Fiche de révision : Production et transport de l’électricité

📋 Plan du Cours

1. Origine du dioxygène atmosphérique
2. Échanges de dioxygène et ozone
3. Réchauffement et forçage radiatif
4. Construction des modèles climatiques
5. Responsabilité humaine et émissions
6. Scénarios et conséquences climatiques
7. Produire l’électricité sans combustion
8. Matières premières et impacts environnementaux
9. Stocker l’électricité
10. Équilibrer les réseaux électriques
11. Transition énergétique et innovations
12. Choix du nucléaire en France
13. Estimer la biodiversité et les populations
14. Biodiversité et histoire évolutive humaine
15. Modèle linéaire des populations
16. Limites et évolution des modèles démographiques
17. Histoire des ordinateurs et programmation
18. Intelligence artificielle et apprentissage

📅 Repères chronologiques

1. 1642Blaise Pascal réalise la Pascaline, premier calculateur mécanique capable d’effectuer les quatre opérations arithmétiques.
2. entre 1725 et 1728Jacques Vaucanson et Joseph Marie Jacquard mettent au point des systèmes de programmation par cylindres métalliques perforés pour commander des métiers à tisser.
3. 1833Charles Babbage conceptualise la machine analytique destinée à résoudre des équations et des opérations complexes.
4. 1936Alan Turing imagine la machine de Turing comme un concept abstrait modélisant le fonctionnement d’appareils mécaniques de calcul.
5. entre 1937 et 1946Les premiers vrais ordinateurs sont créés pour réaliser des calculs complexes dans des domaines précis, tels que la recherche aéronautique, le décryptage de codes militaires et la balistique.
6. 1950Alan Turing théorise l’intelligence artificielle telle qu’on la conçoit aujourd’hui.
7. années 1970Les ordinateurs se démocratisent auprès du grand public.
8. 1987Le protocole de Montréal a interdit l’utilisation des substances destructrices de la couche d’ozone et permis la stabilisation de la superficie du trou.
9. 4 juin 1996Un bug provoque le crash d’un appareil fournissant des données de navigation lors du vol inaugural d’Ariane 5, puis l’autodestruction de la fusée peu après le décollage.

📖 1. Origine du dioxygène atmosphérique

🔑 Notions clés & Définitions

• Hydrosphère : L’ensemble de l’eau disponible sur Terre, estimé à 1,5 milliard de kilomètres cubes, dont 97,5 % se trouve dans les océans.
• Fers rubanés : Roches sédimentaires marines constituées de lits bruns ou rouges, essentiellement formés d’hématite contenant du fer ferrique Fe³⁺.
• Stromatolithes : Fossiles constitués de couches sédimentaires liées à l’activité de cyanobactéries.

★ À maîtriser

• L’atmosphère primitive contenait environ 80 % d’eau, 15 % de CO₂, 5 % de N₂ et aucun O₂, tandis que l’atmosphère actuelle contient des traces d’eau, 0,03 % de CO₂, 78 % de N₂ et 21 % d’O₂.

• Après la formation de la Terre, le refroidissement de l’atmosphère et de la surface a fait passer l’eau atmosphérique de l’état gazeux à l’état liquide lorsque la température est descendue sous 100 °C, entraînant la formation des océans.

• Le passage du fer de l’état Fe²⁺ à l’état Fe³⁺ dans les fers rubanés témoigne de l’apparition du dioxygène dans les océans entre 3,5 et 3 milliards d’années.

• Les cyanobactéries réalisent la photosynthèse, qui consomme du CO₂ et produit du dioxygène, ce qui étaye leur rôle dans l’oxygénation ancienne des océans.

• Avant 2,2 milliards d’années, l’uraninite réduite dans les dépôts continentaux témoigne de l’absence de dioxygène atmosphérique ; après cette date, l’uranium oxydé et les paléosols rouges indiquent une atmosphère oxydante.

Compléments

• La vie est apparue dans l’hydrosphère, plus précisément dans les océans, avant que les êtres vivants ne conquièrent le milieu aérien.

• La biosphère, l’atmosphère et l’hydrosphère sont en interaction permanente.

• Les stromatolithes les plus anciens sont datés d’environ 3,5 milliards d’années, période correspondant à l’apparition du dioxygène dans les océans.

💡 Astuce mémo

Photosynthèse des cyanobactéries → O₂ océanique → atmosphère oxydante

📖 2. Échanges de dioxygène et ozone

★ À maîtriser

📌 La respiration de tous les êtres vivants est un puits de dioxygène, tandis que la photosynthèse des végétaux chlorophylliens est une source de dioxygène.

• La couche d’ozone absorbe une partie des ultraviolets solaires, avec une absorption maximale vers 260 nm, ce qui limite les mutations de l’ADN et protège les êtres vivants.

• Les principaux réservoirs de carbone et leurs formes de stockage sont : l’atmosphère, sous forme de CO₂, la biosphère, sous forme de biomasse, l’hydrosphère, sous forme de carbonates dissous, la lithosphère, sous forme de roches carbonatées ou de biomasse fossilisée, notamment le pétrole, le gaz et le charbon

• Depuis le début de l’ère industrielle, les activités humaines sont corrélées à l’augmentation du taux de CO₂ atmosphérique, principalement liée à la combustion de pétrole, de gaz et de charbon.

• Les émissions humaines de carbone sont en partie compensées par la photosynthèse, qui absorbe 2,7 Gt de carbone par an, et par l’absorption océanique, qui en absorbe 2,3 Gt par an ; l’utilisation des combustibles fossiles ajoute 7,7 Gt par an et la déforestation 1,4 Gt par an, pour un bilan atmosphérique de +4,1 Gt par an.

Compléments

• Le phytoplancton des océans produit plus de la moitié du dioxygène de la planète et constitue le premier recycleur d’oxygène dans l’air respiré.

• Les combustions qui consomment du dioxygène comprennent : les combustions naturelles, comme certains feux de forêt, les combustions anthropiques de gaz, les combustions anthropiques de pétrole, les combustions anthropiques de charbon, les combustions anthropiques de bois

• À environ 30 km d’altitude, le rayonnement solaire transforme le dioxygène en ozone.

• Les flux de carbone entre les réservoirs suivent un cycle globalement équilibré, avec des sources et des puits de carbone.

• Les combustibles fossiles se renouvellent plus lentement qu’ils ne sont utilisés par l’être humain et constituent donc des ressources énergétiques non renouvelables.

💡 Astuce mémo

Respiration et combustion consomment O₂ ; photosynthèse en produit

📖 3. Réchauffement et forçage radiatif

🔑 Notions clés & Définitions

• Climat : L’ensemble des conditions météorologiques rencontrées à chaque saison, caractérisées notamment par la température, la pression atmosphérique, l’hygrométrie, la pluviométrie, la nébulosité et la vitesse et la direction des vents.

★ À maîtriser

📌 La météorologie prévoit les phénomènes atmosphériques à court terme, de quelques jours à quelques semaines, et dans des régions limitées, tandis que la climatologie étudie les variations du climat à moyen ou long terme et à l’échelle locale ou globale.

• Les normales climatiques sont les moyennes des températures et des précipitations calculées sur une durée de 30 ans.

• La température moyenne globale de la Terre est estimée à 14 °C ± 0,5 °C sur la période 1961-1990.

• Au cours du dernier million d’années, les périodes glaciaires duraient environ 90 000 ans et les périodes interglaciaires de 10 000 à 40 000 ans, avec une amplitude maximale de température globale de 10 °C.

• Au cours du dernier million d’années, le CO₂ atmosphérique n’a jamais dépassé 300 ppm avant son augmentation continue au XXe siècle.

• Depuis 150 ans, la température globale augmente rapidement d’environ 1 °C, et le réchauffement ainsi que l’augmentation du CO₂ n’ont jamais été aussi rapides sur plusieurs centaines de milliers d’années.

• Depuis l’ère industrielle, la température moyenne mondiale a augmenté et atteint 1 °C de plus en 2016, tandis que le niveau marin a augmenté d’environ 20 cm depuis 1900.

• Avant 1850, la puissance solaire absorbée par la Terre, +240 W·m⁻², équilibrant la puissance infrarouge émise vers l’espace, −240 W·m⁻², caractérisait le bilan radiatif préindustriel.

• Depuis l’ère industrielle, les gaz à effet de serre absorbent davantage le rayonnement infrarouge terrestre et en réémettent davantage vers la surface, renforçant l’effet de serre et déséquilibrant le bilan radiatif.

• Dans le bilan radiatif perturbé, le système Terre-atmosphère absorbe 240 W·m⁻² mais n’émet que 239 W·m⁻² vers l’espace, créant un forçage radiatif positif de +1 W·m⁻².

Compléments

• La température globale est mesurée sur les continents par des stations météorologiques et sur les océans par des instruments embarqués sur des bouées ou des navires.

• Le réchauffement des océans augmente leur volume par dilatation thermique, tandis que la fonte des glaces continentales contribue également à l’élévation du niveau marin.

• Au cours du dernier millénaire, la température globale a connu de faibles variations, inférieures à 1 °C, avec un refroidissement pendant le Petit Âge glaciaire de 1350 à 1900.

• Depuis l’ère industrielle, les concentrations atmosphériques de CO₂, de méthane (CH₄) et d’oxyde nitreux (N₂O) ont fortement augmenté sous l’effet des émissions humaines.

• L’énergie supplémentaire due au forçage radiatif est absorbée par les océans, l’atmosphère et les continents, ce qui augmente la température de surface et le niveau des océans par dilatation thermique.

💡 Astuce mémo

GES en hausse → infrarouge davantage retenu → forçage radiatif positif

📖 4. Construction des modèles climatiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Rétroaction : Une action en retour par rapport à un effet qui lui a donné naissance.
• Modèle climatique : Représentation numérique simplifiée du climat de la planète, limitée à l’atmosphère, aux océans, aux surfaces continentales et à leurs interactions.

★ À maîtriser

📌 Une rétroaction positive amplifie le réchauffement climatique, tandis qu’une rétroaction négative l’atténue.

• Le réchauffement accroît l’évaporation et la vapeur d’eau atmosphérique, réduit la surface des glaces et l’albédo, et provoque le dégel partiel du permafrost qui libère des gaz à effet de serre, notamment du méthane ; ces effets amplifient le réchauffement.

• L’océan exerce une rétroaction négative en constituant le principal puits de CO₂ de la planète, car le CO₂ est très soluble dans l’eau, surtout dans les eaux froides.

• Les puits de CO₂ des océans et de la végétation ne sont pas suffisamment importants pour compenser les émissions anthropiques.

• L’accroissement de la végétation entraîne une rétroaction négative du réchauffement climatique.

• La diminution de la surface couverte par les glaces réduit l’albédo terrestre, augmente l’absorption de l’énergie solaire et renforce l’effet de serre : c’est une rétroaction positive.

• Le dégel du permafrost libère dans l’atmosphère des gaz à effet de serre, notamment du méthane, ce qui renforce l’effet de serre et constitue une rétroaction positive.

• La construction d’un modèle climatique consiste à mailler les réservoirs, à définir les paramètres de chaque maille, à préciser leurs interactions avec les mailles adjacentes selon les équations du modèle, puis à lancer le modèle.

• Les prévisions climatiques s’appuient sur les conditions initiales du système et sur une estimation des quantités futures de gaz à effet de serre.

• La pertinence des modèles est vérifiée en confrontant leurs résultats aux données spatiales obtenues par satellite, aux données directes recueillies par des capteurs et aux données historiques sur les paléoclimats.

Compléments

• L’océan absorbe une fraction importante de l’énergie supplémentaire liée au réchauffement et exerce ainsi une rétroaction négative.

• L’augmentation de la température et du CO₂ atmosphérique rend la photosynthèse plus efficace, accroît la productivité végétale et renforce le stockage du carbone dans la matière organique.

• La grande inertie thermique de l’eau rend le changement climatique irréversible à des échelles de temps de plusieurs siècles.

• Les modèles climatiques décrivent les phénomènes physiques, chimiques et biologiques entre les réservoirs terrestres et à l’intérieur de ceux-ci à l’aide d’équations mathématiques.

📖 5. Responsabilité humaine et émissions

★ À maîtriser

• Une vingtaine de modèles climatiques concluent que les activités humaines sont en majeure partie responsables du réchauffement planétaire depuis l’ère industrielle, commencée en 1850.

• Les modèles indiquent que plus les émissions de gaz à effet de serre sont élevées, plus le système Terre réagit fortement, notamment par le réchauffement, la hausse de la fréquence des événements climatiques extrêmes et l’élévation du niveau de la mer.

• Les activités humaines qui rejettent du CO₂ comprennent :

  • La combustion d’hydrocarbures pour le transport et le chauffage.
  • La production de ciment à partir de calcaire.
  • La déforestation.

Compléments

• En 2017, le GIEC estimait que le réchauffement global avait atteint +1 °C (± 0,2 °C) par rapport à la période préindustrielle.

• Les émissions anthropiques de gaz à effet de serre provoquent une hausse moyenne des températures de l’ordre de 0,2 °C par décennie à l’échelle de la planète. - GIEC

• Les sources humaines de CH₄ comprennent :

  • La fermentation dans les décharges.
  • Les activités agricoles, comme les élevages industriels d’animaux.
  • Les fuites de gaz naturel.

• Les activités industrielles rejettent des halocarbures, notamment des CFC (chlorofluorocarbones).

• Les activités humaines qui diminuent l’albédo moyen terrestre provoquent une rétroaction positive, aussi appelée parfois effet « boule de neige », qui amplifie les causes du réchauffement par leurs conséquences.

📖 6. Scénarios et conséquences climatiques

🔑 Notions clés & Définitions

• RCP : Quatre profils d’évolution des concentrations en gaz à effet de serre pour la suite du XXIe siècle.

★ À maîtriser

• Les quatre scénarios proposés pour l’évolution du climat sont : (GIEC) :

  • RCP 8.5.
  • RCP 6.0.
  • RCP 4.5.
  • RCP 2.6.

• Le scénario RCP 8.5 est le plus pessimiste et suppose que les émissions de gaz à effet de serre continuent d’augmenter au rythme actuel.

• Les modèles prévoient une hausse de la température moyenne de 1,5 à 5 °C entre 2017 et la fin du XXIe siècle.

• L’élévation du niveau moyen des océans pourrait atteindre un mètre en 2100 et entraîner des inondations, la salinisation et l’infertilité des sols côtiers, la destruction d’infrastructures côtières et une hausse du nombre de migrants climatiques.

Compléments

• Le nombre associé à chaque scénario RCP correspond à la valeur du bilan radiatif excédentaire.

• Le scénario RCP 6.0 prévoit une stabilisation des émissions avant la fin du XXIe siècle à un niveau moyen.

• Le scénario RCP 4.5 prévoit une stabilisation des émissions avant la fin du XXIe siècle à un niveau faible.

• Le scénario RCP 2.6 est le plus optimiste et prévoit de très faibles émissions, avec un pic avant 2050.

• Les modifications des régimes de pluie devraient augmenter la fréquence et l’intensité des vagues de chaleur, des sécheresses, des incendies, des tempêtes et des cyclones, avec des effets sur l’accès à l’eau potable et les rendements agricoles.

• L’acidification des océans rend plus difficile la fabrication des squelettes calcaires des mollusques et des coraux, ce qui déstabilise les chaînes alimentaires marines.

• Au-delà de +2 °C par siècle, 20 à 30 % des espèces animales et végétales risquent de disparaître.

📖 7. Produire l’électricité sans combustion

🔑 Notions clés & Définitions

• Chaîne énergétique : La série de transformations et de transports que suit l’énergie primaire jusqu’à l’énergie finale consommée.

★ À maîtriser

📌 L’électricité est une énergie secondaire et un vecteur énergétique, contrairement au charbon, au pétrole et à l’uranium, qui sont des sources d’énergie primaire.

• L’énergie électrique peut provenir de la conversion d’une énergie primaire :

  • mécanique
  • chimique
  • nucléaire
  • solaire
  • géothermique

• Dans les centrales thermiques, hydroélectriques et marémotrices ainsi que dans les éoliennes, l’alternateur convertit en énergie électrique l’énergie cinétique de rotation produite par une turbine ou par les pales.

• Les panneaux photovoltaïques convertissent l’énergie radiative solaire en courant continu, puis un onduleur transforme ce courant en courant alternatif compatible avec le réseau.

📌 Les dispositifs électrochimiques, comme les accumulateurs et les piles à hydrogène, convertissent l’énergie chimique en énergie électrique ou inversement pour le stockage.

Compléments

• L’électricité représente près de 20 % de l’énergie finale mondiale et est convertie dans les appareils en énergie mécanique, thermique, lumineuse ou en information transmise.

• Dans une centrale hydroélectrique, l’énergie potentielle de l’eau du barrage devient énergie cinétique lors de la chute, puis entraîne la turbine.

• Dans une centrale à conversion indirecte, une énergie primaire est convertie en chaleur, puis transmise à un fluide qui entraîne la turbine.

• Les panneaux photovoltaïques sont constitués de cellules reposant à 90 % sur le silicium cristallin et à 10 % sur les couches minces.

• Un véhicule à pile à combustible utilise l’électricité produite à partir d’hydrogène et d’oxygène et ne rejette que de l’eau.

📖 8. Matières premières et impacts environnementaux

🔑 Notions clés & Définitions

• Terres rares : Des métaux aux propriétés électroniques, magnétiques, optiques et catalytiques utiles à de nombreuses applications.

★ À maîtriser

• En 2018, la Chine a produit 70 % des terres rares mondiales, soit 120 000 tonnes.

• Les procédés d’extraction et de séparation peuvent rejeter :

  • des acides
  • des bases
  • des solvants
  • des métaux lourds
  • des éléments radioactifs

• La purification du silicium solaire atteint 99,9999 % et nécessite de nombreuses étapes après son extraction de gisements de silice de haute pureté, souvent issus du quartz.

Compléments

• Les éoliennes nécessitent de l’acier et des aimants permanents riches en terres rares, ou des aimants classiques associés à des bobinages en cuivre.

• Les panneaux photovoltaïques comportent généralement des cellules en silicium protégées par du polymère, des plaques de verre et un cadre en aluminium; les couches minces CdTe ou GIGS peuvent utiliser du tellure, du cadmium, du gallium, de l’indium et du sélénium.

• Les terres rares sont stratégiques pour fabriquer des puces électroniques, des éoliennes, certains moteurs électriques et des panneaux solaires.

• Les terres rares se trouvent notamment dans la bastnaésite, la monazite et certaines roches, et leur séparation recourt à des procédés complexes comme l’extraction liquide-liquide et les résines échangeuses d’ions.

• L’exploitation des carrières de silice peut contaminer les eaux, modifier les écoulements, provoquer effondrement et érosion, nuire aux zones boisées et à la biodiversité, et exposer les populations aux poussières.

• Le raffinage industriel du silicium consomme des produits chimiques souvent toxiques, de l’eau et de l’énergie, et produit une quantité importante de déchets de fabrication.

💡 Astuce mémo

Extraction et purification → pollutions et dégradations des milieux

📖 9. Stocker l’électricité

🔑 Notions clés & Définitions

• Accumulateur : Un système qui convertit réversiblement l’énergie chimique en énergie électrique grâce à des réactions d’oxydoréduction.
• Circuit électrique fermé : Un circuit électrique doit être fermé pour que le courant circule entre une source et une ou plusieurs charges.
• Tension électrique : La tension électrique est la différence de potentiel entre deux points d’un circuit, mesurée en volts (V).
• Intensité électrique : L’intensité électrique correspond au débit d’électrons dans un circuit et se mesure en ampères (A).

★ À maîtriser

📌 Le stockage de l’électricité permet d’ajuster la production à la consommation, de limiter les pertes et d’intégrer les énergies renouvelables intermittentes au mix énergétique.

📌 Dans un accumulateur, la charge stocke l’énergie sous forme chimique, tandis que la décharge la restitue sous forme électrique.

• Une STEP stocke l’énergie en pompant l’eau du bassin inférieur vers le bassin supérieur lorsque la demande est faible, puis la restitue au réseau en turbinant l’eau du bassin supérieur lorsque la demande augmente.

📐 Formule - Pour produire 1 MWh d’électricité, une STEP consomme près de 1,25 MWh; son rendement est $\eta = \frac{1}{1{,}25} = 0{,}8$, soit environ 80 %.

• Une ligne électrique nécessite au moins deux câbles conducteurs; les lignes triphasées utilisent le plus souvent trois conducteurs ou trois groupes de câbles conducteurs par circuit.

• En France, les lignes à haute tension ont une tension comprise entre 63 000 et 400 000 V.

📐 Formule - La puissance transportée vérifie $P = U I$ pour une ligne monophasée et $P = \sqrt{3}\,U I$ pour une ligne triphasée.

📌 Le réseau de transport achemine l’électricité des grandes centrales vers les centres urbains, interconnecte les régions et permet les échanges internationaux, tandis que le réseau de distribution dessert les utilisateurs finaux à l’échelle locale.

Compléments

• Les équipements portatifs et les véhicules hybrides ou électriques nécessitent des formes de stockage performantes et peu volumineuses.

• Dans un accumulateur lithium-ion, les ions lithium échangés réversiblement entre une électrode en graphite et une électrode en oxyde métallique traversent un électrolyte.

• Les supercondensateurs stockent directement de l’énergie sous forme électrique et sont notamment utilisés dans les systèmes stop & start de certains véhicules.

• Le réseau français de transport comprend plus de 100 000 km de lignes à très haute tension de 63, 90, 225 et 400 kV, ainsi que plus de 2 700 postes électriques; il est géré par RTE.

💡 Astuce mémo

Charge : stockage chimique ; décharge : restitution électrique

📖 10. Équilibrer les réseaux électriques

🔑 Notions clés & Définitions

• Effet Joule : L’échauffement d’un conducteur provoqué par le passage du courant électrique dans sa résistance.
• Graphe de transport : Un ensemble de sommets reliés par des arêtes, représentant les éléments et les lignes d’un réseau.
• Réseau électrique intelligent : Un réseau électrique intelligent peut commander à distance certains équipements pour décaler ou supprimer leur consommation avec l’accord des utilisateurs, en contrepartie d’un tarif attractif.

★ À maîtriser

📐 Formule - La puissance thermique perdue par effet Joule dans un conducteur de résistance $R$ parcouru par un courant d’intensité $I$ vérifie $P_J = R I^2$.

• Doubler l’intensité du courant multiplie par quatre les pertes Joule, qui représentent en France un peu moins de 10 % de la puissance totale.

📐 Formule - Pour une ligne triphasée, les pertes Joule vérifient $P_J = \frac{R P^2}{U^2}$ et sont inversement proportionnelles au carré de la tension; doubler la tension les divise par quatre.

• Les sommets d’un graphe électrique représentent : les sources de production électrique, les postes de commutation et d’aiguillage, les cibles de consommation ou les passerelles vers d’autres réseaux

• Dans un graphe de réseau électrique, la somme des intensités sortant d’une source égale sa production, la somme des intensités entrant dans une cible égale sa consommation, et les intensités entrantes et sortantes d’un poste sont égales à tension inchangée.

• À chaque instant, la production totale des sources doit égaler la consommation totale des cibles, car l’électricité ne peut pas être stockée en tant que telle.

• Les centrales pilotables permettent d’ajuster la production à la consommation, tandis que les productions solaires et éoliennes sont intermittentes et non pilotables car elles dépendent de l’heure et de la météo.

Compléments

• Dans une ligne triphasée, les pertes Joule valent $P_J = 3 R I^2$; elles entraînent une chute de tension entre le départ et l’arrivée, avec $U > U'$.

• L’échauffement dû à l’effet Joule dilate et allonge les câbles aériens, rapprochant leur point bas du sol, et accélère le vieillissement de l’isolant des lignes enterrées.

📌 Une tension plus élevée réduit les pertes Joule, mais impose d’espacer davantage les câbles et de les placer plus loin du sol pour éviter les arcs électriques, ce qui nécessite des pylônes plus grands.

• Les lignes souterraines ou sous-marines en courant alternatif sont limitées en tension et en longueur; le courant continu peut contourner cette limite, mais exige des installations de conversion aux deux extrémités qui entraînent d’autres pertes.

• Les supraconducteurs ont une résistance nulle sous une certaine température et peuvent transporter, à encombrement égal, cinq fois plus de puissance qu’une ligne classique, mais doivent être refroidis à l’azote liquide.

• Un réseau électrique intelligent peut aussi répartir la puissance afin de minimiser les pertes en ligne par effet Joule.

💡 Astuce mémo

Production pilotable : ajuster l’offre ; réseau intelligent : agir sur la demande

📖 11. Transition énergétique et innovations

🔑 Notions clés & Définitions

• Mix énergétique : La répartition des différentes sources d’énergie consommées.
• Mix électrique : La répartition des différentes sources d’électricité et constitue une partie du mix énergétique.

★ À maîtriser

• Les ressources énergétiques locales sont exploitées en priorité pour renforcer l’autonomie énergétique d’un territoire; des ressources peuvent aussi être importées pour nécessité ou pour réduire les coûts, et les excédents peuvent être exportés comme source de revenus.

• Les énergies renouvelables intermittentes nécessitent le stockage de l’énergie et le pilotage des réseaux et des installations pour équilibrer l’offre et la demande.

• Le LCOE tient compte des coûts :

  • d’acquisition
  • de construction
  • de rénovation du système
  • d’opérations et de maintenance
  • d’achats de carburant

Compléments

• Le stockage de chaleur et l’utilisation du dihydrogène produit par électrolyse de l’eau comme vecteur intermédiaire sont des solutions à l’étude pour les ressources intermittentes.

• Les barrages hydroélectriques fragmentent l’habitat des espèces aquatiques, l’extraction du gaz de schiste ou du charbon peut polluer les nappes phréatiques, et les biocarburants peuvent affecter les sols, les nappes, la biodiversité et les émissions de CO2.

• La production et la consommation d’énergie peuvent provoquer des maladies en polluant l’air ou l’eau et être à l’origine de catastrophes industrielles.

📖 12. Choix du nucléaire en France

★ À maîtriser

📌 Un État peut favoriser la transition énergétique en développant des infrastructures, en adoptant des mesures réglementaires, financières ou fiscales et en régulant les industries polluantes, notamment en fermant des centrales à charbon.

• En dix ans, le prix des batteries lithium-ion a été divisé par neuf grâce à des innovations améliorant leurs performances et leur durée de vie et réduisant leur temps de charge.

📌 Le nucléaire et les énergies renouvelables sont décarbonés, tandis que le gaz naturel émet significativement moins de gaz à effet de serre que le charbon.

• Aucun nouveau réacteur nucléaire n’a été mis en service en France depuis 2002 et le démarrage de l’EPR de Flamanville, dont le chantier a commencé en 2007, a été repoussé à 2024.

• La puissance d’un réacteur nucléaire est délicate et coûteuse à moduler, de sorte qu’il fonctionne généralement en continu à charge constante sauf pendant sa maintenance.

• Le nucléaire est une énergie non renouvelable et peu carbonée dont l’impact climatique est négligeable, mais il produit des déchets radioactifs, dont certains doivent être confinés jusqu’à des centaines de milliers d’années.

• La fission nucléaire casse des noyaux atomiques pour produire de l’énergie, tandis que la fusion nucléaire assemble des noyaux atomiques en un noyau plus lourd.

• La fusion nucléaire est plus sûre que la fission, car elle ne connaît pas d’emballement de la réaction et ne génère pas de déchets radioactifs de haute activité à vie longue.

• Une fois contrôlée, la fusion nucléaire pourrait libérer une énergie quatre fois supérieure à celle de la fission nucléaire.

Compléments

• Les COP permettent de négocier le soutien au développement, la réduction des émissions de gaz à effet de serre, les transferts de technologies et les aides à la transition énergétique.

• La baisse du prix et l’amélioration des batteries rendent plus compétitif le couplage entre une source intermittente et une batterie, et facilitent l’électrification des transports.

• Des recherches envisagent de capturer le CO2 puis de le séquestrer dans le sous-sol terrestre.

• La transition énergétique transforme les secteurs d’activité et peut supprimer des métiers dont la reconversion n’est pas toujours envisageable.

📌 La durée d’amortissement de plusieurs décennies des centrales à charbon peut retarder le déploiement de technologies plus respectueuses du climat, de l’environnement et de la santé humaine.

• L’amortissement prolongé des camions d’une entreprise de transport ralentit l’électrification du secteur, tandis que l’investissement lourd dans les pompes à chaleur freine leur adoption comme alternative moins carbonée aux chaudières.

• La fission d’une même masse nette d’uranium libère environ 2 millions de fois plus d’énergie que la combustion du charbon.

💡 Astuce mémo

Production stable et peu carbonée, mais déchets radioactifs durables

📖 13. Estimer la biodiversité et les populations

🔑 Notions clés & Définitions

• Échantillonnage : Prélèvement d’une petite partie d’un ensemble afin de l’examiner et d’obtenir des informations sur l’ensemble entier.
• Capture-marquage-recapture : Méthode permettant d’estimer l’effectif d’une population lorsque l’échantillonnage d’une surface délimitée n’est pas envisageable.
• Intervalle de confiance : Évaluation de la proportion d’individus portant un caractère donné dans une population à partir d’un échantillon, exprimant une marge d’erreur associée à un niveau de confiance, souvent de 95 %.
• Panmixie : Rencontre aléatoire des gamètes.

★ À maîtriser

• La biodiversité est estimée grâce à des échantillons de spécimens ou d’ADN obtenus lors de sorties de terrain ou d’explorations scientifiques.

📌 La méthode du quadrat estime la richesse spécifique et l’abondance sur une surface délimitée, tandis que la méthode du transect réalise les mêmes estimations le long d’une ligne virtuelle.

📐 Formule - L’indice de Lincoln-Peterson estime l’effectif total selon la relation $N = \frac{M \times n}{m}$, où $M$ est le nombre d’individus marqués et relâchés, $n$ le nombre d’individus recapturés et $m$ le nombre d’individus recapturés marqués.

📌 Le modèle de Hardy-Weinberg suppose une population de grande taille, sans mutation, sélection, dérive génétique ni migration, sans croisements entre générations, et où les gamètes se rencontrent aléatoirement.

📌 Dans une population idéale, quelle que soit la distribution initiale des allèles en génération 0, les fréquences alléliques et génotypiques restent constantes à partir de la génération 1; cet état est l’équilibre de Hardy-Weinberg.

📐 Formule - À l’équilibre de Hardy-Weinberg, les fréquences génotypiques attendues à partir des fréquences alléliques $F$ et $f$ sont $p=F^2$, $q=2Ff$ et $r=f^2$.

• Pour tester l’équilibre de Hardy-Weinberg, on calcule les fréquences génotypiques observées, les fréquences alléliques correspondantes, puis les fréquences génotypiques attendues afin de comparer les valeurs observées et attendues.

📌 Des écarts importants entre fréquences génotypiques observées et attendues indiquent que la population n’est pas à l’équilibre de Hardy-Weinberg; ils peuvent notamment résulter des mutations, de la sélection, de la dérive génétique ou des migrations.

Compléments

• Dans l’expérience de Kettlewell, avec $M=496$, $n=121$ et $m=62$, l’indice de Lincoln-Peterson donne un effectif estimé de 968 phalènes.

• La méthode de capture-marquage-recapture comprend le marquage d’individus capturés, leur relâchement, puis une nouvelle capture quelques jours plus tard pour compter les individus marqués recapturés.

• Dans les zones boisées non polluées, les phalènes claires recapturées sont plus nombreuses, car elles se camouflent sur les troncs clairs et échappent davantage aux oiseaux; elles sont moins nombreuses dans les régions polluées où les troncs sont recouverts de suie.

• Plus la taille de l’échantillon est grande, plus l’intervalle de confiance est réduit et plus l’estimation est précise.

📖 14. Biodiversité et histoire évolutive humaine

🔑 Notions clés & Définitions

• Fragmentation des habitats : Division d’un écosystème en parcelles de taille réduite et spatialement isolées; elle constitue la principale cause d’extinction des espèces à l’échelle planétaire.
• Dérive génétique : Modification aléatoire de la fréquence des allèles d’une population d’une génération à la suivante; son effet est d’autant plus important que l’effectif est faible.
• Œil : Structure sensorielle dédiée à la détection de la lumière.
• Arbre phylogénétique : Représentation des liens de parenté entre espèces à partir du partage de caractères communs, ou innovations évolutives, hérités d’un ancêtre commun.

★ À maîtriser

• La déforestation entraîne une perte locale d’habitat pour de nombreux êtres vivants et contribue au dérèglement climatique en perturbant le cycle du carbone.

• La fragmentation d’une population en petits groupes réduit sa diversité génétique par dérive génétique et peut conduire à son extinction.

📌 Les yeux composés des insectes répètent des ommatidies qui captent chacune une partie du champ visuel, tandis que les yeux camérulaires projettent l’image sur une rétine composée de photorécepteurs.

• L’apparition de nouvelles structures anatomiques s’explique par des phénomènes évolutifs liés au hasard, notamment les duplications de gènes et les mutations de gènes du développement; la sélection naturelle peut ensuite conserver les structures avantageuses.

• Le chimpanzé et le gorille sont les plus proches parents de l’Homme parmi les espèces présentées; les données moléculaires précisent une parenté plus étroite entre l’Homme et le chimpanzé, qui partagent un ancêtre commun plus récent.

• Les génomes de l’Homme et du chimpanzé sont semblables à près de 99 %, et leurs caryotypes diffèrent notamment par le fait que l’Homme possède 23 paires de chromosomes contre 24 chez le chimpanzé; le chromosome 2 humain correspond à la fusion des chromosomes 2p et 2q du chimpanzé.

📌 Les Australopithèques ont un faible volume crânien, une mandibule en U et un prognathisme proches de ceux du chimpanzé, tandis que leur bassin court et large atteste leur bipédie.

• Les Australopithèques ont vécu en Afrique d’environ −4,2 Ma à −2 Ma; leur bipédie les rattache à la lignée humaine, mais leur morphologie crânienne ne permet pas de les classer dans le genre Homo.

• Les premiers représentants du genre Homo, Homo habilis et Homo rudolfensis, datent d’environ −2,5 Ma.

• Des caractères peuvent se transmettre de manière non génétique :

  • L’utilisation d’outils.
  • Les activités culturelles.
  • Les habitudes alimentaires.
  • Le langage.
  • Le microbiote.

Compléments

• La construction de routes peut isoler des populations d’amphibiens en fragmentant leur habitat et entraîner leur extinction à plus ou moins long terme, car leurs migrations entre habitats aquatiques et terrestres sont indispensables à leur reproduction.

📌 Une gestion raisonnée des ressources exploitables et l’ingénierie écologique peuvent limiter les impacts des activités humaines et restaurer des écosystèmes dégradés afin d’y préserver la biodiversité.

📖 15. Modèle linéaire des populations

🔑 Notions clés & Définitions

• Variation linéaire : Une grandeur varie de manière linéaire si sa variation absolue entre deux paliers successifs est constante, indépendamment du palier.
• Suite arithmétique : Une suite arithmétique est une suite dont on passe d’un terme au suivant en ajoutant une raison constante, positive, négative ou nulle.

★ À maîtriser

• Une mutation peut conférer une résistance à une bactérie et à ses descendantes; l’utilisation d’un antibiotique élimine les bactéries sensibles tandis que les résistantes survivent et se multiplient, ce qui exerce une sélection naturelle en leur faveur.

• La résistance bactérienne peut apparaître par mutation ou être acquise par transfert de matériel génétique entre bactéries, notamment par échange de plasmide.

• Les mesures de limitation comprennent :

  • L’usage modéré des antibiotiques.
  • La désinfection des mains et des surfaces en milieu hospitalier.
  • Le développement de nouveaux vaccins.

📌 La domestication des plantes sauvages et le développement de plantes hybrides relèvent de la sélection artificielle et ont produit des variétés présentant des avantages pour les agriculteurs, mais aussi une uniformisation des cultures et une baisse de la biodiversité végétale.

• Les produits phytosanitaires éliminent de nombreux insectes, ravageurs ou non, réduisent la biodiversité animale des agrosystèmes et sélectionnent les ravageurs résistants aux pesticides.

• Le bassin court et large des Australopithèques, comparable à celui d’Homo sapiens, atteste leur bipédie.

• Les premiers représentants du genre Homo sont Homo habilis et Homo rudolfensis, âgés de –2,5 Ma.

• La transmission non génétique concerne notamment :

  • l’utilisation des outils
  • les activités culturelles
  • le langage
  • les habitudes alimentaires
  • le microbiote

📐 Formule - Pour une suite arithmétique de terme initial $u(0)$ et de raison $r$, le terme au palier $n$ vérifie $u(n)=u(0)+n r$.

Compléments

• Le transfert de matériel génétique entre bactéries peut former des souches multirésistantes à plusieurs familles d’antibiotiques.

• L’usage massif et la mauvaise utilisation des antibiotiques, notamment des posologies ou des durées de traitement inadaptées, ont favorisé l’apparition de souches résistantes à de multiples antibiotiques au XXe siècle.

• À proximité de champs en culture conventionnelle, le pipit farlouse a perdu 68 % de sa population en une vingtaine d’années selon les études mentionnées.

• La découverte de nouveaux fossiles peut remettre en cause les liens de parenté au sein des primates.

📌 Pour une suite arithmétique, si la raison $r>0$ la suite est croissante, si $r=0$ elle est constante et si $r<0$ elle est décroissante.

💡 Astuce mémo

Linéaire : on ajoute une quantité fixe ; exponentiel : on multiplie par un facteur fixe.

📖 16. Limites et évolution des modèles démographiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Variation exponentielle : Une grandeur varie de manière exponentielle lorsque sa variation absolue entre deux paliers est proportionnelle à sa valeur courante, ce qui équivaut à un taux de variation constant.
• Modèle de Malthus : Thomas Malthus, fin du xviiie siècle - Le modèle de Malthus décrit une population non freinée comme croissant géométriquement, tandis que les ressources indispensables augmentent arithmétiquement, ce qui peut conduire à des catastrophes démographiques.
• Modèle logistique de Verhulst : Pierre-François Verhulst, vers 1840 - Le modèle logistique de Verhulst décrit une population dont la croissance est limitée par une taille limite liée à la capacité d’accueil du milieu et dont la courbe d’évolution est sigmoïde.

★ À maîtriser

📐 Formule - Pour une suite géométrique de terme initial $u(0)$ et de raison $q$, le terme au palier $n$ vérifie $u(n)=u(0)q^n$.

📌 Le modèle de Malthus est généralement valide seulement à court terme, car il néglige les facteurs extérieurs comme les migrations, les guerres et les épidémies, ainsi que l’amélioration de la productivité humaine.

Compléments

📐 Formule - Pour une hausse de $t\,\%$ par palier, la raison est $q=1+\frac{t}{100}$ ; pour une baisse de $t\,\%$, elle est $q=1-\frac{t}{100}$.

📌 Dans une suite géométrique, $q>1$ entraîne une croissance, $q=1$ une constance et $0<q<1$ une décroissance.

📐 Formule - Dans le modèle de Malthus, la population vérifie $P(n+1)=\lambda P(n)$, où le paramètre malthusien $\lambda$ dépend des taux de natalité et de mortalité supposés constants. - Thomas Malthus, fin du xviiie siècle

• Sur l’île Saint-Matthieu, 29 rennes introduits en 1944 étaient 1 350 en 1957, puis 6 000 en 1963, avant qu’il n’en reste que 42 en 1966.

• Selon Verhulst, lorsque la population augmente, son taux de natalité diminue et son taux de mortalité augmente. - Pierre-François Verhulst, vers 1840

• Adolphe Quetelet considère que la somme des obstacles à l’accroissement d’une population est proportionnelle au carré de la vitesse à laquelle elle tend à croître.

• Le modèle de Leslie tient compte de la structure par âge de la population et utilise des matrices.

• Des modèles démographiques plus élaborés intègrent notamment des limites environnementales comme l’épuisement des ressources non renouvelables, et l’informatique facilite leurs calculs complexes.

• Certains modèles prévoient que la population mondiale atteindra environ 10 milliards d’êtres humains en 2050.

📖 17. Histoire des ordinateurs et programmation

🔑 Notions clés & Définitions

• Langage machine : Le langage machine est une suite binaire d’instructions et de données que le processeur peut traiter directement ; c’est son seul langage natif.
• Langage de programmation : Un langage de programmation est une notation dotée d’un vocabulaire, d’une syntaxe et de règles permettant de coder des instructions complexes traduites en langage machine par un compilateur ou un interpréteur.
• Bug : Un bug est un défaut de conception d’un programme qui provoque un dysfonctionnement, généralement à la suite d’une erreur humaine de codage plutôt que d’une action malveillante.

★ À maîtriser

📌 Un programme binaire est une suite de bits indiquant au processeur les instructions à exécuter, tandis qu’un programme source est un code écrit dans un langage de programmation puis interprété ou compilé en forme binaire.

Compléments

• Ada Lovelace conçoit une suite d’instructions pour la machine de Charles Babbage, ce qui fait d’elle la première programmeuse au monde.

• La mémoire de la machine de Turing contient :

  • un nombre fini d’états
  • les instructions du programme
  • l’alphabet des symboles utilisés

• Le mot « ordinateur » est inventé par IBM en 1955 comme terme commercial destiné à distinguer l’appareil du « calculateur ».

📌 Les langages de bas niveau, comme le C, sont plus proches de la machine, tandis que les langages de haut niveau, comme Python, JavaScript et Java, sont plus proches de l’humain.

• Un bug peut provoquer :
  • un problème d’affichage
  • l’arrêt d’un logiciel
  • l’arrêt du système entier

📖 18. Intelligence artificielle et apprentissage

🔑 Notions clés & Définitions

• Intelligence artificielle : Marvin Lee Minsky définit l’intelligence artificielle comme la construction de programmes informatiques réalisant des tâches alors accomplies plus satisfaisamment par les humains parce qu’elles demandent des processus mentaux de haut niveau.
• Intelligence artificielle faible : Une intelligence artificielle faible reproduit un comportement spécifique sans le comprendre et simule ainsi l’intelligence humaine dans un domaine précis.
• Intelligence artificielle forte : Une intelligence artificielle forte serait capable de comprendre ses raisonnements, de réfléchir à ses actions et éventuellement d’avoir conscience d’elle-même et de ses émotions.
• Inférence bayésienne : L’inférence bayésienne calcule la probabilité de causes à partir de l’observation d’événements connus, la probabilité exprimant le degré de confiance accordé à une cause hypothétique.
• Système expert : Un système expert reproduit des opérations précises trop longues ou laborieuses pour un humain afin de gagner du temps et d’aider à la décision.
• Machine learning : Le machine learning utilise des méthodes statistiques, de grandes quantités de données et des algorithmes auto-apprenants.
• Apprentissage par renforcement : L’apprentissage par renforcement fait progresser le programme par essais successifs en testant les sorties possibles à partir d’une entrée.
• Deep learning : Le deep learning est un système d’apprentissage qui s’appuie sur des réseaux de neurones artificiels pour accroître son efficacité.
• Réseau de neurones artificiels : Un réseau de neurones artificiels est un ensemble d’algorithmes fonctionnant comme des neurones formels, représentations mathématiques d’un neurone biologique, chacun possédant plusieurs entrées et une sortie.

★ À maîtriser

• Les trois grandes techniques d’intelligence artificielle distinguées sont :
  • les systèmes experts
  • la résolution de problèmes
  • le machine learning

📌 L’apprentissage supervisé utilise des exemples avec les données d’entrée et le résultat attendu, tandis que l’apprentissage non supervisé laisse la machine découvrir les données, émettre des hypothèses et les vérifier.

📐 Formule - Le théorème de Bayes s’écrit $P_B(A)=\frac{P(A\cap B)}{P(B)}$ lorsque $P(B)>0$, où $P_B(A)$ est la probabilité de A sachant B.

Compléments

• Les biais et erreurs des IA utilisant le machine learning sont difficiles à anticiper, car leurs critères de choix et d’évolution des algorithmes ne sont pas toujours transparents.

• En 2018, Amazon abandonne un projet d’IA de recrutement qui écartait systématiquement les candidatures contenant le mot « femme », après avoir déduit des données que les employés étaient majoritairement des hommes.

• Arthur Samuel invente l’apprentissage automatique en 1959.