une échelle des teintes est fournie avec chaque image.

Le site traite essentiellement de l'Atlantique ouest. Les meilleures images sont celles qui font la somme de 7 jours consécutifs d'observation. Le gulf stream est en effet constamment couvert de nuages et les températures mesurées ne sont fiables que si le capteur reçoit les radiations infrarouge émises par la mer et non par les nuages. Il s'agit ici de la synthèse de 7 jours d'observations au 14 juillet 2009. Le courant chaud se dirigeant vers le N-E est ici bien visible.

© John Hopkins University
 
circulations01La compensation de cette circulation d'eau chaude vers les pôles est comprise en mettant en oeuvre un modèle analogique. Contrairement à ce qui est préconisé par certains ouvrages, l'appareil est rempli d'eau à la température du robinet en veillant à ne pas laisser de bulles d'air dans les tuyaux de communication. Les colorants sont ajoutés ensuite et la mise en route du modèle consiste à placer un glaçon du côté bleu. Les élèves schématisent les mouvements observés.

Un manipulation similaire en remplaçant le glaçon par une pincée de sel fin conduit à mettre en évidence le second facteur de la circulation thermohaline.

Au terme de cette activité il apparaît que la circulation thermo haline transfère des quantités considérables d'énergie entre les zones où le bilan radiatif est positif et celles où il est négatif. L'exploitation directe de cette énergie n'a pas encore été entreprise par l'homme car elle se heurte à de problèmes d'implantation des hydroliennes. Les grands courants cheminent loin des côtes et le transport de l'énergie vers les consommateurs a un coût prohibitif. Les rares engins testés jusqu'à présent l'ont été dans de cadre de courants rapides littoraux qui sont peu connectés à la circulation thermohaline et sont plutôt liés à l'effet des marées.

 

Etudier la genèse des systèmes nuageux

Le site de l'université John Hopkins fournit aussi des synthèses sur trois jours des images du gulf stream (ici le 10 juillet 2009). Les zones apparaissant en blanc correspondent à des zones qui ont été continuellement couvertes de nuages pendant la période d'observation.



© John Hopkins University
 http://fermi.jhuapl.edu
 
neo_nasa14Les images captées par le satellite MODIS sont disponibles dans "True colors" de l'onglet "Atmosphere". Il existe une image par jour depuis 2006. Il s'agit ici d'un montage d'images du 14 juillet 2009.

Les stries noires correspondent non pas à des lacunes d'observations mais à des artéfacts de montage des images MODIS qui résultent des caractéristiques orbitales de ce satellite à défilement sur une orbite polaire.
 
Pour obtenir une image avec une meilleure résolution, il faut sélectionner l'image en question dans la fenêtre principale puis utiliser la fenêtre "Download Options".
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L'image acquise de cette manière permet de voir les systèmes nuageux. Ceux-ci sont majoritairement situés au dessus des océans dans la ceinture intertropicale et aux latitudes élevées.

En ce 14 juillet 2009 une dépression importante est en train de naître au dessus de la dérive nord atlantique du gulf stream.

A partir de ces observations et de ses acquis de cinquième, l'élève doit pouvoir retracer la partie "Evaporation" du cycle de l'eau. L'énergie solaire captée par l'eau est donc en partie utilisée par l'évaporation. C'est l'occasion de montrer aussi que la convection atmosphérique est alimentée par l'énergie solaire.
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Visualiser les circulations atmosphériques


dundee02Le site de l'Université de Dundee permet de capter gratuitement les images des satellites météorologiques géostationnaires. Il suffit de s'enregistrer sur le site en signalant que l'inscription est motivée par un objectif éducatif.
 
dundee03Les images des satellites géostationnaires sont les plus faciles à utiliser.
L'accès aux archives du statellite SEVIRI permet de choisir le type d'image.

Ce sont les images de petite taille avec grille du canal 11 qui ont été retenues.

Une fois la première image affichée, un tableau de pilotage apparaît au dessus de l'image. les signes "+" et "-" permettent de varier les paramètres de l'image. Une série d'images réalisées toutes les six heures sur plusieurs jours a été enregistrée.
 
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gif animéLes images sont ensuite montées en diaporama avec mesurim ou xnview.

Pour les besoins de cette ressource voici une animation de taille réduite des images SEVIRI du 21 au 24 avril 2009 pour le canal 11 en format gif animé montée avec UnFREEZ.

Les élèves perçoivent que les nuages formés sur les océans et les forêts équatoriales sont poussés par les vents sur les continents.

Aux latitudes élevées ce sont des vents d'ouest tandis que dans la zone intertropicale ce sont des vents d'est appellés alizés. Cela permet de compléter la partie "transport" du cycle de l'eau et de rappeler que l'énergie hydraulique résulte de l'action de la gravité sur les eaux continentales.

Cela permet aussi de percevoir que la convection atmosphérique est aussi à l'origine des vents.
 

Exploiter les énergies hydrauliques et éoliennes

 
Au terme des activités précédentes, les cellules de convection atmosphériques dépendantes de l'énergie solaire sont à l'origine des vents et du transport de l'eau sur les reliefs des continents.

Les dispositifs d'utilisation de ces sources d'énergie pour produire de l'électricité peuvent être présentés rapidement.
 
eia01L'utilisation du serveur de données de l'EIA (U.S. Energy Information Administration) permet de comparer à l'échelle globale les productions énergétiques http://tonto.eia.doe.gov/cfapps/ipdbproject/IEDIndex3.cfm?tid=6&pid=29&aid=12
 
eia06Comme décrit dans la ressource "l'énergie solaire : du local au global" , un fichier compressé permettant d'accéder à des fichiers de projets pour les logiciels SIG tels que fGIS et Mapwindow a été fabriqué à partir de ces données. Après décompression, le dossier "énergie_2008" contenant toutes les données est créé. Cet ensemble de fichiers est nécessaire à l'ouverture des projets SIG. Il ne faut donc pas les supprimer, les déplacer ou les modifier avec un autre logiciel.

Télécharger le fichier au format zip.
 
eia07Le fichier sources_energie_electrique_2.ttkgp peut être ouvert avec fGIS. Ce logiciel gratuit et son tutoriel sont disponibles dans cette rubrique.

Par défaut le projet s'ouvre en visualisant le nombre de kWh par habitant pour chaque pays.
 
neo_nasa21En modifiant les propriétés du thème, il est possible de programmer la discrétisation ("Use renderer" dans l'onglet "Area" puis paramétrage dans l'onglet "Renderer") avec la fonction qui donne le pourcentage d'énergie hydroélectrique par rapport au total de l'énergie électrique produite.

L'équation est écrite comme sur un tableur dans la case Render Expression.

La valeur maximale du pourcentage est de 100 et l'effectif est découpé en 10 classes.
 
neo_nasa22Les pays favorisés par une forte pluviométrie n'exploitent pas tous cet avantage. Ce sont les pays développés ou émergeants qui ont pu construire et exploiter les équipements hydroélectriques. On notera le sous équipement flagrant de l'Afrique.

Les résultats en pourcentages peuvent paraîtrent parfois paradoxaux. C'est le cas des USA qui utilisent essentiellement les énergie fossiles et nucléaires et de l'Afghanistan où la production par habitant est très faible et où les autres formes de production électrique n'ont pas bénéficié d'investissements.
 
neo_nasa23Le même travail est effectué pour l'énergie éolienne. La répartition se fait sur 5 classes entre 0 et 15%.
 
neo_nasa24La production d'énergie électrique d'origine éolienne ne dépasse pas 15 % de la production nette totale d'un pays. Elle est surtout le fait de pays développés qui ont mis en place des incitations financières. Le Portugal, l'Espagne et l'Allemagne sont les pays les plus équipés. On notera que les pays où soufflent les alizés n'exploitent quasiment pas cette ressource faute sans doute d'investissement et de capacités de gestion.

Le même travail peut être réalisé avec Mapwindow selon les modalités définies dans la ressource "l'énergie solaire : du local au global" , On utilisera alors le fichier "sources_énergie_électrique_2008.mwprj"
 
auteur(s) :

François Cordellier, professeur de SVT au lycée Jean Perrin de Rezé

information(s) pédagogique(s)

niveau : 2nde

type pédagogique : travaux pratiques, préparation pédagogique, tutoriel

public visé : enseignant

contexte d'usage : atelier, classe, laboratoire

référence aux programmes :

Le Soleil : une source d'énergie essentielle

Atmosphère, hydrosphère, climats: du passé à l'avenir

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