L'ensemble des écosystèmes repose sur la matière organique, également appelée « biomasse », produite par les végétaux. Cette biomasse est consommée par les consommateurs animaux et sert à l'ensemble des êtres vivants. C'est donc la photosynthèse qui est à la base de toute la vie sur la planète.
À partir des documents fournis, on cherche à montrer que la photosynthèse n'utilise, à l'échelle de la planète, qu'une petite partie de l'énergie solaire incidente.
Productions primaires brute et nette
« Primary Production of the Biosphere: Integrating Terrestrial and Oceanic Components », Christopher Field, Michael Behrenfeld, James Randerson, Paul Falkowski, juillet 1998, © Science
La photosynthèse permet aux végétaux d'assimiler le carbone présent dans l'atmosphère, les océans, etc. L'énergie lumineuse absorbée est convertie en énergie chimique, sous la forme de biomasse, c'est-à-dire de matière organique. La quantité de biomasse produite par les végétaux est la production primaire brute (PPB). Une partie de cette matière organique est utilisée par les plantes pour produire l'énergie nécessaire à leur fonctionnement, par l'intermédiaire de la respiration. La matière organique produite et non consommée par la respiration, autrement dit la matière organique qui sert à la croissance des végétaux, est la production primaire nette (PPN). La PPN correspond donc à la quantité de matière organique fixée par la plante.
L'étude de Christopher Field permet de donner les chiffres suivants en ce qui concerne les productivités brutes et la respiration des végétaux à l'échelle de la planète :
- productivité primaire brute des organismes photosynthétiques océaniques : 242,5 gigatonnes de carbone par an ;
- perte par respiration : 194 gigatonnes de carbone par an ;
- productivité primaire brute des organismes photosynthétiques terrestres : 282 gigatonnes de carbone par an ;
- perte par respiration : 225,6 gigatonnes de carbone par an.
La valeur calorique de la matière organique est de 32 mégajoules par kilo de carbone.
Surface terrestre et énergie solaire incidente
L'énergie solaire incidente reçue par la Terre est voisine de 5{,}4.10^{6} \text{kJ/an/m}^{2}.
Le rayon terrestre est de l'ordre de 6 370 km.
La surface S d'une sphère de rayon R est 4\times\pi\times R^{2}.
Quelle est la valeur de la surface de la Terre ?
La Terre est une sphère. Pour calculer la surface S d'une sphère, on utilise la formule suivante :
S=4\times\pi\times R^{2}
Ici on a donc :
4 \times 3{,}14 \times (6\ 370.10^{3})^{2} = 5{,}1.10^{14}\text{ m}^{2}
La valeur de la surface de la Terre est donc de 5{,}1.10^{14} \text{ m}^2 .
Quelle est la valeur de la PPN globale (végétaux océaniques et terrestres) annuelle ?
Pour déterminer la valeur de la PPN globale, il faut additionner la PPB océanique et la PPB continentale, puis soustraire à cet ensemble la respiration océanique et la respiration continentale.
Ici, on a donc :
(242 + 282)-(194 + 225{,}6) = 105\text{ Gt de carbone/an}
La biomasse intègre chaque année 105 Gt de carbone.
La valeur de la PPN globale annuelle est donc de 105 Gt de carbone.
Quelle est la valeur énergétique de l'ensemble de la production primaire nette (PPN) en une année ?
Pour déterminer la valeur énergétique globale de ce qui est produit, on utilise la formule suivante :
\text{Valeur énergétique globale} = \text{Masse de carbone intégré dans la biomasse} \times \text{Valeur calorique d'un kilo de carbone}
Ici on a donc :
105.10^{12} \times 32.10^{3}= 3{,}36.10^{18}\text{ kJ/an}
La valeur énergétique de l'ensemble de la production primaire nette en une année est donc de 3{,}36.10^{18} \text{ kJ/an}.
Quelle est la valeur de la PPN annuelle par unité de surface à la surface du globe ?
Pour déterminer la valeur de la PPN par unité de surface, on utilise la formule suivante :
\text{PPN par unité de surface} = \dfrac{ \text{PPN en kJ par an}}{ \text{Surface de la Terre}}
Ici on a donc :
\text{PPN par unité de surface} =\dfrac{3{,}36.10^{18}}{5{,}1.10^{14}} = 6{,}6.10^{3}\text{ kJ/an/m}^{2}
La valeur de la PPN annuelle par unité de surface à la surface du globe est donc de 6{,}6.10^3 \text{ kJ/an/m}^{2}.
Quelle est la proportion (en %) de l'énergie solaire incidente qui est transformée en matière organique chaque année (PPN) ?
Pour déterminer la proportion de l'énergie solaire incidente qui est transformée en matière organique chaque année, on utilise la formule suivante :
\text{Proportion} =100\times \dfrac{\text{Énergie de la biomasse produite}}{\text{Énergie incidente}}
Ici on a donc :
100\times (\dfrac{ 6{,}6.10^{3}}{5{,}4.10^{6}})\approx0{,}1\ \%
La proportion de l'énergie solaire incidente qui est transformée en matière organique chaque année (PPN) est donc environ de 0,1 %.