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Le Soleil, notre source d’énergie

Le Soleil émet un rayonnement électromagnétique, issu de la fusion thermonucléaire de l’hydrogène, dont le spectre est proche de celui d’un corps noir : la loi de Wien relie la température de surface à la longueur d’onde du maximum d’émission. À l’échelle de la Terre, le bilan radiatif (puissance reçue, réfléchie selon l’albédo, réémise dans l’infrarouge) fixe la température moyenne de surface, que l’effet de serre relève ; l’incidence des rayons selon la latitude explique les climats, et la photosynthèse capte cette énergie pour le vivant. Périmètre : thème de PREMIÈRE (annexe du BO n° 25 du 22 juin 2023, thème 2), évalué dans la moyenne annuelle de première (coefficient 3). Le programme de terminale le remobilise nommément — « Les notions d'équilibre radiatif de la Terre et d'effet de serre atmosphérique, étudiées en classe de première, sont mobilisées » — ce qui en fait le prérequis direct du thème « Science, climat et société ».

6 sections~43 min de lecture5 compétencesVérifié · 06/2026

T·0222 / 8

Profil d’examen

Thème de première (coefficient 3), explicitement remobilisé par le thème climat de terminale — Utiliser la loi de Wien pour relier la température de surface d’un corps au noir à la longueur d’onde de son maximum d’émission, et situer Soleil et Terre dans le spectre électromagnétique.Thème de première (coefficient 3), explicitement remobilisé par le thème climat de terminale — Établir un bilan radiatif simple de la Terre (puissance reçue, réfléchie via l’albédo, réémise dans l’infrarouge) et relier l’équilibre à une température moyenne de surface ; expliquer qualitativement l’effet de serre.Thème de première (coefficient 3), explicitement remobilisé par le thème climat de terminale — Relier la puissance solaire reçue par unité de surface à la latitude et à l’inclinaison des rayons, et en déduire l’inégale répartition de l’énergie (climats, saisons).Thème de première (coefficient 3), explicitement remobilisé par le thème climat de terminale — Exploiter la conversion d’énergie de la photosynthèse (à l’échelle de la planète, les organismes chlorophylliens utilisent pour la photosynthèse environ 0,1 % de la puissance solaire totale reçue) et calculer un rendement local ; établir un bilan d’énergie pour le corps humain.Thème de première (coefficient 3) — Citer des sources d'énergie renouvelables et non renouvelables, distinguer stocks et flux en comparant durée de formation et durée d'épuisement, et comparer des pouvoirs calorifiques par unité de masse.

Opérateurs :relierétablircalculerinterpréterjustifierschématiserestimer un ordre de grandeur

niveau de base

Ce thème relève de la PREMIÈRE : il est noté dans la moyenne annuelle de première (coefficient 3), jamais par une épreuve terminale. Visez la maîtrise sûre de la loi de Wien (λ_max × T = constante), du bilan radiatif moyen (S/4, albédo, réémission IR) et de l’idée d’effet de serre — c’est exactement ce que le thème climat de terminale réutilise.

niveau approfondi

Pour aller plus loin (Grand oral, lien avec « Science, climat et société » de terminale) : reliez quantitativement le déséquilibre du bilan radiatif au forçage des gaz à effet de serre, comparez température d’équilibre sans atmosphère (≈ −18 °C) et température réelle (≈ +15 °C), et discutez albédo, rétroactions et rendement de la photosynthèse comme contrainte énergétique du vivant.

Profondeur

Texte

Sommaire · 6 sections

Le Soleil, notre source d’énergie

6 sections30 points clés13 formules30 pièges signalés

Le rayonnement solaire : origine, spectre et loi de Wien#

~8 min de lectureStandardeduscol-programme-enseignement-scientifique

Spectres de corps noir : décalage du maximum avec la température (loi de Wien)

Fig. 1Plus un corps est chaud, plus le maximum de son spectre se décale vers les courtes longueurs d’onde : c’est la loi de Wien. Le profil de corps noir est tracé pour deux températures, l’abscisse étant la longueur d’onde en centaines de nm : le corps chaud (analogue solaire) culmine vers 500 nm (visible), le corps plus froid vers 1200 nm (proche infrarouge).

Origine de l’énergie solaire : au cœur du Soleil (≈ 15 millions de kelvins), des réactions de FUSION THERMONUCLÉAIRE transforment l’hydrogène en hélium. Une faible perte de masse Δm est convertie en énergie selon E = Δm·c², libérée d’abord sous forme de rayonnement de très haute énergie qui, après un long transfert vers la surface, est émis dans l’espace : c’est la source de la quasi-totalité de l’énergie reçue par la Terre. Le Soleil rayonne une puissance totale ≈ 3,8 × 10²⁶ W, ce qui correspond à environ 4 × 10⁹ kg de masse convertie en énergie chaque seconde (capacité attendue : déterminer cette masse à partir de la puissance rayonnée).

Nature du rayonnement : le Soleil émet un RAYONNEMENT ÉLECTROMAGNÉTIQUE dont le spectre est CONTINU et très proche de celui d’un CORPS NOIR (objet idéal qui absorbe tout le rayonnement reçu et réémet un spectre ne dépendant que de sa température). Ce spectre s’étend de l’ultraviolet à l’infrarouge, avec un maximum dans le domaine VISIBLE.

Loi de Wien : la longueur d’onde du maximum d’émission λ_max d’un corps noir est INVERSEMENT proportionnelle à sa température absolue T (en kelvins) : λ_max × T = constante ≈ 2,90 × 10⁻³ m·K. Plus un corps est chaud, plus son maximum d’émission se décale vers les courtes longueurs d’onde (« le bleu »).

Application Soleil / Terre : pour le Soleil (température de surface ≈ 5800 K), λ_max ≈ 500 nm → émission surtout VISIBLE. Pour la Terre (température moyenne ≈ 288 K), λ_max ≈ 10 µm → émission dans l’INFRAROUGE, invisible à l’œil. Cette différence de domaine spectral est la clé de l’effet de serre.

Rappel de première — unités et conversions : températures TOUJOURS en kelvins dans la loi de Wien (T(K) = θ(°C) + 273) ; 1 nm = 10⁻⁹ m, 1 µm = 10⁻⁶ m. Le spectre visible s’étend d’environ 400 nm (violet) à 800 nm (rouge).

La loi de Wien se manipule dans les deux sens, et c'est cette réversibilité qui en fait un instrument de mesure. Connaissant T, on prédit λ_max ; mais surtout, connaissant λ_max mesuré sur un spectre, on REMONTE à la température d'un objet qu'on ne pourra jamais toucher. C'est ainsi que l'on connaît la température de surface des étoiles : par la couleur de leur maximum d'émission, rien d'autre.

Une conséquence à savoir énoncer : la couleur perçue d'une étoile renseigne sur sa température, et l'ordre est contre-intuitif par rapport au langage courant. Une étoile bleue (λ_max court) est PLUS chaude qu'une étoile rouge (λ_max long). Le « rouge = chaud » du vocabulaire quotidien est faux en astrophysique.

Enfin, le spectre solaire reçu au sol n'est pas exactement celui émis par le Soleil : l'atmosphère en absorbe des portions, notamment une grande partie de l'ultraviolet par l'ozone stratosphérique. Le spectre au sommet de l'atmosphère et le spectre au sol se distinguent donc par des bandes d'absorption — ce qui relie directement ce sous-thème au rôle protecteur de la couche d'ozone.

Vocabulaire

→ Cartes

corps noirObjet idéal absorbant tout le rayonnement reçu et dont le spectre d'émission ne dépend que de la température.
loi de WienRelation λ_max × T = 2,90 × 10⁻³ m·K liant le maximum d'émission d'un corps noir à sa température absolue.
fusion thermonucléaireAssemblage de noyaux légers au cœur d'une étoile, source de l'énergie rayonnée par le Soleil.
spectre continuSpectre d'émission comportant toutes les longueurs d'onde d'un domaine, sans raies isolées.
kelvin (K)Unité de température absolue ; T(K) = θ(°C) + 273. Seule unité admise dans la loi de Wien.

Loi de Wien

\lambda_{\max}\times T = 2{,}90\times 10^{-3}\ \text{m}\cdot\text{K}

Le produit de la longueur d’onde du maximum d’émission (en mètres) par la température absolue (en kelvins) est une constante. T doit impérativement être exprimée en kelvins.

λ_max connaissant T

\lambda_{\max} = \dfrac{2{,}90\times 10^{-3}}{T}

Forme directe pour calculer la longueur d’onde du maximum d’émission. Plus T est grande, plus λ_max est petite (décalage vers le bleu).

Énergie de fusion (équivalence masse-énergie)

E = \Delta m\,c^{2}

La très faible perte de masse Δm lors de la fusion de l’hydrogène en hélium est convertie en énergie ; c ≈ 3,00 × 10⁸ m·s⁻¹ est la célérité de la lumière. Justifie l’immense puissance rayonnée par le Soleil.

Maxima d’émission du Soleil et de la Terre sur l’échelle des longueurs d’onde

Fig. 2Position des maxima d’émission sur l’axe des longueurs d’onde (en µm). Le maximum du Soleil (≈ 0,5 µm) tombe dans le domaine visible (≈ 0,4–0,8 µm) ; celui de la Terre (≈ 10 µm) est très au-delà, dans l’infrarouge. Ce décalage d’un facteur ≈ 20 entre rayonnement reçu (visible) et rayonnement réémis (IR) est la clé de l’effet de serre.

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Exemple corrigé

Température de surface du Soleil par la loi de Wien

Le spectre du Soleil présente un maximum d’émission à λ_max ≈ 500 nm. (a) Calculer la température de surface du Soleil à l’aide de la loi de Wien (constante 2,90 × 10⁻³ m·K). (b) Vérifier que ce maximum se situe bien dans le domaine visible. (c) Pour la Terre (T ≈ 288 K), calculer λ_max et préciser le domaine spectral.

Convertir la longueur d’onde
On exprime λ_max en mètres avant tout calcul : 500 nm = 500 × 10⁻⁹ m = 5,00 × 10⁻⁷ m.
Isoler puis calculer T (Soleil)
À partir de λ_max × T = 2,90 × 10⁻³, on isole T en divisant la constante par λ_max.
Situer dans le spectre
λ_max = 500 nm appartient bien à l’intervalle visible (≈ 400–800 nm), du côté du vert : le Soleil rayonne majoritairement dans le visible.
Cas de la Terre
On applique la même loi en sens direct avec T = 288 K : λ_max = 2,90 × 10⁻³ / 288 ≈ 1,0 × 10⁻⁵ m = 10 µm, dans l’infrarouge (très au-delà de 800 nm).

Résultat : (a) T_Soleil ≈ 5,80 × 10³ K = 5800 K. (b) 500 nm est dans le visible : cohérent. (c) La Terre émet vers 10 µm, dans l’infrarouge. Le Soleil (chaud) rayonne dans le visible, la Terre (froide) dans l’IR : c’est ce décalage qui rend possible l’effet de serre.

Exemple corrigé

Masse solaire transformée en énergie chaque seconde

Le Soleil rayonne une puissance totale P ≈ 3,8 × 10²⁶ W. À l’aide de l’équivalence masse-énergie (E = Δm·c², avec c = 3,00 × 10⁸ m·s⁻¹), déterminer la masse Δm convertie en énergie chaque seconde.

Énergie rayonnée en 1 s
La puissance est l’énergie rayonnée par seconde : pour Δt = 1 s, l’énergie vaut E = P·Δt.
Isoler la masse via E = Δm·c²
On exprime la perte de masse en divisant l’énergie par le carré de la célérité de la lumière.
Application numérique
On calcule c² = 9,00 × 10¹⁶ m²·s⁻², puis le quotient.

Résultat : Le Soleil convertit environ 4,2 × 10⁹ kg (soit ≈ 4 millions de tonnes) de masse en énergie chaque seconde. Cette perte est pourtant négligeable devant la masse totale du Soleil (≈ 2 × 10³⁰ kg), ce qui explique sa très longue durée de vie.

Erreurs fréquentes

Utiliser des degrés Celsius dans la loi de Wien : la relation λ_max × T = 2,90 × 10⁻³ m·K n'est valable qu'avec T en kelvins. Un oubli de conversion fausse le résultat d'un facteur qui peut dépasser 20.
Écrire que λ_max est proportionnelle à T : elle lui est INVERSEMENT proportionnelle. Plus l'objet est chaud, plus λ_max est PETITE.
Croire qu'une étoile rouge est plus chaude qu'une étoile bleue : c'est l'inverse. Le rouge correspond à une grande longueur d'onde, donc à une température basse.
Confondre fusion et fission dans l'origine de l'énergie solaire : le Soleil fonctionne par FUSION de l'hydrogène en hélium, pas par fission comme une centrale nucléaire.
Oublier le c² dans E = Δm·c², ou l'appliquer avec c en km·s⁻¹ : c vaut 3,00 × 10⁸ m·s⁻¹, et c² vaut 9,00 × 10¹⁶ m²·s⁻². C'est ce facteur énorme qui explique qu'une perte de masse minuscule libère une puissance colossale.

Révision active

L’étoile Bételgeuse présente un maximum d’émission vers λ_max ≈ 830 nm. Estimer sa température de surface à l’aide de la loi de Wien, puis comparer à celle du Soleil et préciser dans quel domaine spectral elle émet majoritairement.

S’entraîner sur des exercices associés50 questions sur ce thème

Rappel actif

Rappelle-toi les points clés — puis révèle.

Sources : Programme d’enseignement scientifique de première générale — annexe, texte en vigueur (BO n° 25 du 22 juin 2023, mathématiques intégrées) (Ministère de l’Éducation nationale — Bulletin officiel)

Le bilan radiatif de la Terre : albédo, absorption et réémission infrarouge#

~7 min de lectureApprofondissementeduscol-programme-enseignement-scientifique

Bilan radiatif de la Terre : partage du flux solaire et équilibre

Fig. 3Le flux solaire moyen reçu (≈ 340 W·m⁻²) se partage : l’albédo en renvoie ≈ 30 % (≈ 102 W·m⁻²) sans chauffer la surface, et ≈ 70 % (≈ 238 W·m⁻²) sont absorbés. À l’équilibre, ce flux absorbé est exactement compensé par la réémission infrarouge vers l’espace (≈ 238 W·m⁻²), ce qui fixe la température moyenne de surface.

Puissance reçue : la Terre intercepte le rayonnement solaire sur un DISQUE de rayon R (section apparente) : puissance interceptée = constante solaire × π·R². La constante solaire vaut C_s ≈ 1360 W·m⁻² au sommet de l’atmosphère. Rapportée à la surface réelle de la sphère (4π·R²), la puissance moyenne reçue par unité de surface vaut C_s/4 ≈ 340 W·m⁻² : un facteur 4 entre le disque intercepté et la sphère éclairée en moyenne (jour/nuit, sphéricité).

Albédo : une fraction du rayonnement incident est RÉFLÉCHIE vers l’espace sans être absorbée (nuages, neige, glace, surfaces claires). L’albédo A est cette fraction réfléchie ; pour la Terre, A ≈ 0,3 (30 %). La puissance effectivement absorbée par unité de surface est donc (1 − A)·C_s/4 ≈ 0,7 × 340 ≈ 238 W·m⁻².

Réémission infrarouge : à l’équilibre thermique, la Terre RÉÉMET vers l’espace autant d’énergie qu’elle en absorbe, mais sous forme de rayonnement INFRAROUGE (car sa température, ≈ 288 K, la place dans l’IR d’après la loi de Wien). L’équilibre « puissance absorbée = puissance réémise » fixe la température moyenne de surface.

Température d’équilibre du « corps Terre » (approfondissement — hors capacité, loi de Stefan-Boltzmann NON exigible au programme) : en modélisant la Terre comme un corps noir réémetteur, l’équilibre (1 − A)·C_s/4 = σ·T⁴ donne T ≈ 255 K ≈ −18 °C en l’ABSENCE d’atmosphère. Or la température réelle est ≈ 288 K ≈ +15 °C : l’écart de ≈ +33 °C est dû à l’EFFET DE SERRE (section suivante). Au niveau attendu, on retient seulement l’IDÉE que l’équilibre des flux fixe une température bien plus froide sans atmosphère ; le calcul par σ·T⁴ n’est donné qu’en complément.

Rappel de première — un bilan est un équilibre de flux (en W ou W·m⁻²), pas d’énergie : à l’équilibre les flux entrant et sortant s’égalisent. Si le flux entrant augmente (ou le sortant diminue), la planète se réchauffe jusqu’à rétablir l’égalité à une température plus élevée.

Le facteur 4 mérite d'être compris plutôt que mémorisé. La Terre INTERCEPTE le rayonnement solaire comme un disque, de surface πR² : c'est son ombre portée qui fixe ce que la planète capte. Mais elle RÉÉMET par toute sa surface sphérique, 4πR². Le rapport des deux surfaces vaut exactement 4, et c'est pourquoi une constante solaire de 1 360 W·m⁻² devient un apport moyen de 340 W·m⁻² une fois répartie sur le globe et sur le cycle jour/nuit.

L'albédo n'est pas une constante de la nature : il dépend de l'état de la surface et de la couverture nuageuse. Une surface enneigée renvoie 80 à 90 % du rayonnement, l'océan seulement 5 à 10 %, une forêt environ 15 %. Remplacer de la glace par de l'océan abaisse donc l'albédo local et augmente l'énergie absorbée — c'est le mécanisme exact de la rétroaction glace-albédo que le thème climat de terminale exploitera.

Un bilan radiatif se raisonne comme une balance de FLUX, en watts par mètre carré, jamais comme un stock d'énergie. Tant que l'entrant égale le sortant, la température est stable. Si le sortant devient inférieur à l'entrant — par exemple parce que des gaz absorbent davantage l'infrarouge —, la planète accumule de l'énergie et se réchauffe jusqu'à ce que l'émission augmente assez pour rétablir l'égalité. Le réchauffement est le mécanisme qui restaure l'équilibre, pas sa rupture.

Vocabulaire

→ Cartes

constante solaireÉclairement solaire au sommet de l'atmosphère sur une surface perpendiculaire aux rayons, environ 1 360 W·m⁻².
albédoFraction du rayonnement incident réfléchie par une surface, sans unité, entre 0 et 1 ; environ 0,3 pour la Terre entière.
bilan radiatifComparaison des flux d'énergie rayonnée reçus et émis par un système, exprimés en W·m⁻².
équilibre radiatifÉtat dans lequel le flux émis égale le flux absorbé ; il fixe la température moyenne de surface.
flux surfaciquePuissance rayonnée par unité de surface, en W·m⁻² ; c'est la grandeur d'un bilan radiatif, jamais une énergie.

Puissance solaire moyenne reçue par m²

\dfrac{C_s}{4} \approx \dfrac{1360}{4} \approx 340\ \text{W}\cdot\text{m}^{-2}

La constante solaire C_s ≈ 1360 W·m⁻² est divisée par 4 car la section interceptée (disque π R²) vaut le quart de la surface de la sphère (4π R²).

Puissance absorbée par m²

P_{\text{abs}} = (1-A)\,\dfrac{C_s}{4} \approx 0{,}7\times 340 \approx 238\ \text{W}\cdot\text{m}^{-2}

La fraction (1 − A) du flux moyen est absorbée ; le reste (A·C_s/4) est réfléchi vers l’espace par l’albédo.

Température d’équilibre sans atmosphère

(1-A)\,\dfrac{C_s}{4} = \sigma\,T^{4} \;\Rightarrow\; T \approx 255\ \text{K} \approx -18\,^{\circ}\text{C}

À l’équilibre, le flux absorbé égale le flux réémis (loi de Stefan-Boltzmann, σ ≈ 5,67 × 10⁻⁸ W·m⁻²·K⁻⁴). On obtient ≈ −18 °C, bien plus froid que la réalité : l’effet de serre comble l’écart.

Température d’équilibre en fonction de l’albédo

Fig. 4Modèle de corps noir : T = (((1−A)·C_s/4)/σ)^{1/4}. Plus l’albédo est grand (surfaces réfléchissantes), plus la planète absorbe peu et plus elle est froide. Le point A = 0,3 donne ≈ 255 K.

Exemple corrigé

Bilan radiatif et effet d’une variation d’albédo

On modélise la Terre comme un corps recevant en moyenne C_s/4 ≈ 340 W·m⁻², d’albédo A = 0,3. (a) Calculer la puissance absorbée et la puissance réfléchie par mètre carré. (b) La banquise s’étend et l’albédo passe à A = 0,4 : calculer la nouvelle puissance absorbée. (c) Préciser, sans nouveau calcul de température, le sens d’évolution de la température moyenne et nommer la rétroaction en jeu.

Puissance absorbée (A = 0,3)
La fraction absorbée est (1 − A) du flux moyen reçu.
Puissance réfléchie (A = 0,3)
Le complément, fraction A du flux, repart vers l’espace.
Nouvelle puissance absorbée (A = 0,4)
On refait le calcul avec un albédo plus grand : moins d’énergie est absorbée.
Conséquence et rétroaction
L’énergie absorbée chute de 238 à 204 W·m⁻² : à l’équilibre, le flux réémis (donc la température) DIMINUE. Une banquise plus étendue augmente l’albédo, refroidit, ce qui étend encore la banquise : rétroaction positive amplificatrice (rétroaction de l’albédo).

Résultat : (a) Absorbée 238 W·m⁻², réfléchie 102 W·m⁻² (total 340). (b) À A = 0,4, absorbée 204 W·m⁻². (c) La température moyenne baisse ; c’est la rétroaction positive de l’albédo, qui amplifie le refroidissement.

Erreurs fréquentes

Oublier le facteur 4 et utiliser 1 360 W·m⁻² comme apport moyen au sol : cette valeur est l'éclairement au sommet de l'atmosphère sur une surface perpendiculaire aux rayons, pas la moyenne planétaire, qui vaut environ 340 W·m⁻².
Multiplier par l'albédo au lieu de multiplier par (1 − A) : A est la fraction RÉFLÉCHIE, donc la fraction absorbée vaut (1 − A). Avec A = 0,3, on absorbe 70 %, pas 30 %.
Traiter l'albédo comme une constante universelle : il vaut environ 0,9 pour la neige fraîche et 0,06 pour l'océan. C'est justement sa variabilité qui produit une rétroaction climatique.
Raisonner en énergie et non en puissance : un bilan radiatif compare des flux (W·m⁻²). Écrire « la Terre reçoit 340 J » n'a pas de sens sans durée.
Présenter la température de −18 °C comme la température réelle de la Terre : c'est la température d'équilibre calculée SANS effet de serre. La température réelle est d'environ +15 °C.

Révision active

On modélise la Terre par un corps recevant en moyenne C_s/4 ≈ 340 W·m⁻². Pour un albédo A = 0,3, calculer la puissance absorbée par mètre carré, puis la puissance réfléchie. Estimer comment varierait la puissance absorbée si l’albédo passait à 0,4 (effet d’une extension de la banquise) et conclure sur le sens d’évolution de la température.

S’entraîner sur des exercices associés50 questions sur ce thème

Rappel actif

Rappelle-toi les points clés — puis révèle.

Latitude, incidence des rayons et inégale répartition de l’énergie#

~6 min de lectureStandardeduscol-programme-enseignement-scientifique

Étalement d’un faisceau solaire selon l’angle d’incidence

Fig. 5À puissance égale, un faisceau oblique s’étale sur une plus grande surface : l’éclairement (W·m⁻²) y est plus faible. À gauche, des rayons perpendiculaires (i = 0) éclairent une petite surface S ; à droite, des rayons obliques éclairent une surface S′ = S/cos i plus étendue. C’est pourquoi les hautes latitudes, atteintes par des rayons obliques, reçoivent moins d’énergie par m².

Le problème : un même faisceau solaire transporte la même puissance, mais selon l’angle sous lequel il frappe le sol, cette puissance est répartie sur une surface plus ou moins grande. C’est la PUISSANCE REÇUE PAR UNITÉ DE SURFACE (l’éclairement, en W·m⁻²) qui détermine l’échauffement, pas la puissance totale du faisceau.

Effet de l’incidence : si les rayons arrivent perpendiculairement au sol (Soleil au zénith), le faisceau est concentré → éclairement maximal. S’ils arrivent obliquement, le faisceau s’étale sur une surface plus grande → éclairement plus faible. Quantitativement, l’éclairement reçu est proportionnel à cos i, où i est l’angle entre les rayons et la VERTICALE du lieu.

Rôle de la latitude : à l’équateur, les rayons de midi sont quasi verticaux (i petit, cos i ≈ 1) → fort éclairement. Aux pôles, ils arrivent très obliquement (i grand, cos i petit) → faible éclairement, étalé sur une grande surface. La puissance solaire reçue par m² DÉCROÎT donc des basses vers les hautes latitudes.

Conséquences climatiques et saisons : cette inégale répartition explique les ZONES CLIMATIQUES (chaud à l’équateur, froid aux pôles) ; au cours de l’année, l’inclinaison de l’axe de rotation de la Terre fait varier l’angle d’incidence en un lieu donné, ce qui engendre les SAISONS (été = rayons plus directs, hiver = rayons plus obliques).

Rappel de première — il ne faut pas confondre distance Terre-Soleil et incidence : à l’échelle d’une année, ce sont l’inclinaison de l’axe et l’angle d’incidence qui pilotent les saisons, pas les très faibles variations de distance au Soleil.

Le facteur cos i se construit géométriquement et il vaut mieux savoir le RETROUVER que le retenir. Un faisceau de section S arrivant sous un angle i par rapport à la verticale éclaire au sol une surface S / cos i, plus grande que S. La même puissance étalée sur une surface plus grande donne un éclairement plus faible, dans le rapport cos i exactement. À l'équateur, à midi à l'équinoxe, i ≈ 0 et cos i ≈ 1 ; à 60° de latitude, cos 60° = 0,5, l'éclairement est deux fois plus faible.

Deux effets s'additionnent d'ailleurs aux hautes latitudes, et il faut savoir les nommer séparément : l'étalement du faisceau (le facteur cos i), et l'épaisseur d'atmosphère traversée, plus grande sous incidence rasante, donc l'absorption et la diffusion plus importantes. Le premier suffit au niveau attendu, le second explique pourquoi l'écart réel est encore plus marqué.

Les saisons sont l'application la plus souvent mal expliquée du programme. L'axe de rotation de la Terre est incliné d'environ 23,5° sur la perpendiculaire au plan de son orbite, et cette inclinaison garde une direction fixe au cours de l'année. Un même lieu voit donc l'angle d'incidence de midi varier au fil des mois, ainsi que la durée du jour ; les deux se conjuguent pour faire varier l'énergie reçue quotidiennement. La distance Terre-Soleil, elle, ne varie que de 3 % environ sur l'année — et la Terre est au plus PRÈS du Soleil début janvier, en plein hiver de l'hémisphère nord, ce qui suffit à écarter l'explication par la distance.

Vocabulaire

→ Cartes

éclairementPuissance rayonnée reçue par unité de surface, en W·m⁻² ; c'est lui qui commande l'échauffement du sol.
angle d’incidenceAngle entre les rayons solaires et la verticale du lieu ; l'éclairement au sol varie comme son cosinus.
latitudeAngle repérant un lieu du globe entre l'équateur (0°) et un pôle (90°) ; elle commande l'incidence moyenne.
inclinaison de l’axeAngle d'environ 23,5° entre l'axe de rotation terrestre et la perpendiculaire au plan de l'orbite ; il est la cause des saisons.
zone climatiqueBande latitudinale caractérisée par un régime d'éclairement, donc de température, comparable.

Éclairement d’un sol horizontal

E_{\text{sol}} = E_0\,\cos i

E₀ est l’éclairement mesuré perpendiculairement au faisceau et i l’angle entre les rayons et la verticale du lieu. Plus i est grand (rayons obliques, hautes latitudes ou hiver), plus cos i — donc l’éclairement reçu — est faible.

Éclairement reçu en fonction de l’angle d’incidence

Fig. 6E_sol = E₀·cos i pour E₀ = 1000 W·m⁻². À 0° l’éclairement vaut 1000 W·m⁻², à 60° il n’en reste que la moitié (500), à 90° (rayons rasants) il s’annule.

Exemple corrigé

Éclairement d’un sol horizontal selon l’angle d’incidence

Un faisceau solaire transporte un éclairement E₀ = 1000 W·m⁻² mesuré perpendiculairement à sa direction. (a) Calculer l’éclairement reçu par un sol horizontal quand les rayons font un angle i = 30° avec la verticale. (b) Même question pour i = 60°. (c) Conclure sur la variation avec la latitude.

Loi à utiliser
L’éclairement reçu par le sol horizontal est E_sol = E₀·cos i, où i est l’angle des rayons avec la verticale du lieu.
Cas i = 30°
On calcule cos 30° ≈ 0,87 puis on multiplie par E₀.
Cas i = 60°
On calcule cos 60° = 0,50 puis on multiplie par E₀.
Interprétation latitude
Plus on s’éloigne de l’équateur, plus l’angle d’incidence de midi est grand, plus cos i est petit, plus l’éclairement reçu par m² est faible : les pôles reçoivent beaucoup moins d’énergie que l’équateur.

Résultat : (a) ≈ 870 W·m⁻² à 30°. (b) 500 W·m⁻² à 60° (la moitié). L’éclairement décroît avec l’angle d’incidence, donc des basses vers les hautes latitudes : c’est l’origine des zones climatiques.

Erreurs fréquentes

Expliquer les saisons par la variation de la distance Terre-Soleil : la Terre est au plus près du Soleil début janvier, alors que l'hémisphère nord est en hiver. L'explication correcte est l'inclinaison de l'axe.
Utiliser l'angle entre les rayons et le SOL au lieu de l'angle avec la VERTICALE : la relation est E = E₀ · cos i avec i mesuré depuis la verticale. Avec l'angle rasant, il faudrait un sinus.
Croire qu'un faisceau oblique transporte moins d'énergie : il transporte la même puissance, mais l'étale sur une surface plus grande. C'est l'éclairement qui diminue, pas la puissance du faisceau.
Oublier que les deux hémisphères ont des saisons opposées : c'est une conséquence directe de l'inclinaison de l'axe, et un bon test de la validité de son explication.
Confondre latitude et longitude : la latitude (0° à l'équateur, 90° aux pôles) commande l'incidence et donc le climat ; la longitude ne commande que l'heure locale.

Révision active

Un faisceau solaire transporte un éclairement de 1000 W·m⁻² mesuré perpendiculairement à sa direction. Calculer l’éclairement reçu par un sol horizontal lorsque les rayons font un angle de 30° avec la verticale, puis lorsqu’ils font un angle de 60°. Commenter le rôle de la latitude.

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Rappel actif

Rappelle-toi les points clés — puis révèle.

L’effet de serre atmosphérique#

~6 min de lectureStandardeduscol-programme-enseignement-scientifique

Mécanisme de l’effet de serre

Fig. 7Le rayonnement solaire visible traverse l’atmosphère et chauffe le sol ; celui-ci réémet dans l’infrarouge. Les gaz à effet de serre (CO₂, H₂O, CH₄) absorbent une partie de cet IR et le réémettent dans toutes les directions, dont vers le bas (flèche en évidence). Ce piège sélectif élève la température moyenne de surface d’environ 33 °C (≈ −18 °C sans atmosphère, ≈ +15 °C avec).

Le mécanisme : l’atmosphère est largement TRANSPARENTE au rayonnement solaire visible, qui atteint le sol et le chauffe. Le sol, à ≈ 288 K, réémet vers le haut un rayonnement INFRAROUGE. Certains gaz atmosphériques (gaz à effet de serre) ABSORBENT ce rayonnement infrarouge, puis en réémettent une partie vers le sol : cet apport supplémentaire élève la température de surface.

Le rôle clé de la loi de Wien : c’est parce que le Soleil rayonne dans le VISIBLE (peu absorbé par les GES) et la Terre dans l’INFRAROUGE (fortement absorbé par les GES) que l’atmosphère agit comme un piège thermique sélectif. Sans ce décalage spectral, l’effet de serre n’existerait pas.

Les principaux gaz à effet de serre : la vapeur d’eau (H₂O), le dioxyde de carbone (CO₂) et le méthane (CH₄) sont de bons absorbeurs de l’infrarouge ; le diazote (N₂) et le dioxygène (O₂), pourtant majoritaires, n’absorbent quasiment pas l’IR et ne contribuent pas à l’effet de serre.

Bilan chiffré : sans atmosphère, le bilan radiatif imposerait une température moyenne ≈ −18 °C. La température réelle est ≈ +15 °C : l’effet de serre NATUREL apporte ≈ +33 °C et rend la Terre habitable. L’augmentation des GES d’origine humaine renforce cet effet (effet de serre additionnel) et déséquilibre le bilan radiatif → réchauffement (lien direct avec le thème climat de terminale).

Rappel de première — l’effet de serre naturel est INDISPENSABLE à la vie ; ce qui pose problème, c’est son RENFORCEMENT par les émissions humaines de CO₂ et de CH₄, pas son existence. Ne pas présenter l’effet de serre comme « néfaste » en soi.

La raison pour laquelle certains gaz absorbent l'infrarouge et d'autres non n'est pas arbitraire, et le programme de terminale la reprendra : un gaz n'absorbe le rayonnement infrarouge que si sa molécule peut vibrer en modifiant sa répartition de charges. Les molécules à trois atomes ou plus — H₂O, CO₂, CH₄, N₂O, O₃ — le peuvent. Les molécules diatomiques symétriques N₂ et O₂ ne le peuvent pas, et c'est pourquoi les deux gaz qui composent 99 % de l'atmosphère n'ont pratiquement aucun effet de serre.

L'expression « piège à chaleur » ou « couverture » est une image commode et fausse. Une serre de jardin fonctionne en empêchant l'air chaud de s'échapper, c'est-à-dire en bloquant la CONVECTION. L'effet de serre atmosphérique, lui, est purement radiatif : il modifie l'altitude à laquelle le rayonnement infrarouge s'échappe vers l'espace, et donc la température nécessaire à l'équilibre. Une réponse qui parle de chaleur « emprisonnée » sans mentionner le rayonnement infrarouge ne décrit pas le mécanisme.

L'ordre de grandeur à retenir est l'écart, pas les valeurs isolées : environ +33 °C entre la température d'équilibre sans atmosphère (≈ −18 °C) et la température moyenne réelle (≈ +15 °C). Sans effet de serre naturel, l'eau liquide serait rare à la surface du globe et la vie telle que nous la connaissons n'aurait pas pu s'y développer.

Il faut donc distinguer soigneusement deux choses que le débat public confond : l'effet de serre NATUREL, indispensable et ancien, et l'effet de serre ADDITIONNEL, provoqué depuis l'ère industrielle par l'augmentation de la concentration des gaz à effet de serre. Ce qui pose problème n'est pas l'existence du phénomène mais l'ampleur et la RAPIDITÉ de son renforcement.

Vocabulaire

→ Cartes

gaz à effet de serreGaz capable d'absorber le rayonnement infrarouge terrestre : H₂O, CO₂, CH₄, N₂O, O₃.
effet de serre naturelRéchauffement d'environ 33 °C dû à l'atmosphère préindustrielle ; il rend la Terre habitable.
effet de serre additionnelRenforcement de l'effet de serre dû à l'augmentation des gaz à effet de serre d'origine humaine.
rayonnement infrarougeRayonnement électromagnétique de grande longueur d'onde émis par la surface terrestre à environ 288 K.
décalage spectralÉcart entre le domaine d'émission du Soleil (visible) et celui de la Terre (infrarouge) ; c'est la condition de l'effet de serre.

Contribution de l’effet de serre naturel

\Delta T_{\text{serre}} = T_{\text{réelle}} - T_{\text{équilibre}} \approx 15 - (-18) \approx 33\,^{\circ}\text{C}

Écart entre la température moyenne réelle de surface (≈ +15 °C) et la température d’équilibre d’un corps noir sans atmosphère (≈ −18 °C). Cet apport de ≈ +33 °C rend la Terre habitable.

Exemple corrigé

Estimer la contribution de l’effet de serre naturel

Le bilan radiatif d’une Terre sans atmosphère conduit à une température moyenne d’équilibre T_eq ≈ 255 K. La température moyenne réelle de surface est T_réelle ≈ 288 K. (a) Convertir ces températures en degrés Celsius. (b) Calculer l’élévation de température due à l’effet de serre naturel. (c) Expliquer en une phrase, à l’aide de la loi de Wien, pourquoi cet effet existe.

Conversions en °C
On utilise θ(°C) = T(K) − 273.
Élévation due à l’effet de serre
C’est la différence entre température réelle et température d’équilibre sans atmosphère.
Pourquoi cet effet existe
D’après la loi de Wien, le Soleil (chaud) émet dans le visible — peu absorbé par les GES, qui le laissent passer — tandis que la Terre (froide) émet dans l’infrarouge, fortement absorbé puis réémis vers le sol par les GES. Ce piège sélectif réchauffe la surface.

Résultat : (a) −18 °C et +15 °C. (b) L’effet de serre naturel apporte ≈ +33 °C. (c) Le décalage spectral (loi de Wien) rend l’atmosphère transparente au visible solaire mais absorbante pour l’IR terrestre, d’où le piégeage thermique.

Objectif Bac

Décrire le mécanisme complet en trois temps : transparence de l'atmosphère au visible, réémission infrarouge par le sol, absorption puis réémission partielle vers le bas par les gaz à effet de serre.
Justifier par la loi de Wien que le décalage spectral entre rayonnement reçu (visible) et rayonnement réémis (infrarouge) est la condition d'existence de l'effet de serre.
Expliquer pourquoi N₂ et O₂, pourtant majoritaires, ne sont pas des gaz à effet de serre, en invoquant leur incapacité à absorber l'infrarouge.
Estimer la contribution de l'effet de serre naturel par la différence entre température réelle et température d'équilibre calculée sans atmosphère.
Distinguer explicitement effet de serre naturel et effet de serre additionnel d'origine humaine, et dire lequel des deux constitue le problème climatique.

Erreurs fréquentes

Présenter l'effet de serre comme néfaste en soi : l'effet de serre naturel apporte environ +33 °C et rend la planète habitable. C'est son RENFORCEMENT récent qui pose problème.
Écrire que les gaz à effet de serre « renvoient la chaleur » ou « emprisonnent l'air chaud » : ils ABSORBENT le rayonnement infrarouge puis en réémettent une partie vers le bas. Le mécanisme est radiatif, pas convectif.
Citer N₂ ou O₂ parmi les gaz à effet de serre parce qu'ils sont majoritaires : l'abondance ne suffit pas, il faut absorber l'infrarouge, ce que ces molécules diatomiques symétriques ne font pas.
Confondre effet de serre et trou de la couche d'ozone : ce sont deux phénomènes distincts, l'un concerne l'infrarouge et la température, l'autre l'ultraviolet et la protection du vivant.
Oublier que la vapeur d'eau est le premier gaz à effet de serre en contribution : le CO₂ est le principal moteur du renforcement récent, mais il n'est pas le contributeur le plus important en valeur absolue.

Révision active

À l’aide d’un schéma, expliquer pourquoi le rayonnement solaire traverse l’atmosphère mais le rayonnement émis par le sol est en partie piégé. Justifier, par la loi de Wien, le caractère sélectif de ce piège, et estimer l’élévation de température due à l’effet de serre naturel à partir des températures −18 °C et +15 °C.

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Rappel actif

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Le rayonnement solaire, source d’énergie pour le vivant : photosynthèse et bilan thermique du corps humain#

~7 min de lectureStandardeduscol-programme-enseignement-scientifique

Diagramme énergétique de la photosynthèse

Fig. 8La photosynthèse convertit l’énergie lumineuse en énergie chimique avec un rendement faible (de l’ordre de 1 % à l’échelle d’un couvert) ; l’essentiel de l’énergie reçue n’est pas stocké mais perdu (réflexion, transmission, chaleur). La fraction réellement stockée est mise en évidence.

La photosynthèse, conversion d’énergie : dans les chloroplastes des cellules végétales, la chlorophylle capte l’énergie LUMINEUSE du Soleil et la convertit en énergie CHIMIQUE stockée dans la matière organique (glucose). Bilan global : 6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂. C’est l’entrée d’énergie solaire à la base de presque toutes les chaînes alimentaires.

Spectres d’absorption et d’action : la chlorophylle absorbe surtout dans le bleu et le rouge et peu dans le vert (d’où la couleur verte des feuilles). La superposition du SPECTRE D’ABSORPTION des pigments et du SPECTRE D’ACTION (efficacité photosynthétique selon la longueur d’onde) montre que la photosynthèse est la plus efficace là où la lumière est le plus absorbée — capacité attendue : comparer ces deux spectres pour un végétal.

Rendement de la photosynthèse : seule une faible part de l’énergie solaire incidente est convertie en énergie chimique utilisable. Le programme officiel retient deux ordres de grandeur à ne pas confondre : à l’ÉCHELLE DE LA PLANÈTE, les organismes chlorophylliens n’utilisent qu’environ 0,1 % de la puissance solaire totale reçue ; à l’échelle d’un couvert végétal bien éclairé, le rendement de conversion atteint au plus l’ordre de 1 %. Dans tous les cas, le rendement énergétique (rapport de l’énergie chimique stockée à l’énergie lumineuse reçue) est TRÈS FAIBLE, ce qui contraint la productivité du vivant.

Du vivant aux combustibles fossiles : la photosynthèse fait entrer dans la biosphère de la matière organique qui stocke de l’énergie d’origine solaire. Une partie de cette matière organique s’accumule dans les sédiments et, sur des temps géologiques, se transforme en COMBUSTIBLES FOSSILES (charbon, pétrole, gaz). Brûler ces combustibles revient donc à libérer de l’énergie solaire captée il y a des millions d’années — lien direct avec le thème « Le futur des énergies » de terminale.

Le corps humain, un système qui échange de l’énergie : l’organisme PRODUIT de l’énergie par le métabolisme (oxydation des nutriments, ≈ 100 W au repos en moyenne) et en PERD vers le milieu par rayonnement, convection, conduction et évaporation (transpiration). Le maintien d’une température corporelle stable (≈ 37 °C) traduit l’ÉQUILIBRE entre apports/production et pertes.

Bilan d’énergie du corps : à température constante, énergie produite par le métabolisme = énergie perdue vers l’environnement. Si la production excède les pertes, la température monte (effort, fièvre) ; si les pertes excèdent la production, elle baisse (hypothermie). Les besoins quotidiens moyens d’un adulte sont de l’ordre de 8000 à 10000 kJ par jour.

Rappel de première — chaîne énergétique : l’énergie traverse une suite de conversions (lumineuse → chimique par la photosynthèse → mécanique/thermique chez les êtres vivants). À chaque conversion, une partie est dégradée en énergie thermique : aucun rendement n’est de 100 %.

Vocabulaire

→ Cartes

photosynthèseConversion, dans les chloroplastes, de l'énergie lumineuse en énergie chimique stockée dans la matière organique.
spectre d’actionCourbe donnant l'efficacité de la photosynthèse en fonction de la longueur d'onde de la lumière reçue.
rendement de conversionRapport de l'énergie utile obtenue à l'énergie reçue, sans unité, toujours inférieur à 1.
métabolismeEnsemble des réactions par lesquelles l'organisme libère de l'énergie à partir des nutriments ; environ 100 W au repos.
chaîne énergétiqueSuite des conversions successives d'une forme d'énergie en une autre, chacune dégradant une partie en énergie thermique.

Bilan global de la photosynthèse

6\,\text{CO}_2 + 6\,\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\;\text{lumière}\;} \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\,\text{O}_2

L’énergie lumineuse captée par la chlorophylle permet de convertir dioxyde de carbone et eau en glucose (matière organique) et dioxygène : conversion d’énergie lumineuse en énergie chimique.

Rendement de conversion

\eta = \dfrac{E_{\text{chimique stockée}}}{E_{\text{lumineuse reçue}}}

Rapport (sans unité, souvent exprimé en %) de l’énergie chimique stockée dans la matière organique à l’énergie lumineuse reçue. Pour la photosynthèse à l’échelle d’un couvert, η est de l’ordre de 1 %.

Bilan thermique du corps humain à l’équilibre

P_{\text{métabolisme}} = P_{\text{pertes}} \quad (\text{température corporelle constante})

À température corporelle stable, la puissance produite par le métabolisme (≈ 100 W au repos) égale la puissance perdue vers l’environnement (rayonnement, convection, conduction, évaporation).

Bilan thermique du corps humain

Fig. 9À température corporelle constante (≈ 37 °C), la production métabolique (≈ 100 W au repos) compense exactement les pertes vers le milieu par rayonnement, convection, conduction et évaporation. C’est un bilan d’énergie à l’équilibre, analogue au bilan radiatif de la Terre.

Exemple corrigé

Rendement énergétique de la photosynthèse d’une parcelle

Une parcelle reçoit en moyenne une énergie solaire E_reçue = 4,0 × 10⁶ kJ·m⁻²·an⁻¹ et y produit une biomasse stockant E_stockée = 4,0 × 10⁴ kJ·m⁻²·an⁻¹. (a) Calculer le rendement énergétique de la photosynthèse. (b) L’exprimer en pourcentage. (c) Commenter sa valeur.

Définition du rendement
Le rendement est le rapport de l’énergie chimique stockée à l’énergie lumineuse reçue ; les unités (kJ·m⁻²·an⁻¹) se simplifient, η est sans unité.
Application numérique
On divise les deux énergies (mêmes unités).
Conversion en pourcentage
On multiplie par 100 pour exprimer le rendement en pourcentage.
Commentaire
Un rendement de ≈ 1 % est FAIBLE : l’essentiel de l’énergie solaire reçue n’est pas stocké par les plantes (réflexion, transmission, pertes thermiques, longueurs d’onde non utilisées). Cela contraint fortement la productivité primaire des écosystèmes et, en aval, toutes les chaînes alimentaires.

Résultat : η = 1,0 × 10⁻² = 1,0 %. Le rendement énergétique de la photosynthèse est très faible, de l’ordre de 1 %, ce qui limite l’énergie disponible pour le vivant.

Explication pas à pas5 étapes

1
Tout commence par la lumière du Soleil : un rayonnement issu de la fusion de l’hydrogène, dont le maximum d’émission, d’après la loi de Wien, tombe dans le visible.
2
Cette lumière atteint une feuille. La chlorophylle en capte une faible part et la convertit en énergie chimique : c’est la photosynthèse.
3
Le rendement est très faible : à l’échelle de la planète, les organismes chlorophylliens n’utilisent qu’environ 0,1 % de la puissance solaire reçue. La quasi-totalité de l’énergie reçue n’est pas stockée, ce qui limite l’énergie disponible pour tout le vivant.
4
Chez l’être humain, cette énergie chimique des aliments alimente le métabolisme, qui produit en moyenne une centaine de watts au repos.
5
À température corporelle constante, cette production équilibre exactement les pertes vers le milieu : c’est le bilan thermique du corps, dernier maillon de la chaîne énergétique partie du Soleil.

Erreurs fréquentes

Écrire que les plantes « n'absorbent pas le vert » sans en tirer la conclusion : c'est précisément parce que le vert est peu absorbé, donc majoritairement réfléchi ou transmis, que les feuilles nous apparaissent vertes.
Confondre les deux ordres de grandeur du rendement : environ 0,1 % de la puissance solaire totale reçue par la planète à l'échelle globale, contre au plus 1 % pour un couvert végétal bien éclairé. Ce ne sont pas les mêmes populations.
Oublier que le corps humain PERD de l'énergie par quatre voies : rayonnement, convection, conduction et évaporation. Ne citer que la transpiration donne un bilan incomplet.
Écrire que la photosynthèse « produit de l'énergie » : elle CONVERTIT de l'énergie lumineuse en énergie chimique, avec un rendement très inférieur à 1.
Traiter les combustibles fossiles comme une source indépendante du Soleil : ils sont de la matière organique photosynthétisée, donc de l'énergie solaire différée de plusieurs dizaines de millions d'années.

Révision active

Une parcelle reçoit en moyenne une énergie solaire de 4,0 × 10⁶ kJ par mètre carré et par an, et y produit une biomasse stockant 4,0 × 10⁴ kJ par mètre carré et par an. Calculer le rendement énergétique de la photosynthèse pour cette parcelle et commenter sa valeur.

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Rappel actif

Rappelle-toi les points clés — puis révèle.

2.4 Une diversité de sources d'énergie utilisables par l'Humanité#

~7 min de lectureStandardeduscol-programme-enseignement-scientifique

Presque toute l'énergie dont dispose l'humanité vient du Soleil, mais elle n'en vient pas de la même manière ni à la même date. Ce sous-thème installe la distinction qui commande tout le thème « Le futur des énergies » de terminale : une source est-elle un FLUX qu'on prélève au fur et à mesure, ou un STOCK constitué autrefois ?

Trois familles se distinguent par leur origine (voir Fig. 10). Les sources issues du rayonnement solaire ACTUEL : le solaire lui-même, mais aussi l'éolien (les vents naissent de l'inégale répartition de l'énergie solaire, étudiée plus haut), l'hydraulique (le cycle de l'eau est mû par l'évaporation solaire) et la biomasse (produite par photosynthèse). Les sources issues du rayonnement solaire ANCIEN : les combustibles fossiles, matière organique photosynthétisée il y a plusieurs dizaines à plusieurs centaines de millions d'années puis enfouie. Et les sources NON solaires : l'uranium (nucléosynthèse stellaire), la géothermie (chaleur interne, en grande partie radioactive) et les marées (énergie du système Terre-Lune).

Origine des sources d'énergie : flux solaire actuel, stock solaire ancien, origine non solaire

Fig. 10Classement par ORIGINE et non par technologie. Les deux premières branches remontent au rayonnement solaire — la différence entre elles n'est pas la nature de l'énergie mais sa DATE de captation, ce qui est exactement le critère du caractère renouvelable. La troisième branche regroupe les seules sources qui ne doivent rien au Soleil.

Fig. 10 ↓

Le critère du renouvelable est quantitatif, et c'est le point que les copies escamotent. Une source est renouvelable lorsque sa durée de FORMATION est courte devant la durée prévisible de son ÉPUISEMENT par notre exploitation. Ce n'est donc pas une propriété intrinsèque de la matière, c'est une comparaison de deux durées. Le bois met quelques dizaines d'années à repousser et peut être exploité au même rythme : renouvelable. Le pétrole s'est formé en 10⁷ à 10⁸ ans et sera consommé en quelques siècles : le rapport des durées est de l'ordre de 10⁵ à 10⁶, donc non renouvelable à l'échelle humaine.

Il en découle une nuance à savoir formuler : la biomasse n'est renouvelable que si le prélèvement ne dépasse pas la repousse. Une forêt coupée plus vite qu'elle ne pousse est exploitée comme un stock, donc de façon non renouvelable. « Renouvelable » qualifie un régime d'exploitation autant qu'une ressource.

Les combustibles fossiles proviennent de la matière organique issue de la photosynthèse, c'est-à-dire d'une réduction du CO₂ atmosphérique de l'époque. Les brûler restitue en quelques décennies un carbone que la biosphère avait mis des dizaines de millions d'années à retirer de l'atmosphère : le déséquilibre climatique de terminale est d'abord ce déséquilibre de vitesses.

La biomasse s'utilise principalement de deux manières : par COMBUSTION directe (bois de chauffage, résidus agricoles), ou par FERMENTATION, qui produit du biogaz (méthane) ou du bioéthanol. Dans les deux cas, l'énergie libérée est celle que la photosynthèse avait stockée récemment.

Comparer des combustibles se fait par leur POUVOIR CALORIFIQUE, c'est-à-dire l'énergie libérée par unité de masse, en MJ·kg⁻¹ — une grandeur quotient. Les ordres de grandeur usuels : bois sec environ 15, charbon environ 30, pétrole environ 42, gaz naturel environ 50. Un raisonnement énergétique honnête compare toujours à masse égale ou à énergie égale, jamais des volumes bruts.

Attention enfin au vocabulaire courant, que le programme demande explicitement d'analyser de façon critique. « Énergie propre » n'a pas de définition scientifique : toute installation a une empreinte de fabrication. « Source d'énergie » et « énergie » ne sont pas synonymes — l'énergie ne se produit ni ne se consomme, elle se convertit et se dégrade ; on exploite des sources. Employer ces mots avec précision est une compétence évaluée, pas un raffinement.

Vocabulaire

→ Cartes

source renouvelableSource dont la durée de formation est courte devant la durée prévisible de son épuisement par l'exploitation.
stock / fluxUn stock est une réserve constituée autrefois et non reconstituée (fossiles, uranium) ; un flux est reçu en continu (solaire, éolien, marées).
biomasseMatière organique d'origine récente utilisable comme source d'énergie, par combustion ou par fermentation.
pouvoir calorifiqueÉnergie libérée par la combustion d'un kilogramme de combustible, en MJ·kg⁻¹ ; c'est une grandeur quotient.
fermentationTransformation biologique de la biomasse en biogaz (méthane) ou en bioéthanol, en l'absence de dioxygène.
énergie primaireÉnergie disponible dans la nature avant toute conversion (rayonnement, combustible brut, minerai).

Masse de combustible nécessaire

m = \dfrac{E}{PC \times \eta}

E est l'énergie utile visée en joules, PC le pouvoir calorifique du combustible en J·kg⁻¹, η le rendement de l'appareil (sans unité, entre 0 et 1) et m la masse en kilogrammes. Sans le rendement, on sous-estime systématiquement la masse réellement consommée.

Critère du caractère renouvelable

\text{renouvelable} \iff \dfrac{t_{\text{formation}}}{t_{\text{épuisement}}} \ll 1

t_formation est la durée nécessaire à la reconstitution de la ressource, t_épuisement la durée prévisible avant épuisement au rythme d'exploitation actuel. Les deux durées s'expriment dans la même unité, et c'est leur RAPPORT qui décide — d'où le fait qu'un même bois puisse être renouvelable ou non selon le rythme de coupe.

Exemple corrigé

Renouvelable ou non : trancher par le rapport des durées

Un gisement de pétrole met de 10⁷ à 10⁸ années à se former ; au rythme actuel de consommation, les réserves prouvées correspondent à une cinquantaine d'années. Former le rapport entre la durée de formation et la durée d'épuisement, en déduire si la ressource est renouvelable à l'échelle des temps humains, puis reprendre le même raisonnement pour une parcelle forestière qui se reconstitue en 30 à 100 ans, selon qu'elle est exploitée à hauteur ou au double de sa croissance annuelle.

Poser les deux durées pour le pétrole
La formation d'un gisement de pétrole demande de 10⁷ à 10⁸ années. Au rythme de consommation actuel, les réserves prouvées représentent de l'ordre de 50 ans, soit 5 × 10¹ années.
Former le rapport
On compare la durée de formation à la durée d'épuisement.
$\dfrac{10^{7}}{5 \times 10^{1}} = 2 \times 10^{5}$
Interpréter
Il faudrait deux cent mille fois plus de temps pour reconstituer la ressource que pour l'épuiser. Le rapport est très supérieur à 1 : la source est non renouvelable à l'échelle des temps humains.
Refaire le raisonnement pour le bois
Une parcelle forestière se reconstitue en 30 à 100 ans. Exploitée à hauteur de sa croissance annuelle, sa durée d'épuisement est infinie : le rapport tend vers 0, la source est renouvelable. Exploitée au double de sa croissance, elle s'épuise — et le même bois devient une ressource non renouvelable.

Résultat : Le caractère renouvelable n'est pas une étiquette attachée à une matière mais le résultat d'une comparaison entre deux durées, dont l'une dépend de nos choix d'exploitation.

Objectif Bac

Classer des sources d'énergie selon leur origine — rayonnement solaire actuel, rayonnement solaire ancien, origine non solaire — en justifiant le rattachement de l'éolien et de l'hydraulique au flux solaire.
Justifier qu'une source est renouvelable ou non en COMPARANT explicitement la durée de formation à la durée prévisible d'épuisement, et non en récitant un classement.
Comparer des pouvoirs calorifiques par unité de masse (MJ·kg⁻¹) et en déduire la masse de combustible nécessaire pour une énergie donnée.
Expliquer l'origine biologique des combustibles fossiles et relier leur combustion à la restitution rapide d'un carbone retiré lentement de l'atmosphère.
Analyser de façon critique un discours sur l'énergie : repérer les emplois flottants de « énergie propre », « énergie verte », « produire de l'énergie », et les reformuler correctement.

Erreurs fréquentes

Définir « renouvelable » comme « inépuisable » : le critère est la comparaison entre durée de formation et durée d'épuisement. Une biomasse surexploitée cesse d'être renouvelable, alors que la ressource elle-même n'a pas changé.
Oublier que l'éolien et l'hydraulique sont d'origine solaire : les vents et le cycle de l'eau sont mus par l'énergie solaire. Seules la géothermie, les marées et l'uranium ne le sont pas.
Écrire qu'on « produit de l'énergie » : l'énergie se convertit et se dégrade, elle ne se crée pas. On exploite une source pour convertir de l'énergie d'une forme en une autre.
Comparer des combustibles sans grandeur quotient — par exemple « une tonne de bois contre un litre de pétrole ». Il faut ramener à la même unité : l'énergie par kilogramme (MJ·kg⁻¹) ou par litre.
Croire que les combustibles fossiles sont d'origine minérale : ils viennent de matière organique produite par photosynthèse, donc d'énergie solaire ancienne — c'est ce qui explique qu'ils contiennent du carbone.

Révision active

Un ménage a besoin de 60 GJ de chaleur pour une saison de chauffage. Le pouvoir calorifique du bois sec vaut environ 15 MJ·kg⁻¹, celui du gaz naturel environ 50 MJ·kg⁻¹. (a) Calculer la masse de chaque combustible nécessaire, en supposant un rendement de 100 %. (b) Le rendement réel d'un poêle à bois est d'environ 70 % et celui d'une chaudière à gaz d'environ 90 % : reprendre le calcul. (c) Le bois est-il pour autant une source renouvelable dans tous les cas ? Justifier par le critère du programme.

S’entraîner sur des exercices associés50 questions sur ce thème

Rappel actif

Rappelle-toi les points clés — puis révèle.

Sources : Programme d'enseignement scientifique — classe de première, voie générale (annexe, BO n° 25 du 22 juin 2023), sous-thème 2.4 (Ministère de l'Éducation nationale et de la Jeunesse)

Vérifié · 06/2026Version complète via le réglage de profondeur — même endroit, mêmes ancres

Planifier une révision

Références et sources

Sources

Ministère de l’Éducation nationale — Bulletin officiel

Programme d’enseignement scientifique de première générale — annexe, texte en vigueur (BO n° 25 du 22 juin 2023, mathématiques intégrées)

Voir aussi

Le Soleil, notre source d’énergie

6 sections~43 min de lecture5 compétencesVérifié · 06/2026

Le Soleil, notre source d’énergie

Points clés

Température de surface du Soleil par la loi de Wien

Masse solaire transformée en énergie chaque seconde

Points clés

Bilan radiatif et effet d’une variation d’albédo

Points clés

Éclairement d’un sol horizontal selon l’angle d’incidence

Points clés

Estimer la contribution de l’effet de serre naturel

Points clés

Rendement énergétique de la photosynthèse d’une parcelle

Points clés

Renouvelable ou non : trancher par le rapport des durées

Sources

Le Soleil, notre source d’énergie

Points clés

Température de surface du Soleil par la loi de Wien

Masse solaire transformée en énergie chaque seconde

Points clés

Bilan radiatif et effet d’une variation d’albédo

Points clés

Éclairement d’un sol horizontal selon l’angle d’incidence

Points clés

Estimer la contribution de l’effet de serre naturel

Points clés

Rendement énergétique de la photosynthèse d’une parcelle

Points clés

Renouvelable ou non : trancher par le rapport des durées

Sources