Cours Partie A chapitre 2

PREMIERE PARTIE
LA PLANETE TERRE ET SON ENVIRONNEMENT
II – LE RAYONNEMENT SOLAIRE
Introduction :
Le soleil est une étoile.
La fusion thermonucléaire de l’hydrogène en hélium lui fournit toute son énergie, qui est transmise
par rayonnement aux planètes
Le spectre d’émission du soleil peut être (arbitrairement) décomposé en différents rayonnements (ou
radiations) :rayons x, UV, lumière visible et infrarouges
Comment varie l’éclairement d’une planète en fonction de sa distance au soleil ?
A – L’énergie solaire reçue par les planètes telluriques
ACTIVITE
N° 4
L’ENERGIE SOLAIRE RECUE PAR LES PLANETES
Durée :
1 heure
Problématique : le soleil émet une énergie considérable dans l’espace. Comment cette énergie influencet-elle la température de surface des planètes ?
Objectif : concevoir des expériences ou modèles dans le but de tester des hypothèses, conclure.
1.
Expérience 1 : énergie solaire reçue par les planètes en fonction de leur distance au soleil.
Vous disposez d’un luxmètre et d’une lampe. Montez un modèle simple qui permette de vérifier que
l’énergie solaire varie en fonction de la distance au soleil.
a. Décrivez ou réalisez un schéma de l’expérience.
b. Faites un tableau de mesures (une 15aine de mesures minimum dont six correspondent aux six
premières planètes du système solaire).
c. Construisez la courbe « éclairement en fonction de la distance au soleil »
d. Concluez sur le rayonnement parvenant aux différentes planètes.
Conclusion : Le rayonnement solaire diffuse dans toutes les directions de l’espace. Son énergie est constante
à une distance donnée. Une planète proche du soleil capte plus d’énergie qu’une planète éloignée.
L’énergie reçue par une planète est inversement proportionnelle au carré de la distance au soleil. Y=1/D2)
2.
Expérience 2 : La lumière solaire chauffe-t-elle la surface des planètes ?
Vous disposez d’un thermomètre de précision et d’un tube à essai (ou un bac en plastique) rempli d’eau (ou de
vermiculite). Modélisez une expérience simple qui permette de vérifier que la température en surface des planètes varie
en fonction de leur distance au soleil.
a. Décrivez l’expérience.
On place le tube à essai contenant de l’eau et un thermomètre face à la source lumineuse, on considère que
la distance o se situe au bord de la lampe. On déplace le montage sur six distances différentes correspondant
aux distances calculées à l’échelle en cm entre le soleil est les six premières planètes.
b. Complétez tableau de mesures
Distance au soleil
Distance calculée à l’échelle
(cm)
Température (°C)
Mercure
58
Vénus
108
Terre
150
Mars
228
Jupiter
780
Saturne
1430
5
9.3
12.9
19.6
67.2
123.2
d. Concluez.
Conclusion : Un corps s’échauffe d’autant plus qu’il est proche de la source de rayonnement.
3.
Rayonnement solaire et équilibre thermique
A l’aide du document, expliquez pourquoi un « corps noir » qui reçoit de l’énergie solaire ne s’échauffe pas
indéfiniment.
Un corps noir chauffé émet de la chaleur (rayonnement infrarouge), et ce rayonnement augmente avec
l’énergie solaire reçue. La température du corps noir se stabilise (température d’équilibre) lorsque l’énergie
perdue par le rayonnement infrarouge est égale à l’énergie reçue par le rayonnement solaire.
La température d’une planète ne dépend-t-elle que de sa position par rapport au soleil ?
B – L’effet de serre et ses conséquences
1) Activité 5 : L’effet de serre et ses conséquences
ACTIVITE
N° 5
L’EFFET DE SERRE ET SES CONSEQUENCES
Durée :
1 heure
Problématique : La température à la surface d’une planète est-elle uniquement la conséquence de
l’échauffement de cette surface par le rayonnement solaire ?
Objectif : observer, émettre une hypothèse, réaliser une expérience dans le but de tester l’hypothèse,
conclure.
1.
Comparaison des températures d’équilibre théorique et des températures d’équilibre
mesurées.
Observations : La modélisation du système solaire a permis de montrer qu’une planète reçoit une énergie
solaire qui est proportionnelle à l’inverse du carré de sa distance au soleil (y=1/x2 où x représente la distance
au soleil et y l’énergie solaire) : c’est sa constante solaire (W/m2). Selon cette modélisation, on peut donc
calculer une température d’équilibre théorique de surface pour chaque planète.
Distance au soleil (106 km)
Températures
de
surface
moyennes
théoriques* (°C)
Températures de surface moyennes relevées
(°C)
Atmosphère
Mercure
58
180
Vénus
108
30
Terre
150
-17
Lune
150
-17
Mars
228
-60
180
460
15
-17
-50
non
Epaisse et
opaque
Epaisse et
transparente
non
Réduite
* températures calculées à partir du rayonnement solaire et ne dépendant que de la distance planète-soleil
Que remarquez-vous entre les températures de surface théorique et relevées pour chaque planète? Quelle est
l’hypothèse que vous pouvez émettre pour expliquer ces différences de température entre théorie et observation ?
Vénus, la Terre et à un moindre degré Mars ont une température moyenne supérieure à la température
moyenne théorique. Comme ces planètes possèdent une atmosphère, on peut émettre l’hypothèse que la
présence d’une atmosphère au niveau d’une planète est à l’origine de l’augmentation de température
constatée. C’est l’effet de serre !
2.
Expérience de mise en évidence de l’effet de serre.
On dispose de trois enceintes identiques munies d’un thermomètre. L’enceinte 1 est ouverte (témoin),
l’enceinte 2 est fermée à l’aide d’une plaque de verre, et l’enceinte 3 contient un coton humide et est fermée
par une plaque de verre, la quatrième ressemble à la troisième, mais elle contient plus d’eau. Ces quatre
enceintes sont éclairées par des dispositifs d’éclairement identiques (une sonde luxmètre permet de le
vérifier).
a.
b.
Faites un schéma de l’expérience
Faites un tableau de résultats sur 30min, en relevant la température toutes les 2min.
Temps (min)
Enceinte 1
Température (°C)
Enceinte 2
Température (°C)
Enceinte 3
Température (°C)
Enceinte 4
Température (°C)
0 (à 30 toutes les
2min)
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
c.
Construire les trois courbes correspondant à l’évolution de la température à l’air ambiant, dans
les enceintes 1,2, et 3. Qu’observez-vous ?
- Le graphique 1 suit l’évolution de la température de l’air ambiant.
- Le graphique 2 montre l’élévation classique de la température à l’intérieur d’une enceinte fermée. C’est
une notion familière aux élèves (leur expérience de la voiture fermée l’été en plein soleil est là pour leur
rappeler ce résultat.)
- Le graphique 3 montre qu’en présence d’eau, la température augmente plus fortement que dans l’enceinte
2.
L’observation montre que la plaque de verre qui ferme la serre empêche la dispersion du rayonnement IR
émis par le support chauffé par la source lumineuse. C’est le principe de l’effet de serre. Le phénomène est
d’autant plus important si la serre contient de la vapeur d’eau.
d.
Dans cette expérience, à quelle enveloppe de la planète la plaque de verre peut-elle être
assimilée? Sachant que tout corps émet un rayonnement caractéristique de sa température, à votre avis, quel
est le rôle de la plaque de verre dans l’augmentation de la température à l’intérieur de l’enceinte ?
La plaque de verre peut être assimilée à l’atmosphère terrestre. Elle empêche la dispersion du rayonnement
IR émis par le support chauffé par la source lumineuse.
e.
Dans l’atmosphère, certains gaz ont la propriété de piéger une partie du rayonnement émis par
la surface de la terre : Ce sont les gaz à effet de serre. A partir du tableau suivant, recherchez parmi les
différents gaz atmosphériques lesquels sont les plus importants dans l’effet de serre.
Gaz
Composition de l’atmosphère terrestre
Concentration
N2
O2
Argon
H2O
CO2
Méthane=CH4
Oxyde nitreux=N2O
Ozone=O3
HFC
78%
20.9%
0.9%
0 à 4000ppm
370ppm
1.75ppm
0.31ppm
99.8%
% de participation
des gaz à l’effet de
serre
0%
0%
0%
55%
25%
0.2% à
2000ppm
T° à la surface de la
Terre
-17°C avec les seuls
N2, O2, Argon
+15°C avec tous les gaz
20%
0.01.10-3ppm
ppm : partie par million (ex : pour le CO2, 370ppm=0.037%)
Les principaux gaz impliqués dans l’effet de serre sont : vapeur d’eau et CO2 principalement et d’autres
moins abondants comme le méthane, l’ozone ou l’oxyde nitreux.
2) Bilan
ACTIVITE
N° 6
SCHEMA BILAN DE L’EFFET DE SERRE
Durée :
15 Min
Objectif : Réaliser un schéma bilan
A partir du texte suivant, réalisez un schéma bilan explicatif de l’effet de serre montrant l’action de
l’atmosphère sur les rayonnements solaires incidents et sur les rayonnements émis par la Terre.
Le mécanisme de l’effet de serre.
Près de la moitié de l’énergie solaire arrivant au sommet de l’atmosphère terrestre est réfléchie par
l’atmosphère. L’autre moitié est absorbée directement par la surface terrestre et contribue à élever sa
température.
L’énergie solaire ainsi absorbée est ensuite restituée en partie par la surface terrestre sous forme de
rayonnement infrarouge. Celui-ci est partiellement absorbé par certains constituants de l’atmosphère (vapeur
d’eau et CO2 principalement). Le rayonnement absorbé échauffe l’atmosphère qui renvoie vers le sol une
partie de cette chaleur. La Terre se réchauffe de nouveau : c’est l’effet de serre.
Ce mécanisme est très important sur Mars et sur Vénus où L’atmosphère est riche en CO2
Mécanisme de formation de l’effet de serre sur Terre
5
1
2
3
6
4
123456-
Le Soleil émet un rayonnement
Une partie du rayonnement solaire est réémise par l’atmosphère
Une partie de l’énergie solaire réchauffe directement la Terre
La Terre s’échauffe et émet un rayonnement infrarouge
Une partie de ce rayonnement est émise ver l’espace
Une autre partie est réémise vers la Terre
réchauffement = effet de serre
L’effet de serre est dû à la présence dans l’atmosphère de certains gaz, appelés gaz à effet de serre, qui
absorbent le rayonnement infrarouge émis par la Terre et le réémettent à leur tour en partie vers la surface qui
se réchauffe. Ces gaz sont principalement : H2O (55% de l’effet de serre sur Terre), CO2 (25% sur Terre et
95% sur Vénus) et d’autres, moins abondants comme le méthane, l’ozone ou l’oxyde nitreux.
Rem : le terre émet autant d’énergie quelle en reçoit. On atteint donc un équilibre.
Si l’énergie reçue par une planète est constante et inversement proportionnelle au carré de la distance au
soleil. Y=1/D2). Comment expliquer les différents climats et les saisons ?
C – La répartition du rayonnement solaire sur Terre : climats et saisons
1) Activité 7 : L’influence de la latitude sur le climat
ACTIVITE
N° 7
L’INFLUENCE DE LA LATITUDE SUR LE CLIMAT
Durée :
1 heure
Problématique : Comment expliquer l’existence et la répartition des climats à la surface du globe ?
Objectif : Manipuler, modéliser, interpréter des mesures expérimentales, raisonner.
Nous avons découvert lors de l’activité n° 4 que l’énergie reçue par une planète est constante et inversement
proportionnelle au carré de la distance au soleil. Y=1/D2. Cette énergie reçue, avec l’effet de serre est à
l’origine de l’échauffement de la Terre donc de sa température.
1 Comment peut-on expliquer l’existence et la répartition des climats à la surface du globe ?
Emettez des hypothèses permettant d’expliquer ces différentes répartitions de température.
Il existe différentes zones (froide, tempérée et chaude) et une répartition latitudinale des climats.
On remarque que la température diminue avec la latitude (plus la latitude est haute, plus la température est
basse). Cela signifie que l’énergie reçue diminue avec la latitude.
L’existence et la répartition des climats à la surface du globe est dû à l’angle d’incidence des rayons
lumineux (ou à la distance Terre – soleil qui est plus grande aux pôles qu’à l’équateur).
2 Etude de l’énergie solaire reçue sur le globe en fonction de la latitude.
Vous disposez d’une lampe, d’un globe et d’un papier cartonné percé de trous réguliers posé sur un support.
Montez un modèle simple qui permette de vérifier que l’énergie solaire varie en fonction de la latitude.
a. Décrivez ou réalisez un schéma de l’expérience.
b. Qu’observez au niveau du tropique de Capricorne (hémisphère sud), de l’équateur et de la
France ?
La surface éclairée au niveau du tropique du Capricorne est sphérique, à peu près de la même surface que le
trou dans le carton et l’intensité est maximum.
La surface éclairée au niveau de l’équateur est un peu moins sphérique, la surface est un peu plus grande
que le trou dans le carton et l’intensité est moins forte.
La surface éclairée au niveau de la France est ovale, la surface éclairée est plus grande que le trou dans le
carton et l’intensité est beaucoup plus faible.
c. Compléter le schéma ci-dessous en rajoutant deux faisceaux lumineux horizontaux, un arrivant au
niveau de l’équateur avec un angle de 90 ° et le deuxième au dessus formant un angle de 45° avec
la surface de la planète.
d. Q’observez-vous et que pouvez-vous en conclure ?
Plus on se rapproche des pôles, plus la tâche s’élargit et diminue d’intensité, en même temps que l’angle
d’incidence du faisceau lumineux avec la surface de la terre diminue.
La répartition en latitude des climats et une conséquence de la sphéricité de la Terre.
2) Activité 8 : L’origine des saisons
ACTIVITE
N° 8
L’ORIGINE DES SAISONS
Durée :
1 heure
Problématique : Comment expliquer le phénomène des saisons en une région précise ?
Objectif : Manipuler, modéliser, interpréter des mesures expérimentales, raisonner.
Lancez le logiciel « Terre ».
Cliquez sur « Energie ».
Cliquez sur « Expériences ».
Cliquez sur la lampe de gauche et faites tourner l’écran en glissant la souris sur la barre située au
dessus de l’écran.
1. Quelle est la conséquence de l’inclinaison de l’écran sur l’énergie reçue par unité de
surface.
Plus l’écran est incliné par rapport au faisceau lumineux, plus l’énergie reçue par unité de surface diminue.
2. Expliquez, à l’aide du logiciel, les différences climatiques observées selon les latitudes.
Plus on s’éloigne de l’équateur pour aller au pôle (nord ou sud), les faisceaux lumineux arrivent sur la
surface de la Terre avec un plan de plus en plus incliné.
la tâche lumineuse s’élargit et diminue d’intensité, de l’équateur vers les pôles.
La répartition en latitude des climats et une conséquence de la sphéricité de la Terre.
Retournez à l’écran précédent.
3. Expliquez pourquoi la durée du jour ou de la nuit est variable selon la saison pour une
latitude donnée.
En hiver, La zone éclairée étant décalée vers le pôle sud, la France reste moins longtemps dans la zone
éclairée et plus longtemps dans la zone à l’ombre : les jours sont plus courts que les nuits.
En été, La zone éclairée étant décalée vers le pôle nord, la France reste plus longtemps dans la zone éclairée
et moins longtemps dans la zone à l’ombre : les jours sont plus longs que les nuits.
Aux périodes d’équinoxe, la zone éclairée est également répartie entre les deux pôles, la France reste autant
de temps dans la zone éclairée que dans la zone à l’ombre : les jours et les nuits sont de même durée.
La durée des jours et des nuits pendant les différentes saisons pour une latitude donnée est une
conséquence de l’inclinaison de l’axe de rotation de la Terre.
4. Expliquez pourquoi la durée du jour ou de la nuit est variable selon la latitude pour une
saison donnée.
Au mois de décembre (hiver en France métropolitaine), La zone éclairée étant décalée vers le pôle sud, la
France reste moins longtemps dans la zone éclairée et plus longtemps dans la zone à l’ombre : les jours sont
plus courts que les nuits ; et la Réunion reste plus longtemps dans la zone éclairée et moins longtemps dans
la zone à l’ombre : les jours sont plus longs que les nuits.
Les variations des durées des jours et des nuits suivant la latitude pendant une saison donnée est une
conséquence de l’inclinaison de l’axe de rotation de la Terre.
5. Précisez ces durées pour chaque saison.
Pour Paris : Solstice d’hiver : le jour dure environ 8 heures et la nuit environ 16 heures
Solstice d’été : le jour dure environ 16 heures et la nuit environ 8 heures
Equinoxe de printemps et d’automne : le jour dure environ 12 heures et la nuit environ 12
heures
6. Expliquez la notion d’équinoxe et de solstice.
Équinoxe : durée du jour = durée de la nuit.
Solstice : soleil atteint son plus grand éloignement angulaire du plan de l’équateur, jour le + court (hiver),
jour le + long (été).
7. Est-ce la distance de la Terre au soleil qui peut être responsable de l’alternance des
saisons ? Justifiez.
La distance Terre-Soleil est plus grande pendant le solstice d’été, et pourtant l’énergie reçu par Paris est la
plus importante. Pendant le solstice d’hiver la Terre est plus proche du soleil, et l’énergie reçue est moins
grande.
la distance de la Terre au soleil n’est pas responsable de l’alternance des saisons. Pour une latitude
donnée, la quantité d’énergie solaire varie au cours de l’année. Cette variation s’explique par
l’inclinaison de l’axe de rotation de la Terre.
Paris est situé à 49° de latitude nord. Selon la saison, l’éclairement reçu n’est pas le même. Les trois
schémas ci-dessous représentent 3 stades de la révolution de la Terre autour du soleil :
8. Indiquez dans chaque cadre la saison correspondante.
9. Mesurez l’angle i d’incidence des rayons lumineux atteignant Paris dans chaque cas.
Saison : ETE
Angle i d’incidence : 25°33’
Saison : PRINTEMPS ou
AUTOMNE
Angle i d’incidence : 49°
Saison : HIVER
Angle i d’incidence : 72°27’
10. En admettant que l’énergie reçue varie en fonction de cos i, calculez l’énergie reçue en
fonction des saisons par rapport à la référence mesurée à l’équateur aux équinoxes
(Cos 0° =1)
Cos 25°33’= 0.9
Cos 49° = 0.66
Plus l’angle d’incidence i augmente, plus l’énergie reçue diminue.
Cos 72°27’ = 0.25
3) Bilan
Qu’est ce qui explique les climats sur Terre ?
La Terre étant sphérique, les rayons solaires frappent sa surface de façon perpendiculaire au niveau des
régions équatoriales et de manière oblique au niveau des hautes latitudes. L’énergie reçue diminue vers les
hautes latitudes.
Qu’est ce qui explique les saisons ?
Pour une latitude donnée, la quantité d’énergie solaire varie aussi au cours de l’année. Cette variation
s’explique par l’inclinaison de l’axe de rotation de la Terre. On distingue 4 moments particuliers :
Les solstices d’été et d’hiver
Les équinoxes de printemps et d’automne