Thème 1 : Une longue histoire de la matière
Ch. 1
Les éléments chimiques
Ch. 2
Des édifices ordonnés : les cristaux
Ch. 3
Une structure complexe : la cellule
Thème 2 : Le Soleil, notre source d'énergie
Ch. 4
Le rayonnement solaire
Ch. 5
Le bilan radiatif terrestre
Ch. 6
Énergie solaire et photosynthèse
Ch. 7
Le bilan thermique du corps humain
Thème 3 : La Terre, un astre singulier
Ch. 8
La forme de la Terre
Ch. 9
L'histoire de l’âge de la Terre
Ch. 10
La Terre dans l’Univers
Thème 4 : Son et musique, porteurs d'information
Ch. 11
Le son, phénomène vibratoire
Ch. 12
Musique et nombres
Ch. 13
Le son, une information à coder
Ch. 14
Entendre la musique
Projet Experimental et Numérique
Livret Maths
Annexes
Chapitre 5
Cours
Le bilan radiatif terrestre
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1La puissance radiative solaire reçue par la Terre
APuissance solaire interceptée par la Terre
Plus de 99,9 % de la puissance reçue par l'atmosphère et la surface terrestre provient du Soleil. Pourtant, la Terre ne reçoit qu'une infime partie (environ un demi-milliardième) de la puissance émise par le Soleil. Cette proportion de la puissance totale est déterminée par le rayon de la Terre et sa distance au Soleil.
La puissance totale interceptée par la Terre est naturellement répartie sur l'ensemble de sa surface par la rotation journalière du globe terrestre.
BLe rôle de l'albédo
Une fraction de la puissance interceptée par la Terre est réfléchie par l'atmosphère et la surface. L'albédo est le rapport de la puissance de rayonnement réfléchi par la puissance de rayonnement reçu. La valeur de l'albédo dépend de la nature de la surface (continents, océans) et de la couverture nuageuse.
La mesure de l'albédo moyen de la Terre (environ 0,30) permet de déterminer la part de la puissance solaire réfléchie vers l'espace, et d'en déduire la part absorbée par la Terre.
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Albédo : pour une surface, rapport de l'énergie des ondes
renvoyées sur l'énergie incidente. Il est de 0 pour un corps
noir parfait et de 0,9 pour la neige.
Effet de serre : réchauffement de l'atmosphère terrestre dû à la rétention du rayonnement émis par la surface terrestre.
Effet de serre : réchauffement de l'atmosphère terrestre dû à la rétention du rayonnement émis par la surface terrestre.
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Les deux principaux acteurs de l'effet de serre sont :
D'autres gaz présents en plus faible quantité participent aussi au phénomène : le méthane (CH4), l'oxyde nitreux (N2O), etc.
- la vapeur d'eau et les gouttelettes d'eau liquide dans les nuages (H2O), à l'origine de près de 75 % du phénomène ;
- le dioxyde de carbone (CO2).
D'autres gaz présents en plus faible quantité participent aussi au phénomène : le méthane (CH4), l'oxyde nitreux (N2O), etc.
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2Le devenir de la puissance transmise
AÉmission d'un rayonnement infrarouge par la Terre
La Terre émet un rayonnement électromagnétique infrarouge dans une gamme de longueurs d'onde centrée sur 10 μm.
BÉquilibre thermique dynamique de la Terre
La Terre émet vers l'espace une puissance moyenne égale à celle qu'elle absorbe. Il s'agit d'un équilibre thermique dynamique stable au cours du temps.
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La température moyenne au sol sur Terre serait de -18 °C sans l'influence de l'atmosphère.
L'effet de serre sur Terre permet au sol de bénéficier d'une température moyenne de 15 °C,
soit un gain global de 33 °C !
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La température moyenne à la surface de la Lune est de -2 °C.
La Lune n'a pas d'atmosphère, donc pas d'effet de serre, mais son albédo faible (0,11) lui
permet d'absorber une plus grande part du rayonnement solaire que la Terre.
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3L'absorption du rayonnement par l'atmosphère
et l'effet de serre
AMise en évidence et origine de l'effet de serre
La température moyenne de la surface terrestre est supérieure à celle calculée d'après l'équilibre thermique de la planète : le rayonnement solaire absorbé n'est
donc pas la seule source de chaleur que reçoit la surface.
L'atmosphère contient des gaz qui absorbent certains rayonnements, essentiellement dans la gamme des infrarouges. L'atmosphère absorbe donc une partie de la puissance émise par la surface et la réémet vers la surface et vers l'espace.
BL'effet de serre et la température de surface
La température moyenne de la surface terrestre (15 °C) est le résultat d'un équilibre dynamique entre, d'une part, l'émission infrarouge de la surface et, d'autre
part, l'absorption du rayonnement solaire et du rayonnement infrarouge issu de l'atmosphère.
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La puissance radiative solaire reçue par la Terre
Puissance solaire interceptée par la Terre
La Terre, de rayon R_T, est située à une distance D du Soleil.
À cette distance, la puissance solaire totale se répartit sur toute une sphère de rayon D, dont la surface vaut 4 \pi \cdot D^{2}.
De toute la puissance répartie sur cette sphère, la Terre en intercepte une proportion, sur une surface égale à \pi \cdot R_{\mathrm{T}}^{2}.
La Terre intercepte donc une proportion \varepsilon de la puissance émise par le Soleil égale à :
\varepsilon=\dfrac{\pi \cdot R_T^{2}}{4 \pi \cdot D^{2}}=\left(\dfrac{R_{\mathrm{T}}}{2 D}\right)^{2}
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Le rôle de l'albédo
Réflexion d'une partie du rayonnement reçu, variant selon l'albédo de chaque région. Par exemple, les glaciers ont un albédo fort. C'est l'albédo moyen de la Terre, atmosphère incluse, qui est indiqué ici.
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La répartition de la puissance solaire reçue
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