[PDF] Connaissances La Terre émet à sa surface de lénergie thermique.

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THEME 2 : ENJEUX PLANETAIRES CONTEMPORAINS

THEME 2 A : GEOTHERMIE ET PROPRIETES THERMIQUES DE LA TERRE

ESSENTIEL 5

- Les propriétés thermiques de la Terre -

™ Connaissances

La Terre émet à sa surface de l'énergie thermique. L'Homme utilise cette énergie, dite géothermique, pour satisfaire

une fraction de ses besoins énergétiques (production d'électricité et chauffage notamment). L'exploitation de l'énergie

géothermique, inépuisable à l'échelle de l'humanité, est une des alternatives possibles aux énergies fossiles.

Comment exploite- ?

I. Gradient et flux géothermiques témoignent d'une énergie interne ¾ La Terre libère de la chaleur d'origine profonde

De nombreuses manifestations à la surface du globe attestent de la présence de matériaux chauds en profondeur.

C'est le cas des sources hydrothermales qui libèrent des fluides chauds, mais aussi des éruptions volcaniques qui

sont des manifestations ponctuelles et brutales de la libération d'énergie interne. Enfin, l'augmentation de la

température avec la profondeur est une réalité bien connue des mineurs : plus une mine est profonde, plus il y fait

chaud. ¾ Le gradient et le flux géothermique mesurent cette libération d'énergie

Des forages permettent de mesurer l'élévation de température avec la profondeur, ou gradient géothermique : sa

valeur est en moyenne de 30°C.km-1.

Le flux géothermique, mesurée W.m-2, correspond à la dissipation d'énergie provenant des profondeurs de la Terre et

traversant une surface donnée en un temps donné. Une telle mesure permet d'évaluer le transfert de chaleur de la

profondeur vers la surface. 95% de la libération d'énergie interne est ainsi dissipés de façon diffuse, les 5 % restants

correspondant à des événements localisés brefs : séismes et éruptions volcaniques. ¾ Gradient et flux géothermiques varient selon le contexte géodynamique

Le flux géothermique présente des variations importantes d'une région à l'autre : il est, par exemple, un peu plus

élevé au niveau des océans que sur le continent.

Dans les domaines océaniques, les zones à flux de chaleur élevé sont les dorsales océaniques d'une part, les arcs

volcaniques liés à la subduction et les points chauds d'autre part. En revanche, le flux de chaleur est faible au niveau

des zones stables (plateau continental et plein abyssal) de même qu'au niveau des fosses associées à la subduction.

Sur les continents, un flux géothermique élevé est observé dans les régions volcaniques mais aussi dans certains rifts

continentaux où la croûte est amincie. II. Origine du flux géothermique et modalités du transfert d'énergie ¾ Une origine principale : la désintégration d'éléments radioactifs

La chaleur de la Terre provient essentiellement (90 %) de la désintégration naturelle des isotopes radioactifs de

certains éléments chimiques présents dans les roches du globe : uranium (238U et 235U), thorium (232Th) et potassium

(40K). Le noyau atomique instable des isotopes radioactifs se fragmente spontanément en libérant un rayonnement et

de l'énergie thermique. Même si le manteau est moins concentré en ces isotopes que la croûte terrestre, sa masse

énorme lui permet de jouer le rôle prépondérant dans la production d'énergie interne. ¾ Deux mécanismes de transfert inégalement efficaces

thermique produite est transférée au sein des enveloppes du globe selon deux modalités : la conduction à la

convection.

La conduction correspond un transfert de chaleur de proche en proche. Il n'y a pas, dans ce cas, de déplacement de

matière. L'échange thermique entre une région chaude et une région voisine plus froide se matérialise par un fort

gradient thermique (par exemple dans la croûte, 30°C.km-1). L'efficacité de ce transfert dépend de la conductivité du

matériau.

La convection, en revanche, correspond à un transfert de chaleur avec un déplacement de matériau qui conserve

pratiquement sa température. Le gradient thermique est alors très faible (de 0,3°C.km-1par exemple). Ce mécanisme

plus froide et plus dense a tendance à descendre et, à terme, à s'échauffer. Les cellules de convection s'organisent

alors.

¾ Un modèle thermique du globe

On peut considérer la terre comme une sphère dans laquelle existe une convection lente dans le manteau à l'origine

des remontées et des descentes asthénosphériques. Celles-ci sont à l'origine de la dynamique lithosphérique et donc

aussi à l'origine des manifestations de surface. Ces cellules de convection sont repérables par tomographie sismique.

Ainsi, c'est la dissipation d'énergie interne du globe " fait bouger » les plaques.

De part et d'autre de cette zone convective existent deux couches où règne la conduction : la lithosphère et l'interface

noyau/manteau. C'est la conduction à travers la lithosphère qui est responsable du flux géothermique mesuré.

Ainsi, l'énergie interne est efficacement transférée par convection de la profondeur vers la surface puis dissipée par

conduction à travers la lithosphère. Le globe terrestre se refroidit ainsi très progressivement.

III. L'énergie géothermique est utilisée par l'homme

géothermique chauffe les roches et les fluides qui peuvent circuler. L'Homme extrait ces fluides pour

exploiter cette énergie.

Dans les bassins sédimentaires comme le Bassin parisien, le gradient géothermique est voisin de 30°.km-1 et les

fluides extraits ont une température générale inférieure à 90°C. Ils sont utilisés pour le chauffage collectif

géothermie " basse énergie ».

Dans les zones à activités magmatiques (subduction aux Antilles) ou à l'aplomb des rifts, le gradient géothermique est

plus élevé. Les fluides sont prélevés à des températures supérieures à 90 °C et permettre la production d'électricité :

géothermie " haute énergie ».

Pour le chauffage, l'énergie géothermique a, en France, un potentiel certain. En revanche, la production d'électricité

d'origine géothermique ne représente encore qu'une très faible fraction de l'électricité consommée.

Le prélèvement éventuel d'énergie par l'Homme ne représente qu'une infime partie de ce qui est dissipé.

Termes importants :

Conduction : transfert thermique réalisé de proche en proche par transmission d'une agitation des atomes sans

mouvement global des matériaux.

Convection : transfert thermique réalisé par le déplacement du matériau du fait de différences de densités entre les

secteurs chauds et froids. Le matériau échauffé et devenu moins dense s'élève et remplace la matière plus froide qui

tend à s'enfoncer.

Énergie géothermique : énergie libérée par la désintégration des éléments radioactifs contenus dans les roches. Elle

chauffe les roches et fluides qui circulent.

Flux géothermique : quantité d'énergie géothermique dissipée par unité de temps et de surface (exprimé en W.m-2)

Gradient géothermique : variations de la température sur une distance donnée dans une enveloppe terrestre

(exprimé en °C.km-1)

™ Capacités et attitudes :

I - Recenser des informations relatives au gradient et au flux géothermiques.

- Exploiter des données extraites des atlas régionaux concernant la température des fluides extraits

dans ces zones. les exploitations actuelles dans le cadre structural : magmatisme de rifting, de subduction ou de points chauds. C

Exprimer et exploiter des résultats :

enveloppes de la Terre. - Traiter des DS

Pratiquer une démarche scientifique :

- Exploiter une modélisation analogique de convection en employant des matériaux de viscosité

différente.

- Exploiter des données de tomographie sismique afin de préciser la dynamique interne de la Terre.

Comprendre le lien entre les phénomènes naturels et le langage mathématique

Percevoir le lien entre sciences et techniques.

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