I. L’interaction entre la Terre et le rayonnement solaire 1. La puissance solaire reçue sur Terre Rappel : La puissance solaire (ou radiation) par unité la puissance solaire par unité de surface Psurfacique au niveau de la Terre sachant que : - Le Soleil émet sa puissance Ptotale dans toutes les directions de l’espace ; - à une distance D, cette puissance est uniformément répartie sur une sphère (fictive) de rayon D ; - La surface de cette sphère est Ssphère =4×π×D2 - La puissance surfacique est égale au rapport de la puissance totale émise par le Soleil par la surface de cette sphère. L’expression de la puissance solaire par unité de surface au niveau de la Terre est donc : Psolairesurfacique = Ptotale/ Ssphère = Ptotale/ 4×π×D2 La puissance reçue par la Terre Preçue sachant que : - Le rayonnement qui atteint la surface terrestre traverse un disque (fictif) de rayon égal au rayon de la terre RT. - La surface de ce disque est Sdisque =π ×RT^2 - La puissance reçue est égale au produit de la puissance surfacique et de la surface de ce disque. L’expression de la puissance reçue par la Terre est donc : Preçue =Psolairesurfacique × Sdisque =Psolairesurfacique ×π×RT^2 D’où : Preçue = Ptotale×RT2/ 4×D2 = RT2 × Ptotale/ 4×D2 La puissance solaire reçue par un astre dépend essentiellement de deux paramètres : son rayonnement et la distance entre le Soleil et l’objet éclairé. - Plus son rayon est grand, et plus la puissance solaire reçue est élevée. - Plus la distance entre le Soleil et l’astre est grande, et plus la puissance solaire reçue par unité surface est faible. Lorsque la distance par rapport à la source lumineuse double, la quantité d’énergie reçue est dispersée sur une surface 4 fois plus grande Exemple de calcul pour la Terre : Surface du disque : πr2 = π × 6 371 0002 = 1,275 × 1014 m2. La Terre reçoit sur une surface d’un mètre carré perpendiculaire au rayonnement incident une puissance de 1 368 W ⋅m–2. Soit une puissance solaire totale de : 1 368 × 1,275 × 1014 = 1,744 × 1017 W. Le Soleil émettant 3,85 × 1026 joules à chaque seconde, cela correspond à une puissance de 3,85 × 1026 W. La Terre reçoit donc un pourcentage de l’énergie émise par le Soleil 1.744×1017 3.85×1026 ×100=0.453 × 10−9 ×100= 0,453 × 10–7 % 2. Calculer la valeur de la puissance solaire moyenne reçue sur une surface d’un mètre carré de la sphère terrestre ? La puissance moyenne reçue sur une surface d’un mètre carré de la Terre dépend de la quantité totale de puissance incidente précédemment calculée ainsi que de la surface de la sphère terrestre : en effet, puisque la Terre est sphérique et en rotation sur elle-même, la puissance solaire reçue totale se répartit non pas sur un disque mais sur une sphère. Surface de la sphère terrestre : Ssphère terrestre = 4πr2= 4 × 1,275 × 1014 = 5,100 × 1014 m2. La puissance moyenne reçue par 1 mètre carré de la sphère terrestre est donc : 1.74×1017 5.100×1014 = 341 W · m–2 3. Proposer une hypothèse pour expliquer la différence de puissance solaire reçue par la Terre et Vénus ? La puissance solaire reçue par Vénus (égale à 3 140 W · m–2) est supérieure à celle de la Terre (égale à 1 368 W · m–2). Cette différence peut s’expliquer par la distance au Soleil : Vénus étant plus proche du Soleil (108,2 millions de km) que la Terre (150 millions de km), la puissance qu’elle en reçoit est plus importante. 4. Confronter votre hypothèse aux résultats expérimentaux obtenus (doc.3) Ce graphique ressemble à celui du document précédent : plus la distance à la source lumineuse augmente, plus la puissance reçue diminue. On peut donc valider l’hypothèse selon laquelle la puissance solaire reçue par un objet est déterminée par sa distance au Soleil. 5. Rédiger un bilan présentant les paramètres qui contrôlent la quantité d’énergie solaire reçue par une planète comme la Terre. La quantité d’énergie solaire reçue par une planète comme la Terre dépend donc de sa distance au Soleil : plus la planète est proche et plus elle reçoit d’énergie. Le second paramètre est son rayon : plus la planète a une grande surface et plus elle intercepte une grande quantité d’énergie. L’albédo A est le rapport de la puissance de rayonnement réfléchie (Préfléchie)par une surface par la puissance de rayonnement reçue (Preçue) A= Préfléchie(W/ Preçue(W L’albédo est un nombre sans unité, comprise entre 0 et 1, qui peut être exprimé en pourcentage. Exemple : un corps qui serait d’un blanc absolu aurait un albédo de 100% (toute l’énergie reçue serait diffusée). Inversement, un corps d’un noir absolu aurait un albédo de 0% (toute l’énergie serait absorbée et rien ne serait diffusé). L’albédo terrestre dépend de la nature de la surface qui réfléchit le rayonnement (océan, glace, forêt, roches, ect.) et de la couverture nuageuse. L’albédo terrestre moyen est A = 30%. Formule : Puissance solaire reçue par le sol compte tenu de l’albédo La puissance solaire reçue par le sol compte tenu de l’albédo A est donnée par la relation : Psol = Preçue −Préfléchie Avec : Préfléchie =A×Preçue Soit : Psol = Preçue −A×Preçue Psol =(1−A)×Preçue 1. Expliquer en schéma en quoi l’atmosphère participe à la différence observée : l’atmosphère joue un double rôle vis-à-vis de la différence observée : d’une part, il réfléchit une partie de la puissance solaire reçue et, d’autre part, il en absorbe environ 20 % (soit 342 × 0,2 = 68,4 soit environ 70 W · m–2) du fait de la présence de certains gaz comme la vapeur d’eau et le dioxyde de carbone, notamment dans l’infrarouge. 2. Estimer l’albédo moyen de la surface terrestre Exemple de calcul Pour la glace, l’albédo a pour valeur : albédo (glace) = quantité de lumière réfléchie/quantité de lumière incidente albédo (glace) = 137/180 = 0,761 L’albédo moyen de la Terre dépend de la proportion de ces différentes surfaces indiquée dans le doc d. albédo moyen de la Terre = (0,761 × 0,05) + (0,31× 0,17) + (0,17 × 0,1) + (0,11 × 0,48) + (0,667 × 0,2) albédo moyen de la Terre = 0,29. La Terre a donc un albédo moyen de 0,3 environ. II. Le rôle de l’atmosphère dans l’absorption de l’énergie solaire 1. L’effet de serre L’atmosphère absorbe très peu le rayonnement visible; une grande partie du rayonnement infrarouge et une très grande partie d’autres rayonnements (rayons gamme, rayons X, ultraviolets). a. L’absorption de l’énergie solaire reçue L’absorption de l’énergie solaire par l’atmosphère et par la surface de la Terre provoque une augmentation de leur température. L’échauffement de la surface terrestre se traduit par l’émission d’un rayonnement thermique, majoritairement infrarouge (IR). Le maximum d’émission se situe pour des longueurs d’onde proches de 10 μm. b. L’émission d’un rayonnement infrarouge L’effet de serre est un phénomène naturel de réchauffement de la surface terrestre et des couches basses de l’atmosphère. Le rayonnement réfléchi par la Terre parvient en petite partie à l’espace : en effet, l’essentiel de l’énergie est piégé dans l’atmosphère à cause de l’effet de serre. c. L’absorption des IR par l’atmosphère Les gaz à effet de serre (GES) sont des composants gazeux qui absorbent le rayonnement infrarouge émis par la surface terrestre. Des gaz à effet de serre se trouvent dans l’atmosphère et capturent les rayons infrarouge : le sol terrestre et l’atmosphère échangent continuellement de l’énergie sous forme de rayonnement infrarouge. Le sol émet un rayonnement électromagnétique dans le domaine infrarouge de longueur d’onde λ≈10μmprovoqué par les rayonnements qu’il absorbe. La puissance par unité de surface de ce rayonnement augmente avec la température. 2. L’équilibre dynamique Sans effet de serre, la température moyenne à la surface de la Terre serait de -18°C au lieu de +15°C. La température moyenne de sol est constante, car la puissance totale qu’il reçoit, provenant du Soleil et de l’atmosphère, est égale à la puissance moyenne qu’il émet. On parle alors d’équilibre dynamique. III. La répartition de la puissance solaire reçue La répartition de la puissance solaire reçue sur Terre correspond au bilan radiatif terrestre Bilan radiatif terrestre est la comparaison entre l’énergie parvenant au sol terrestre et l’énergie qui en part. III. La répartition de la puissance solaire reçue La répartition de la puissance solaire reçue sur Terre correspond au bilan radiatif terrestre Bilan radiatif terrestre est la comparaison entre l’énergie parvenant au sol terrestre et l’énergie qui en part. Le schéma peut être utilisé pour effectuer des bilans quantitatifs des puissances thermiques associées à tous les transferts thermiques reçus et perdus par différents systèmes : • la Terre seule, sans l’atmosphère ; • l’atmosphère seule ; • l’ensemble Terre et atmosphère. Tous ces systèmes sont dans un équilibre énergétique dynamique donc chacun d’eux vérifie : Puissance reçue (absorbée) = Puissance émise En utilisant le schéma de la figure 1, on vérifie numériquement cette relation. . Pour le système « Terre » (sol et en dessous) 168 W/m2 + 324 W/m2 = 492 W/m2 avec 492 W/m2 = 452 W/m2 + 40 W/m2 Pour le système « atmosphère » : 67 W/m2 + 452 W/m2 = 324 W/m2 + 195 W/m2 Pour le système « Terre + atmosphère » : 342 W/m2 = (77 W/m2 + 30 W/m2) + (67 W/m2 + 168 W/m2) = 107 W/m2 + 235 W/m2 1. Dans l’exercice précédent, on a estimé à 1 346 W. m–2 la puissance solaire reçue au sommet de l’atmosphère. Pour évaluer la puissance solaire absorbée et réfléchie par l’atmosphère, on doit évaluer la surface située sous la courbe bleue et la soustraire à la valeur précédente : 1. On obtient une surface totale de : 0,1 × (527 + 1 000 + 1 570 + 1 435 +1 000 + 726 + 658 + 321 + 405 + 267 + 277 + 122 +275 + 272 + 120 + 38+ 17 + 102 + 95 + 41) = 926,8 soit 927 W.m–2 . 1 346 – 927 = 419 La puissance solaire absorbée et réfléchie par l’atmosphère est donc de 419 W. m–2 soit environ 30 % de la puissance solaire totale reçue. 2. On peut répondre sous la forme d’un tableau en s’aidant de l’exercice précédent : La différence entre la puissance solaire reçue au sommet de l’atmosphère et celle reçue au sol est donc plus importante dans le domaine du visible et dans le domaine des IR