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ACTIVITÉ NUMÉRIQUE DE GROUPE


Modélisation de l'effet de serre : apports et limites




L’effet de serre explique pourquoi la Terre présente une température moyenne de 15 °C alors que l’énergie reçue du Soleil nous permet de prévoir une température de seulement -18 °C. La connaissance de cet effet thermique s’est construite progressivement au cours de l’histoire des sciences, et en grande partie grâce à l’élaboration de modèles.


➜ Quels sont apports et les limites de la construction d’un modèle pour comprendre un phénomène naturel ?


Doc. 1
L'héliothermomètre De Saussure (1780)


ES5.INF25_V3
    Schéma du dispositif

L’héliothermomètre, construit par Horace Benedict De Saussure, est constitué de trois caisses emboîtées les unes dans les autres. Chaque caisse, faite d’une structure en sapin doublée par une couche de liège isolante, est noircie sur ses faces intérieures pour limiter les pertes de chaleur par réflexion ; la caisse est fermée par une plaque de verre et renferme un thermomètre. Par ce système, De Saussure enregistre une température maximale de 109,6 °C dans la caisse la plus interne.

Doc. 2
Les conclusions de Fourier suite à l’expérience de De Saussure (1827)

« La théorie de cet instrument est facile à concevoir. Il suffit de remarquer :
– que la chaleur acquise se concentre, parce qu’elle n’est point dissipée immédiatement par le renouvellement de l’air ;
– que la chaleur émanée du Soleil a des propriétés différentes de celles de la chaleur obscure.
Les rayons de cet astre se transmettent en assez grande partie au-delà des verres dans toutes les capacités et jusqu’au fond de la boîte. Ils échauffent l’air et les parois qui le contiennent: alors leur chaleur ainsi communiquée cesse d’être lumineuse ; elle ne conserve que les propriétés communes de la chaleur rayonnante obscure. Dans cet état, elle ne peut traverser librement les plans de verre qui couvrent le vase ; elle s’accumule de plus en plus dans une capacité enveloppée d’une matière très peu conductrice, et la température s’élève jusqu’à ce que la chaleur affluente soit exactement compensée par celle qui se dissipe. »

Mémoire sur les températures du globe terrestre et des espaces planétaires, Joseph Fourier.

Doc. 3
Dispositif et résultats d'une modélisation réalisable en classe

ES5.INF26_V3
    Dispositif d'une modélisation réalisable en classe


Flacon \rightarrow
\downarrow Lampe
Flacon témoin Flacon expérimental
À infrarouges 41,5 °C 47,5 °C
À spectre large, centré sur les infrarouges 32 °C 33,5 °C
    Résultats obtenus. Les valeurs indiquées sont des moyennes obtenues sur l'ensemble des résultats d'une classe.

Doc. 4
Les notes du professeur Robert Williams Wood

En 1909, dans ses notes sur l’effet de serre, le professeur Robert Williams Wood discute du modèle construit par De Saussure. On estime que cet effet thermique, décrit par le Professeur R.W. Wood, est environ quatre fois plus important que l'absorption du rayonnement infrarouge par le verre.

« Il me semble beaucoup plus probable que le rôle joué par le verre est d'empêcher la sortie d'air réchauffé par le sol dans l'enceinte. […] ». Pour vérifier ce point, il construit : « deux enceintes avec du carton noir, l'une avec un couvercle de verre (transparente au visible et opaque aux infrarouges), l'autre avec un couvercle de halite (transparente au visible et aux infrarouges) d'égale épaisseur. Un thermomètre a été inséré dans chaque enceinte […]. Une fois exposé au soleil, […] il n'y a plus qu'une différence de température d'à peine un degré entre les deux enceintes. La température maximale atteinte est d'environ 55 °C. Ceci nous montre que la perte d'énergie par rayonnement du sol est très faible par rapport à la perte par convection, en d'autres termes que nous gagnons très peu par emprisonnement du rayonnement […] ».

R.W. Wood (Note on the Theory of the Greenhouse, publié dans le London, Edinborough and Dublin Philosophical Magazine, 1909, vol. 17, p. 319-320)

Doc. 5
Frise chronologique

Eras

    Évènements

    1. 1780 - :De Saussure | Il construit un modèle, l’héliothermomètre, et présente l’analogie entre le vitrage d’une serre et l’enveloppe atmosphérique terrestre.
    2. 1824 - :Fourier | Il définit l’importance de l’atmosphère dans la mise en place des conditions thermiques de surface de la Terre.
    3. 1838 - :Pouillet | Calcul de la constante solaire.
    4. 1859 - :Tyndall | Il travaille sur les propriétés des gaz atmosphériques et définit les gaz à effet de serre.

    Groupe 1
    Analyse critique du modèle de De Saussure


    Questions

    1. Doc. 1 et 2 Comparer l’interprétation faite par Fourier aux résultats obtenus par De Saussure



    2. Doc. 4 Présenter l’expérience mise en place par le professeur Wood (objectif, paramètre variable, mesuré) et ses résultats sous forme de schéma.

    Couleurs
    Formes
    Dessinez ici


    3. Doc. 4 Montrer comment les résultats obtenus par Wood permettent d’apporter une analyse critique au modèle de De Saussure.

    Groupe 2
    Analyse critique du modèle « en classe »


    Questions

    1. Doc. 4 Présenter l’expérience de modélisation en classe (objectif, paramètre variable, paramètre mesuré) et ses résultats sous forme de schéma.

    Couleurs
    Formes
    Dessinez ici


    2. Doc. 3 et 4 Montrer comment ces résultats permettent de préciser les limites du modèle et des résultats présentés dans le document 4.

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