1° Ens Scientif – Chap 5 : Le bilan radiatif terrestre

Partie I : Cours et illustrations de cours

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I Le spectre électromagnétique complet

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Le domaine du visible est compris entre 400 nm et 800 nm. Il n’est qu’une petite partie du spectre complet.

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II La diffusion de la puissance solaire dans l’espace

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1° Diffusion de l’énergie lumineuse autour du Soleil

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Plus les planètes sont éloignées du Soleil, plus elles sont froides. Lorsque cette distance augmente, la surface de la sphère de répartition de la puissance solaire augmente. L’énergie lumineuse est de moins en moins concentrée.

On peut noter R cette distance.

 

 

Lorsqu’on étudie le cas de la Terre, le rayon correspond à la distance Terre-Soleil, notée dTS. sur le schéma ci-dessous.

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 Ce schéma montre la répartition de la puissance lumineuse, c’est à dire de l’énergie par seconde(#).

#rappel : L’énergie : E = P × t (Voir chapitre précédent)

On peut calculer cette valeur de puissance par m².

On définit ainsi la puissance surfacique : PSurfaciq :

La puissance surfacique est la puissance lumineuse mesurée sur la sphère de répartition, par unité de surface.

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2° Calcul de la puissance surfacique (par m²)

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Donnée : la surface (ou aire) d’une sphère de rayon « r » vaut : SSphère = 4 × π × r²

La puissance surfacique correspond à la puissance émise par le soleil, divisée par la surface de la sphère de répartition : SSphère de répartition = 4 × π × dTS²

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III La puissance captée par la Terre

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1° Analogie avec le son

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La puissance du son se répartit sur une sphère dont le centre est le haut-parleur.

Une oreille (ou un micro) intercepte une infime partie de ce son.

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2° La portion d’énergie lumineuse captée par la Terre

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La Terre intercepte une portion très petite de cette puissance (ou énergie).

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La Terre présente une surface d’interception dans ce flux lumineux. Cette surface peut être modélisée par un disque imaginaire (voir image ci-dessus).

La puissance captée par la planète Terre dépend de la puissance solaire reçue au niveau de la planète Terre (= puissance surfacique) et de cette surface de captation.

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IV La planète Terre face au rayonnement solaire

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1° La division du rayonnement solaire incident

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Connaitre le vocabulaire

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2° L’albédo terrestre

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Les rayons incidents sont en partie réfléchis (par diffusion), en partie absorbés. Le pourcentage réfléchi (= diffusé) se nomme l' »Albédo ». C’est un nombre en % (ou entre 0 et 1) :

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Par exemple :

  • Les glaciers (blancs) réfléchissent davantage la lumière que la surface d’un sol foncé.
  • L’albédo de la neige est proche de 1.

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V Le réchauffement du sol et la réémission de l’énergie sous forme lumineuse (invisible).

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1° Une partie du rayonnement incident parvient jusqu’au sol et provoque son échauffement.

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D’après la loi de Wien, compte tenu de sa température, la Terre va émettre un rayonnement dont la longueur d’onde maximale λmax appartient au domaine des infrarouges (invisible).

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2° La réémission de cette énergie

Le sol va alors ré-émettre une partie de cette énergie sous forme d’infrarouge comme le fait une maison chauffée (voir illustration ci-dessous)

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3° Un bilan dans l’infrarouge

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L’imagerie infrarouge permet de « voir » le rayonnement de la planète

On remarque que les zones chaudes à l’équateur réémettent beaucoup d’infrarouges, contrairement aux pôles.

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VI L’effet de serre

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1° Une serre est un piège à rayonnement infrarouge

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Observer comment la couche de gaz à effet de serre piège le rayonnement infrarouge comme le ferai une serre.

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2° Action de l’atmosphère sur le rayonnement infrarouge

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2.1° Sur le schéma ci_dessous, on a ajouté la schématisation de l’effet de serre par rapport au schéma précédent.

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2.2° Ci-dessous, un résumé très simplifié des principales étapes qui permettent de comprendre l’effet de Serre.

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Ce mécanisme ressemble a celui qui est observé sous une serre, d’où le nom d’effet de serre qui lui a été attribué.

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3° Diagramme des principaux rayonnements mis en jeu pour aboutir à l’équilibre thermique de la Terre.

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En conclusion de cette animation, nous retiendrons que l’énergie acquise par la Terre est égale à l’énergie qu’elle renvoie. Si l’effet de serre est conservé à sa valeur habituelle, la température moyenne de la Terre est stabilisée à +15 °C. On dit que la Terre est en équilibre thermique.

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4° Synthèse

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On notera qu’une partie importante de l’effet de serre permet d’élever la température moyenne de la Terre environ 33 °C. Sans ce phénomène naturel, la température moyenne de la Terre serait à -18°C au lieu de +15°C . Sur Terre, l’eau est donc liquide, ce qui a favorisé l’apparition de la vie, telle que nous la connaissons sur cette planète.

Par contre, un excès d’effet de serre provoque des dérèglements climatiques qui peuvent avoir des effets désastreux.

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Ci-dessous uns autre animation pour compléter votre appréciation du phénomène .

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Voir l’animation Effet de serre sur http://www.cea.fr/multimedia/Pages/animations/climat-environnement/effet-de-serre.aspx

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4° Les principaux gaz à effet de serre

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Les gaz qui contribuent à l’effet de serre sont ceux qui absorbent les rayonnements infrarouge.

Sur l’image, on observe que les gaz à effets de serre sont :

  1. Le dioxyde de carbone CO2.
  2. Le dioxygène O2.
  3. L’eau H2O.
  4. Il faut aussi ajouter le méthane CH4 à cette liste car il est de plus en plus produit par l’élevage et certaines cultures agricoles.

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Comparaison entre la puissance radiative (chapitre 4) et la puissance surfacique (Chapitre 5)

 

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1° La puissance surfacique est d’origine solaire (chap 5).

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Elle correspond à la fraction de puissance solaire captée par la Terre. Elle se mesure avant de pénétrer dans l’atmosphère.

 

2° La puissance radiative est mesurée au sol (chap 4).

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Elle correspond donc à la répartition sur la surface terrestre de la puissance surfacique reçue en altitude.

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3° Valeurs comparées de ces 2 puissances

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La puissance qui parvient au sol se répartit sur la planète qui présente, à un instant « t » une demi-sphère éclairée face au Soleil.

On rappelle que : Ssphère = 4 × π × R2

La surface de la demi-sphère éclairée vaut : Sdemi-sphère = 2 × π × R2

Cette surface est donc  2 fois plus grande que celle du disque imaginaire (= Sdisque = π × R2 ). 

La même puissance est donc répartie au sol sur une surface 2 fois plus grande. La puissance au sol (=puissance radiative) sera donc 2 fois plus petite (#) que la puissance surfacique (d’origine solaire).

(#) : sans compter les rejets d’énergie dus à l’albédo de l’atmosphère.

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Valeur moyenne de la puissance reçue au sol sur 1 journée.

En moyenne, sur 24 h, la puissance lumineuse se répartit sur la totalité de la surface de la sphère terrestre. La surface de répartition est donc Ssphère = 4 × π × R2.

Cette surface est donc  4 fois plus grande que celle du disque imaginaire (= Sdisque = π × R2 ). 

La puissance radiative moyenne sur 24h est donc 4 fois plus petite (#) que la puissance surfacique (sans compter les effets d’albédo).

(#) : sans compter les rejets d’énergie dus à l’albédo de l’atmosphère.

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 Bilan

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Cliquez sur le lien suivant pour accéder à la « Fiche de cours » qui sera complétée en classe.

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Exercices possibles

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Exercice d’application directe : n°6 – p 99

Remarque : Cet exercice est déjà corrigé dans votre livre. Sa rédaction sera revue en classe et un détail des points du barème vous sera communiqué.

Faire les exercices d’approfondissement : n° 3 ; 8 ; 10 ; 16 – p 98-100

Ces exercices seront corrigés en classe et leur corrigés vous seront ensuite accessibles dans la partie « Corrigés » ci-dessous.

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 Corrigés

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Des éléments de correction complémentaire apparaitront ci-dessous lorsque la partie correspondante aura été faite en classe. Un code utilisable ci-dessous vous sera alors transmis par l’intermédiaire d’École Directe.

Corrigés déjà accessibles :

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Exercice de type « Application du cours » :

Cliquez sur le lien suivant pour accéder au « Corrigé de l’exercice 3« 

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FICHE DE COURS en version CORRIGÉE :

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CORRIGÉ des EXERCICES :

Exercice de type « Approfondissement » :

Cliquez sur le lien suivant pour accéder au « Corrigé de l’exercice 8« 

Cliquez sur le lien suivant pour accéder au « Corrigé de l’exercice 10« 

Cliquez sur le lien suivant pour accéder au « Corrigé de l’exercice 16« 

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