ACTIVITÉ DOCUMENTAIRE


5
Les transferts d’énergie au sein de l’atmosphère




Doc. 1
La loi de Wien et puissance spectrale terrestre

La loi de Wien et puissance spectrale terrestre


La loi de Wien appliquée à la Terre, assimilée à un corps noir à une température de 300 K, établit que son spectre d’émission admet un maximum λ\lambdamaxmax = 9,66 μm.
Superposition des spectres d’émission du Soleil (TT == 6 000 K) et de la Terre (TT == 300 K). UV : rayonnement ultraviolet, V : rayonnement visible, IR : rayonnement infrarouge.

Doc. 2
L'émission infrarouge terrestre

L'émission infrarouge terrestre

Carte mondiale de la puissance d’émission de rayonnements infrarouges par la Terre (moyennes annuelles de 2003 à 2010).


Travaux pratiques : modélisez l'évolution du climat.

Cliquez ici pour découvrir le logiciel SimClimat et agir sur les différents acteurs du bilan radiatif et d'en observer les conséquences.

Ressource complémentaire

Cliquez ici pour visionner en animation le rayonnement infrarouge émis au sommet de l'atmosphère du 26 au 27 janvier 2012.


Doc. 5
Température et teneur en CO2 au cours du temps

Température et teneur en CO2 au cours du temps

Évolution de la teneur en dioxyde de carbone dans l’atmosphère et de la température moyenne du globe au cours des 800 dernières années.

Ce que j’ai déjà vu

  • La loi de Wien
  • La composition de l'atmosphère terrestre

Le rayonnement solaire atteignant la Terre (sol et atmosphère) est réfléchi en moyenne à 30 %. Les 70 % restants sont absorbés, essentiellement par le sol. La Terre réémet une puissance équivalente vers l'espace. Cependant, d'après sa température moyenne de 15 °C, on sait que le sol émet un rayonnement équivalent non pas à 70 % mais à 115 % du rayonnement solaire total reçu ! Le sol reçoit donc en supplément une puissance équivalente à 45 % de la puissance solaire.

➜ Comment les propriétés des gaz de l'atmosphère permettent-elles d'expliquer la puissance supplémentaire reçue par le sol ?


Doc. 3
Vers une définition des gaz à effet de serre

Les propriétés d'absorption des gaz atmosphériques, présentées dans l’activité 4, ont été étudiées dès janvier 1859 par le physicien irlandais John Tyndall (voir « un autre regard sur le chapitre 5 »). Il travaille alors sur les « gaz et vapeurs parfaitement incolores et invisibles », aujourd’hui qualifiés de gaz à effet de serre. Il centre ses conclusions sur les molécules d’eau, de dioxyde de carbone et d’ozone qui sont des gaz ayant un fort pouvoir d’absorption des rayonnements infrarouges. Ses expériences démontrent que ces gaz contrôlent très largement la température de surface de la Terre. Il illustre ses conclusions en affirmant que sans vapeur d'eau, la surface de la Terre serait « rapidement prise dans un étau de glace ».


Doc. 4
L'effet de serre

Au sommet de l'atmosphère, on mesure un rayonnement infrarouge de la Terre vers l'espace de 240 W·m-2, la même valeur que la puissance du rayonnement solaire absorbé par la Terre. Cependant, on peut calculer d'après sa température de 15 °C, que le sol émet en moyenne 390 W·m-2 sous forme de rayonnement infrarouge vers l'atmosphère. Une grande partie de ce rayonnement infrarouge est donc absorbée par l'atmosphère. Ainsi réchauffée, l’atmosphère émet son propre rayonnement infrarouge, vers le sol d'une part, et l'espace d'autre part. L'équilibre radiatif implique que le sol reçoit de l'atmosphère la différence 390 - 240 = 150 W·m-2 : c'est ce qu'on appelle « l'effet de serre ».


Questions

1. Exploitez les documents pour montrer que les propriétés de l'atmosphère permettent d’expliquer la puissance supplémentaire reçue par le sol. Vous pouvez schématiser les différents transferts d’énergie présentés pour mieux les visualiser. Cliquez ici pour mieux comprendre ce que sont les infrarouges à l'aide d'une vidéo.


2. Doc. 5 Montrez comment ces données permettent de confirmer le lien direct entre la concentration en CO2\text{CO}_2 dans la basse atmosphère et la température moyenne de surface. Vous pouvez modéliser les conséquences d’une augmentation de la teneur en CO2\text{CO}_2 de l’atmosphère avec le logiciel SimClimat.
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