Formes d’énergie
Transformations énergétiques et lois de la thermodynamique
Budgets énergétiques physiques
Budgets d’énergie fixe
Ressources
Un budget énergétique décrit la manière dont l’énergie est transformée d’un état à un autre au sein d’un système défini, y compris une analyse des entrées, des sorties et des changements dans les quantités stockées. Les budgets énergétiques écologiques se concentrent sur l’utilisation et les transformations de l’énergie dans la biosphère ou ses composants.
Le rayonnement électromagnétique solaire est le principal apport d’énergie à la Terre. Cette source d’énergie externe contribue à chauffer la planète, à évaporer l’eau, à faire circuler l’atmosphère et les océans et à soutenir les processus écologiques. En fin de compte, toute l’énergie solaire absorbée par la Terre est réémise dans l’espace, sous forme de rayonnement électromagnétique d’une longueur d’onde plus longue que ce qui était initialement absorbé. La Terre maintient un équilibre énergétique pratiquement parfait entre les entrées et les sorties d’énergie électromagnétique.
Les écosystèmes terrestres dépendent du rayonnement solaire en tant que source externe d’énergie diffuse qui peut être utilisée par les autotrophes photosynthétiques, tels que les plantes vertes, pour synthétiser des molécules organiques simples telles que les sucres à partir de molécules inorganiques telles que le dioxyde de carbone et l’eau. Les plantes utilisent l’énergie fixe de ces composés organiques simples, ainsi que des nutriments inorganiques, pour synthétiser une énorme diversité de produits biochimiques grâce à diverses réactions métaboliques. Les plantes utilisent ces produits biochimiques et l’énergie qu’ils contiennent pour accomplir leur croissance et leur reproduction. De plus, la bio-masse végétale est directement ou indirectement utilisée comme nourriture par les énormes nombres d’organismes hétérotrophes incapables de fixer leur propre énergie. Ces organismes comprennent les herbivores qui mangent des plantes, les carnivores qui mangent des animaux et les détritivores qui se nourrissent de biomasse morte.
Dans le monde, l’utilisation de l’énergie solaire à cette fin écologique est relativement faible, représentant beaucoup moins de 1% de la quantité reçue à la surface de la Terre. Bien qu’il s’agisse d’une partie quantitativement triviale du budget énergétique de la Terre, elle est clairement très importante qualitativement, car c’est l’énergie absorbée et biologiquement fixe qui subventionne tous les processus écologiques.
Formes d’énergie
L’énergie est définie comme la capacité, ou la capacité potentielle, d’un corps ou d’un système à effectuer un travail. L’énergie peut être mesurée en différentes unités, telles que la calorie, définie comme la quantité d’énergie nécessaire pour augmenter la température d’un gramme d’eau pure d’un degré Celsius. (Notez que la calorie du diététicien équivaut à un millier de ces calories, soit une kilocalorie.) Le Joule (J) est une autre unité d’énergie. Un joule est généralement défini comme la quantité de travail nécessaire pour soulever un poids de 1 kg sur 10 cm à la surface de la Terre. Il équivaut à 0,24 calories. De plus, une calorie (petite calorie) est égale à environ 4,184 J.
L’énergie peut exister dans divers états, qui sont tous interchangeables par diverses sortes de transformations physiques / chimiques. Les catégories de base de l’énergie sont: électromagnétique, cinétique et potentiel, mais chacun d’entre eux peut également exister dans divers états.
L’énergie électromagnétique est l’énergie des photons, ou quanta d’énergie qui ont des propriétés à la fois des particules et des ondes, et qui traversent le vide de l’espace à une vitesse constante d’environ 3× 108 mètres par seconde (c’est-à-dire à la vitesse de la lumière). Les composants de l’énergie électromagnétique sont caractérisés sur la base de plages de longueurs d’onde, qui, ordonnées des longueurs d’onde les plus courtes aux plus longues, sont appelées: gamma, rayons X, ultraviolets, lumière ou visible, infrarouge et radio. Tous les corps dont la température est supérieure au zéro absolu (c’est-à-dire -459 ° F, ou zéro degré sur l’échelle du Kelvin) émettent de l’énergie électromagnétique à une vitesse et à une qualité spectrale strictement déterminées par leur température de surface. Les corps relativement chauds ont des taux d’émission beaucoup plus élevés et leur rayonnement est dominé par des longueurs d’onde plus courtes, par rapport aux corps plus froids. Le soleil a une température de surface d’environ 6 093 °C (11 000 °F). La majeure partie de son rayonnement se situe dans la gamme de longueurs d’onde de la lumière visible (0,4 à 0,7 æm ou micromètres) et de l’infrarouge à ondes plus courtes (0,7 à 2.0 æm), alors que la température de surface de la Terre est d’environ 25 °C (77 °F) et que ses pics de rayonnement dans la gamme infrarouge à ondes plus longues sont d’environ 10 æm.
L’énergie cinétique est l’énergie du mouvement dynamique, dont il existe deux types de base, l’énergie des corps en mouvement et celle des atomes ou molécules vibrants. Le plus tard est également connu sous le nom d’énergie thermique, et plus la vibration est vigoureuse, plus la teneur en chaleur est élevée.
L’énergie potentielle a la capacité de faire du travail, mais elle doit être mobilisée pour le faire. L’énergie potentielle se présente sous diverses formes. L’énergie potentielle chimique est stockée dans les liaisons inter-atomiques des molécules. Cette énergie peut être libérée par des réactions dites exothermiques, qui ont une libération nette d’énergie. Par exemple, la chaleur est libérée lorsque le soufre chimiquement réduit des minéraux sulfurés est oxydé en sulfate et lorsque le chlorure de sodium cristallin est dissous dans de l’eau. Tous les produits biochimiques stockent également de l’énergie potentielle, équivalente à 4,6 kilocalories par gramme de glucides, 4,8 Kcal / g de protéines et 6,0 à 9,0 Kcal / g de matières grasses.
L’énergie potentielle gravitationnelle est stockée dans une masse élevée au-dessus d’une surface gravitationnellement attrayante, comme lorsque de l’eau se produit au-dessus de la surface des océans, ou tout objet se produit au-dessus de la surface du sol. À moins d’être obstruée, l’eau s’écoule spontanément vers le bas et les objets tombent vers le bas en réponse aux gradients d’énergie potentielle gravitationnelle. D’autres types d’énergie potentielle sont un peu moins importants en termes de budgets énergétiques écologiques, mais ils comprennent les énergies potentielles des gaz comprimés, les gradients de potentiel électrique associés aux différentiels de tension et l’énergie potentielle de la matière, qui peut être libérée par des réactions nucléaires.
Transformations énergétiques et lois de la thermodynamique
Comme indiqué précédemment, l’énergie peut être transformée entre ses différents états. L’énergie électromagnétique, par exemple, peut être absorbée par un objet sombre et convertie en énergie cinétique thermique. Cette action se traduit par une augmentation de la température du corps absorbant. Comme autre exemple, l’énergie potentielle gravitationnelle de l’eau haute sur un plateau peut être transformée en énergie cinétique de l’eau en mouvement et de la chaleur à une cascade, ou elle peut être mobilisée par les humains pour entraîner une turbine et générer de l’énergie électrique. Troisièmement, le rayonnement électromagnétique solaire peut être absorbé par la chlorophylle des plantes vertes, et une partie de l’énergie absorbée peut être convertie en énergie potentielle chimique des sucres et le reste converti en chaleur.
Toutes les transformations d’énergie doivent se produire selon certains principes physiques, connus sous le nom de lois de la thermodynamique. Ce sont des lois universelles; ce qui signifie qu’elles sont toujours vraies, quelles que soient les circonstances. La première loi stipule que l’énergie peut subir des transformations entre ses différents états, mais elle n’est jamais créée ni détruite — de sorte que le contenu énergétique de l’univers reste constant. Une conséquence de cette loi pour les budgets énergétiques est qu’il doit toujours y avoir un équilibre nul entre les entrées d’énergie dans un système, les sorties d’énergie et tout stockage net au sein du système.
La deuxième loi de la thermodynamique stipule que les transformations d’énergie ne peuvent se produire spontanément que dans des conditions où il y a une augmentation de l’entropie de l’univers. (L’entropie est liée au caractère aléatoire des distributions de la matière et de l’énergie). Par exemple, la Terre est continuellement irradiée par le rayonnement solaire, principalement des longueurs d’onde visibles et proches de l’infrarouge. Une partie de cette énergie est absorbée, ce qui chauffe la surface de la Terre. La planète se refroidit de différentes manières, mais cela se fait finalement en rayonnant son propre rayonnement électromagnétique dans l’espace, sous forme de rayonnement infrarouge à ondes plus longues. La transformation du rayonnement solaire à ondes relativement courtes en rayonnement à ondes plus longues émis par la Terre représente une dégradation de la qualité de l’énergie et une augmentation de l’entropie de l’univers.
Une proposition corollaire ou secondaire de la deuxième loi de la thermodynamique est que les transformations énergétiques ne peuvent jamais être complètement efficaces, car une partie de la teneur initiale en énergie doit être convertie en chaleur afin d’augmenter l’entropie. En fin de compte, c’est la raison pour laquelle pas plus d’environ 30% de la teneur en énergie de l’essence peut être convertie en énergie cinétique d’une automobile en mouvement. C’est aussi la raison pour laquelle pas plus d’environ 40% de l’énergie du charbon peut être transformée en électricité dans une centrale électrique moderne. De même, il existe des limites supérieures à l’efficacité avec laquelle les plantes vertes peuvent convertir photosynthétiquement le rayonnement visible en produits biochimiques, même dans les écosystèmes où les contraintes écologiques liées aux nutriments, à l’eau et à l’espace sont optimisées.
Fait intéressant, les plantes absorbent le rayonnement visible émis par le soleil et utilisent cette énergie relativement dispersée pour fixer des molécules inorganiques simples telles que le dioxyde de carbone, l’eau et d’autres nutriments dans des produits biochimiques très complexes et denses en énergie. Les organismes hétérotrophes utilisent ensuite les produits biochimiques de la biomasse végétale pour synthétiser leurs propres produits biochimiques complexes. Localement, ces différentes synthèses biologiques représentent des transformations énergétiques qui diminuent sensiblement l’entropie, plutôt que de l’augmenter. Cela se produit parce que l’énergie solaire relativement dispersée et les composés simples sont concentrés dans les produits biochimiques complexes des organismes vivants.
Les transformations biologiques n’obéissent-elles pas à la deuxième loi de la thermodynamique ? Ce paradoxe physique apparent de la vie peut être rationalisé avec succès, en utilisant la logique suivante: La bio-concentration localisée de l’entropie négative peut se produire car il y a un apport constant d’énergie dans le système, sous forme de rayonnement solaire. Si cette source externe d’énergie était terminée, alors toute l’entropie négative des organismes et de la matière organique serait assez rapidement dégradée spontanément, produisant de la chaleur et de simples molécules inorganiques, augmentant ainsi l’entropie de l’univers. C’est pourquoi la vie et les écosystèmes ne peuvent survivre sans apports continus d’énergie solaire. Par conséquent, la biosphère peut être considérée comme représentant une île localisée, dans l’espace et le temps, d’entropie négative, alimentée par une source d’énergie externe (solaire). Il existe des analogues physiques à ces circonstances écologiques — si de l’énergie externe est introduite dans le système, des molécules de gaz relativement dispersées peuvent être concentrées dans un récipient, comme cela se produit lorsqu’une personne souffle énergiquement pour remplir un ballon d’air. Finalement, cependant, le ballon apparaît, les gaz se dispersent à nouveau, l’apport d’énergie d’origine est converti en chaleur et l’entropie de l’univers est augmentée.
Budgets énergétiques physiques
Les budgets énergétiques physiques considèrent un système particulier et défini, puis analysent les entrées d’énergie, ses différentes transformations et stockages, et les sorties éventuelles. Ce concept peut être illustré par référence au budget énergétique de la Terre.
Le principal apport d’énergie à la Terre se produit sous forme d’énergie électromagnétique solaire. Aux limites extérieures de l’atmosphère terrestre, le taux moyen d’entrée du rayonnement solaire est de 2,00 calories par cm2 par minute (ce flux est connu sous le nom de constante solaire). Environ la moitié de cet apport d’énergie se produit sous forme de rayonnement visible et l’autre moitié dans le proche infrarouge. Comme indiqué précédemment, la Terre émet également son propre rayonnement électromagnétique, toujours à une vitesse de 2,00 cal/cm2/min, mais avec un spectre qui culmine dans l’infrarouge à ondes plus longues, à environ 10 æm. Comme le taux d’apport d’énergie est égal au taux de production, il n’y a pas de stockage net d’énergie et pas de changement substantiel à plus long terme de la température de surface de la Terre. Par conséquent, la Terre représente un système de flux d’énergie à somme nulle. (En fait, au cours du temps géologique, il y a eu un petit stockage d’énergie, se produisant sous la forme d’une accumulation de biomasse sous-composée qui finit par se transformer géologiquement en combustibles fossiles. Il existe également des variations mineures à plus long terme de la surface de la température de la Terre qui représentent le changement climatique. Cependant, ceux-ci représentent des exceptions quantitativement triviales à la déclaration précédente sur la Terre en tant que système à somme nulle et à flux continu pour l’énergie.) Bien que la quantité d’énergie émise par la Terre soit finalement égale à la quantité de rayonnement solaire absorbée, il y a des transformations importantes sur le plan écologique qui se produisent entre ces deux événements.
Les moyens les plus importants par lesquels la Terre traite ses radiations solaires incidentes sont:
- En moyenne, environ 30% de l’énergie solaire incidente est renvoyée dans l’espace par l’atmosphère terrestre ou sa surface. Ce processus est lié à l’albédo de la Terre, qui est fortement influencé par l’angle solaire, les quantités de couverture nuageuse et de particules atmosphériques, et dans une moindre mesure par le caractère de la surface de la Terre, en particulier les types et la quantité d’eau (y compris la glace) et la couverture végétale.
- Environ 25% de l’énergie incidente est absorbée par les gaz atmosphériques, les vapeurs et les particules, convertie en chaleur ou en énergie cinétique thermique, puis réémise sous forme de rayonnement infrarouge de plus longue longueur d’onde.
- Environ 45% du rayonnement incident est absorbé à la surface de la Terre par des matériaux vivants et non vivants, et est converti en énergie thermique, augmentant la température des surfaces absorbantes. À plus long terme (c’est-à-dire en années) et même à moyen terme (c’est-à-dire en jours), il y a peu ou pas de stockage net de chaleur. La quasi-totalité de l’énergie absorbée est ré-rayonnée par la surface sous forme d’énergie infrarouge à ondes longues, avec un pic de longueur d’onde d’environ 10 æm.
- Une partie de l’énergie thermique des surfaces provoque l’évaporation de l’eau des surfaces végétales et non vivantes (voir l’entrée sur l’évapotranspiration), ou la fonte de la glace ou de la neige.
- En raison de la distribution inégale de l’énergie thermique à la surface de la Terre, une partie du rayonnement absorbé entraîne le transport de masse, les processus de distribution, tels que les vents, les courants d’eau et les vagues à la surface des plans d’eau.
- Un très petit (avec une moyenne inférieure à 0.1%) mais une partie écologiquement critique de l’énergie solaire entrante est absorbée par la chlorophylle des plantes et est utilisée pour stimuler la photosynthèse. Cette fixation photoautotrophe permet de stocker temporairement une partie de l’énergie solaire dans l’énergie potentielle des produits biochimiques et de servir de base énergétique à la vie sur Terre.
Certains gaz de l’atmosphère terrestre absorbent l’énergie infrarouge à ondes longues du type de celle rayonnée par la matière chauffée dans les deuxième et troisième mécanismes de dissipation (énumérés ci-dessus). Cette absorption chauffe les gaz, qui subissent ensuite un nouveau rayonnement, émettant une énergie infrarouge encore plus longue dans toutes les directions, y compris à la surface de la Terre. Les gaz dits radiativement actifs dans l’atmosphère les plus importants sont l’eau et le dioxyde de carbone, mais les gaz à l’état de traces, le méthane, l’oxyde nitreux, l’ozone et les chlorofluorocarbures sont également importants. Ce phénomène, connu sous le nom d’effet de serre, interfère de manière significative avec le taux de refroidissement radiatif de la surface de la Terre.
S’il n’y avait pas d’effet de serre et que l’atmosphère terrestre était entièrement transparente au rayonnement infrarouge à ondes longues, les températures de surface seraient en moyenne d’environ 17,6 ° F (-8 ° C), beaucoup trop froides pour que des processus biologiques puissent se produire. Parce que l’effet de serre naturel maintient la température moyenne de surface de la Terre d’environ 60 degrés Fahrenheit plus chaude que celle-ci, à environ 25 ° C (77 ° F), c’est un facteur évidemment important dans l’habitabilité de la planète. Cependant, les activités humaines ont entraîné une augmentation des concentrations atmosphériques de certains des gaz radiativement actifs, et on craint que cela ne provoque une intensification de l’effet de serre de la Terre. Cela pourrait entraîner un réchauffement de la planète, des changements dans la répartition des précipitations et d’autres effets climatiques, ainsi que de graves dommages écologiques et socioéconomiques.
Budgets d’énergie fixe
L’énergétique écologique examine les transformations de l’énergie biologique fixe au sein des communautés et des écosystèmes, en particulier la manière dont l’énergie biologiquement fixe est transmise à travers le réseau trophique.
Par exemple, des études sur une forêt naturelle de chênes et de pins dans l’État de New York ont révélé que la végétation fixait l’énergie solaire équivalente à 11 500 kilocalories par hectare et par an (103 Kcal / ha / an). Cependant, la respiration des plantes a utilisé 6,5 × 103 Kcal / ha / an, de sorte que l’accumulation nette réelle d’énergie dans l’écosystème était de 5.0× 103 Kcal/ha/an. Les différents types d’organismes hétérotrophes dans la forêt ont utilisé un autre 3,0 × 103 Kcal / ha / an pour soutenir leur respiration, de sorte que le net
TERMES CLÉS
Énergie électromagnétique — Un type d’énergie, impliquant des photons, qui ont des propriétés physiques à la fois des particules et des ondes. L’énergie électromagnétique est divisée en composantes spectrales, qui (ordonnées de longueur d’onde longue à courte) comprennent la radio, l’infrarouge, la lumière visible, l’ultraviolet et le cosmique.
Entropie – La mesure d’une tendance à l’augmentation du caractère aléatoire et du désordre.
l’accumulation de biomasse par tous les organismes de l’écosystème équivalait à 2,0 x 103 Kcal/ha/an.
Le précédent est un exemple de budget d’énergie fixe au niveau de l’écosystème. Parfois, les écologistes élaborent des budgets d’énergie au niveau de la population, et même pour les individus. Par exemple, en fonction des circonstances et des opportunités environnementales, les plantes ou les animaux individuels peuvent optimiser leur condition physique en allouant leurs ressources énergétiques à diverses activités, le plus simplement, à la croissance de l’individu ou à la reproduction.
Cependant, les budgets énergétiques biologiques sont généralement beaucoup plus compliqués. Par exemple, une plante peut allouer diversement son énergie à la production de tiges plus longues et de plus de feuilles pour améliorer son accès à la lumière du soleil, ou elle peut pousser plus longtemps et plus de racines pour augmenter son accès aux nutriments du sol, ou plus de fleurs et de graines pour augmenter la probabilité de reproduction réussie. Il existe d’autres stratégies d’allocation possibles, y compris une combinaison des précédentes.
De même, un ours doit prendre des décisions quant à l’allocation de son temps et de son énergie. Il doit décider des activités associées au repos, que ce soit pendant la journée ou l’hibernation à plus long terme, à la chasse à la nourriture végétale ou animale, à la recherche d’un partenaire, à la prise en charge des oursons ou tout simplement à s’amuser, comme le font les ours sauvages.
Voir aussi Transfert d’énergie; Chaîne alimentaire/réseau.