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Le coin des experts




9
Orbite elliptique et climat

Déterminer la puissance reçue par le sol à partir de l'albédo


Tracé de quelques ellipses selon la valeur de e
1
Tracé de quelques ellipses selon la valeur de e.
Une ellipse est caractérisée par un paramètre appelé excentricité et noté ee. Pour l’orbite terrestre, l’excentricité est relativement faible (elle varie entre 0,005 et 0,058). Actuellement, ee == 0,017. Plus la valeur de ee se rapproche de 0, plus l’ellipse se rapproche d’un cercle.

Schématisation de l’orbite terrestre autour du Soleil
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Schématisation de l’orbite terrestre autour du Soleil.
On a représenté la Terre au périhélie et à l’aphélie sans respecter les dimensions relatives des astres.

Questions

1. Entre l’aphélie et le périhélie, quelle portion correspond à un maximum de puissance solaire reçue ?


2. Si l’on note rra la distance entre le Soleil et la Terre à l’aphélie et rrp cette distance au périhélie, on peut montrer que : rarp=1+e1e.\dfrac{r_{\mathrm{a}}}{r_{\mathrm{p}}}=\dfrac{1+e}{1-e}.
Déterminez la valeur actuelle du rapport rarp.\dfrac{r_{\mathrm{a}}}{r_{\mathrm{p}}}.


3. Déterminez la valeur numérique de ce rapport lorsque l’excentricité atteint sa valeur maximale (0,058). Déduisez-en le pourcentage de puissance solaire supplémentaire interceptée par la Terre au périhélie par rapport à l'aphélie.


4. On considère une configuration où, comme actuellement, l'aphélie correspond au solstice d'hiver dans l'hémisphère sud. Comparez qualitativement les saisons actuelles à celles observées lorsque la valeur de ee est maximale.

La Terre ne décrit pas une trajectoire rigoureusement circulaire autour du Soleil. En réalité, la Terre se déplace sur une ellipse, qui est une forme géométrique qui rappelle l’ovale. Cette trajectoire non circulaire implique que la distance Terre-Soleil n’est pas constante. Le point où la Terre est la plus proche du Soleil est appelé « périhélie », le point où la Terre est la plus éloignée du Soleil est appelé « aphélie ».

C
L’éclipse totale de Soleil de 1999

Exploiter des informations extraites des données

Version initiale (le repaire des initiés, exercice 4) ici
.

Eclipse 1999
La tache d’ombre lors de l’éclipse de 1999.

Questions

1. Le centre de la tache d’ombre est notamment, passé au nord-est de Paris, à Reims. Celle tache de 112 km de diamètre se déplace d’ouest en est à une vitesse de 3 055 km/h. Déterminez la valeur numérique de l’énergie que la Terre n’a pas pu intercepter à cause de la tache d’ombre pendant toute la durée où Reims s’est trouvée plongée dans l’obscurité en sachant que, normalement, la Terre intercepte une puissance émise par le Soleil égale à 1,74 × 1017 W.


2. La consommation annuelle électrique rémoise s’élève à environ 4 × 105 MWh. Combien de temps faudrait-il aux rémois pour consommer autant d’énergie que la valeur calculée à la question précédente ?

Une éclipse totale de Soleil est un événement rare et impressionnant. L’éclipse du 11 août 1999 est considérée comme celle ayant été suivie par le plus d’êtres humains dans toute l’histoire : en effet, elle a traversé des zones très fortement peuplées comme l’Europe et l’Asie.
Une large partie de l’hémisphère nord a été plongée, à un moment de la journée, dans la pénombre. En revanche, seule une petite partie de la surface terrestre a été plongée dans une totale obscurité : une tache complètement noire se déplaçait sur Terre, donnant ainsi aux quelques chanceux sur place la sensation étrange d’observer la tombée de la nuit (puis le lever du jour) en quelques secondes à peine. C’est cette « tache d’ombre » qui va nous intéresser tout au long de cet exercice.

B
La température du sol lunaire

Calculer la proportion de la puissance absorbée par le sol lunaire.

Version initiale (l'atelier des apprentis, exercice 2) ici
.

La face cachée de la Lune
La face cachée de la Lune sur laquelle le module chinois Chang’e 4 s’est posé en janvier 2019.

Les températures du sol lunaire fluctuent entre -170 °C et 130 °C. Une étude américaine récente estime que la température moyenne du sol lunaire calculée sur plusieurs lunaisons s’établit à 271 K, soit -2 °C. La Lune n’a pas d’atmosphère et l’albédo du sol lunaire est de 0,11, soit environ trois fois moins que celui de la Terre.


Questions

1. Le sol lunaire absorbe-t-il une part du rayonnement solaire reçu plus grande ou plus petite que la Terre ? Justifiez.


2. Comment expliquer les grandes fluctuations de température ainsi que la température moyenne plus faible du sol que celle de la Terre qui est de 15 °C environ ?


3. La Terre intercepte une puissance émise par le Soleil égale à PT=1,74×1017P_T = 1,74×1017 W. Sachant que le rayon lunaire est de RL=1737R_L = 1737 km et le rayon terrestre est de RT=6371R_T = 6371 km, calculez la puissance solaire PAbsP_{Abs} absorbée par le sol lunaire.

8
Un des problèmes posés par la fonte des glaces

Déterminer la puissance reçue par le sol à partir de l'albédo

Version apprentis (A) ici
.

Question

Proposez une explication de l’influence de la fonte des glaces sur le réchauffement climatique.

Surface Albédo
Océan
0,05-0,10
Forêt/sol sombre
0,05-0,20
Glace
0,60
Neige fraîche
0,90
1
Albédo de quelques surfaces terrestres.

Évolution de la Mer de Glace (Haute-Savoie) en 1890
Évolution de la Mer de Glace (Haute-Savoie) en 2010


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Évolution de la Mer de Glace (Haute-Savoie) entre 1890 et 2010.

Depuis plus de 30 ans, des surfaces glacées terrestres, comme la banquise arctique, fondent à une vitesse inattendue.

10
Ozone stratosphérique et troposphérique

Commenter la courbe d'absorption de l'atmosphère en fonction de la longueur d'onde


Question

À l’aide de vos connaissances et des documents proposés, montrez que la couche d’ozone, qui absorbe essentiellement les rayonnements solaires incidents, et l’ozone troposphérique, qui absorbe essentiellement les rayonnements terrestres, présentent des effets bien distincts. Démontrez ainsi que l’idée selon laquelle la couche d’ozone est responsable de l’effet de serre est fausse.


Concentration en ozone
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Concentration en ozone en fonction de l’altitude.

Puissance surfacique spectrale du Soleil (6 000 K) et de la Terre (300 K) en fonction de la longueur d’onde

UV : rayonnement ultraviolet, V : rayonnement visible, IR : rayonnement infrarouge.
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Puissance surfacique spectrale du Soleil (6 000 K) et de la Terre (300 K) en fonction de la longueur d’onde.

Capacité d’absorption de l’ozone en fonction de la longueur d’onde

UV : rayonnement ultraviolet, V : rayonnement visible, IR : rayonnement infrarouge.
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Capacité d’absorption de l’ozone en fonction de la longueur d’onde.

L’atmosphère est structurée en couches dont la composition chimique et la température varient avec l’altitude. Dans les basses couches de l’atmosphère, on distingue la troposphère, qui s’étend en moyenne de 0 à 15 km, et la stratosphère qui s’élève jusqu’à 50 km au-dessus du sol. On distingue au sein de ces couches l’ozone troposphérique et stratosphérique. Une idée très largement répandue consiste à dire que la couche d’ozone est responsable de l’effet de serre.
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