16.1 : Sources d'ensoleillement : énergie thermique et gravitationnelle
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Objectifs d'apprentissage
À la fin de cette section, vous serez en mesure de :
- Identifier les différentes formes d'énergie
- Comprendre la loi de conservation de l'énergie
- Expliquer comment l'énergie peut être transformée
L'énergie est un concept difficile à appréhender car elle existe sous de nombreuses formes différentes qu'elle défie toute explication simple. À bien des égards, comprendre l'énergie, c'est comme comprendre la richesse : il existe des formes de richesse très différentes et elles suivent des règles différentes, selon qu'il s'agit de la bourse, de l'immobilier, d'une collection de vieilles bandes dessinées, de grandes piles d'argent ou de l'une des nombreuses autres façons de gagner et de perdre de l'argent. Il est plus facile de parler d'une ou deux formes de richesse, ou d'énergie, que de discuter de ce concept en général.
Lorsqu'ils se sont efforcés de comprendre comment le soleil peut produire autant d'énergie pendant si longtemps, les scientifiques ont examiné de nombreux types d'énergie différents. Les scientifiques du XIXe siècle connaissaient deux sources possibles d'énergie solaire : l'énergie chimique et l'énergie gravitationnelle. La source d'énergie chimique qui leur était la plus familière était la combustion (le terme chimique est oxydation) du bois, du charbon, de l'essence ou d'autres combustibles. Nous savons exactement quelle quantité d'énergie peut produire la combustion de ces matériaux. Nous pouvons donc calculer que même si l'immense masse du Soleil était constituée d'une matière combustible comme le charbon ou le bois, notre étoile n'a pas pu produire d'énergie à son rythme actuel pendant plus de quelques milliers d'années. Cependant, nous savons grâce à des preuves géologiques que de l'eau était présente à la surface de la Terre il y a près de 4 milliards d'années, de sorte que le Soleil devait briller de mille feux (et réchauffer la Terre) au moins aussi longtemps que cela. Aujourd'hui, nous savons également qu'aux températures du soleil, rien de tel que le bois massif ou le charbon ne pourrait survivre.
Qu'est-ce que Watt ?
Juste un mot sur les unités que nous utilisons. Un watt (W) est une unité de puissance, c'est-à-dire l'énergie utilisée ou émise par unité de temps. Elle est mesurée en joules par seconde (J/s). Vous savez par expérience quotidienne que ce n'est pas seulement la quantité d'énergie que vous dépensez, mais aussi le temps que vous mettez pour le faire. (Brûler 10 calories en 10 minutes nécessite un type d'exercice très différent de celui de brûler ces 10 calories en une heure.) Les watts indiquent la vitesse à laquelle l'énergie est consommée ; par exemple, une ampoule de 100 watts consomme 100 joules (J) d'énergie par seconde.
Et quelle est la taille d'un joule ? Un instructeur d'astronomie de 73 kilogrammes (160 livres) qui court à environ 4,4 mètres par seconde (10 miles par heure) parce qu'il est en retard au cours a une énergie de mouvement d'environ 700 joules.
Conservation de l'énergie
D'autres tentatives du XIXe siècle visant à déterminer ce qui fait briller le soleil ont utilisé la loi de conservation de l'énergie. En termes simples, cette loi stipule que l'énergie ne peut être ni créée ni détruite, mais qu'elle peut être transformée d'un type à un autre, par exemple de la chaleur à l'énergie mécanique. La machine à vapeur, qui a joué un rôle clé dans la révolution industrielle, en est un bon exemple. Dans ce type de moteur, la vapeur chaude d'une chaudière entraîne le mouvement d'un piston, convertissant l'énergie thermique en énergie de mouvement.
Inversement, le mouvement peut être transformé en chaleur. Si vous tapez des mains vigoureusement à la fin d'un cours d'astronomie particulièrement bon, vos paumes deviennent plus chaudes. Si vous frottez de la glace sur la surface d'une table, la chaleur produite par la friction fait fondre la glace. Les freins des voitures utilisent la friction pour réduire la vitesse et, ce faisant, transformer l'énergie du mouvement en énergie thermique. C'est pourquoi, après avoir immobilisé une voiture, les freins peuvent être très chauds ; cela explique également pourquoi les freins peuvent surchauffer lorsqu'ils sont utilisés négligemment lors de la descente de longues routes de montagne.
Au XIXe siècle, les scientifiques pensaient que la source de chaleur du Soleil pouvait être le mouvement mécanique des météorites qui y tombaient. Leurs calculs ont toutefois montré que pour produire la quantité totale d'énergie émise par le Soleil, la masse des météorites qui devraient tomber dans le Soleil tous les 100 ans serait égale à la masse de la Terre. L'augmentation de la masse du Soleil qui en résulterait modifierait, selon la troisième loi de Kepler, la période de l'orbite de la Terre de 2 secondes par an. Un tel changement serait facilement mesurable et ne se produisait pas en fait. Les scientifiques pourraient alors réfuter cette hypothèse en tant que source d'énergie solaire.
La contraction gravitationnelle comme source d'énergie
Proposant une autre explication, le physicien britannique Lord Kelvin et le scientifique allemand Hermann von Helmholtz (Figure\(\PageIndex{1}\)) ont proposé, vers le milieu du XIXe siècle, que le Soleil pourrait produire de l'énergie en convertissant l'énergie gravitationnelle en chaleur. Ils ont suggéré que les couches extérieures du Soleil pourraient « tomber » vers l'intérieur à cause de la force de gravité. En d'autres termes, ils ont suggéré que la taille du soleil pourrait diminuer et rester ainsi chaud et brillant.
Pour imaginer ce qui se passerait si cette hypothèse était vraie, imaginez que la couche extérieure du Soleil commence à tomber vers l'intérieur. Cette couche extérieure est un gaz composé d'atomes individuels qui se déplacent tous dans des directions aléatoires. Si une couche tombe vers l'intérieur, les atomes acquièrent une vitesse supplémentaire en raison du mouvement de chute. Lorsque la couche extérieure tombe vers l'intérieur, elle se contracte également, rapprochant les atomes. Les collisions deviennent plus probables et certaines d'entre elles transfèrent la vitesse supplémentaire associée au mouvement de chute à d'autres atomes. Ceci, à son tour, augmente la vitesse de ces atomes. La température d'un gaz est une mesure de l'énergie cinétique (mouvement) des atomes qu'il contient ; par conséquent, la température de cette couche du Soleil augmente. Les collisions excitent également les électrons contenus dans les atomes vers des orbites de plus haute énergie. Lorsque ces électrons reprennent leur orbite normale, ils émettent des photons qui peuvent ensuite s'échapper du Soleil (voir Rayonnement et spectres).
Kelvin et Helmholtz ont calculé qu'une contraction du Soleil à une vitesse d'environ 40 mètres par an suffirait à produire la quantité d'énergie qu'il émet actuellement. Au cours de l'histoire de l'humanité, la diminution de la taille du Soleil due à une contraction aussi lente serait indétectable.
Si nous supposons que le Soleil a commencé sa vie sous la forme d'un gros nuage diffus de gaz, nous pouvons alors calculer la quantité d'énergie rayonnée par le Soleil pendant toute sa durée de vie lorsqu'il est passé d'un très grand diamètre à sa taille actuelle. La quantité d'énergie est de l'ordre de 10 42 joules. Comme la luminosité solaire est de 4 × 10 26 watts (joules/seconde), soit environ 10 34 joules par an, la contraction pourrait permettre au soleil de continuer à briller à son rythme actuel pendant environ 100 millions d'années.
Au XIXe siècle, 100 millions d'années semblaient au début suffisamment longues, puisque la Terre était alors largement considérée comme beaucoup plus jeune que celle-ci. Mais vers la fin de ce siècle et jusqu'au XXe, des géologues et des physiciens ont montré que la Terre (et donc le Soleil) est en fait beaucoup plus ancienne. La contraction ne peut donc pas être la principale source d'énergie solaire (bien que, comme nous le verrons dans The Birth of Stars and the Discovery of Planets Outside the Solar System, la contraction reste une source d'énergie importante pendant un certain temps dans les étoiles qui viennent de naître). Les scientifiques étaient donc confrontés à un casse-tête d'une ampleur énorme. Soit un type d'énergie inconnu était à l'origine de la plus importante source d'énergie connue de l'humanité, soit les estimations de l'âge du système solaire (et de la vie sur Terre) ont dû être sérieusement modifiées. Charles Darwin, dont la théorie de l'évolution exigeait une période plus longue que ne semblaient le permettre les théories du Soleil, a été découragé par ces résultats et a continué à s'en inquiéter jusqu'à sa mort en 1882.
Ce n'est qu'au XXe siècle que la véritable source d'énergie solaire a été identifiée. Les deux informations clés nécessaires pour résoudre le casse-tête étaient la structure du noyau de l'atome et le fait que la masse peut être convertie en énergie.
Concepts clés et résumé
Le soleil produit une énorme quantité d'énergie à chaque seconde. Comme la Terre et le système solaire ont environ 4,5 milliards d'années, cela signifie que le Soleil produit de grandes quantités d'énergie depuis très, très longtemps. Ni la combustion chimique ni la contraction gravitationnelle ne peuvent expliquer la quantité totale d'énergie rayonnée par le Soleil pendant tout ce temps.