Échanges d'énergie entre le Soleil, la Terre et l'espace : comprendre le bilan énergétique qui régule le climat (programme de 1re, thème « Le Soleil, notre source d'énergie »).
Évaluation complète de fin de chapitre, tout en niveau difficile. Travaille seul et sans aide, puis vérifie tes réponses avec le corrigé détaillé dépliable en bas de page.
Exercice 1 — Vocabulaire et lois fondamentales
Corrigé :
1. La constante solaire $S_0 \approx 1361$ W·m⁻² est la puissance du rayonnement solaire reçue par unité de surface perpendiculairement aux rayons, à la limite supérieure de l'atmosphère terrestre. (1 pt)
2. Loi de Stefan-Boltzmann : $F = \sigma T^4$ où $F$ (W·m⁻²) est la puissance rayonnée par unité de surface, $\sigma = 5{,}67 \times 10^{-8}$ W·m⁻²·K⁻⁴ et $T$ la température absolue en kelvins (K). (1,5 pt)
3. L'effet de serre naturel est le mécanisme par lequel certains gaz de l'atmosphère (GES) absorbent le rayonnement infrarouge émis par la Terre et le réémetent en partie vers la surface, augmentant la température d'environ 33 °C. Deux GES : vapeur d'eau (H₂O) et dioxyde de carbone (CO₂). (1,5 pt)
Exercice 2 — Calcul de l'albédo et de l'énergie absorbée
Corrigé :
1. $\alpha = \frac{\text{énergie réfléchie}}{\text{énergie incidente}} = \frac{100}{340} \approx 0{,}29 \approx 0{,}30$. (1,5 pt)
2. Puissance absorbée : $F_{abs} = (1 - 0{,}30) \times 340 = 0{,}70 \times 340 = 238$ W·m⁻². (1,5 pt)
3. Nouvelle puissance absorbée : $F'_{abs} = (1 - 0{,}25) \times 340 = 0{,}75 \times 340 = 255$ W·m⁻². Cela représente une augmentation de $255 - 238 = 17$ W·m⁻² par rapport à la situation initiale, ce qui contribue à un réchauffement supplémentaire (rétroaction positive). (2 pt)
Exercice 3 — Température d'équilibre sans atmosphère
Corrigé :
1. Condition d'équilibre : puissance absorbée = puissance émise, soit $(1-\alpha) \frac{S_0}{4} = \sigma T_e^4$. (1 pt)
2. $T_e^4 = \frac{(1-\alpha)S_0}{4\sigma}$ donc $T_e = \left(\frac{(1-\alpha)S_0}{4\sigma}\right)^{1/4}$. (1 pt)
3. $T_e = \left(\frac{0{,}70 \times 1361}{4 \times 5{,}67 \times 10^{-8}}\right)^{1/4} = \left(\frac{952{,}7}{2{,}268 \times 10^{-7}}\right)^{1/4} = (4{,}203 \times 10^9)^{1/4} \approx 254{,}6 \approx 255$ K $\approx -18$ °C. (2 pt)
4. $T_{réelle} = 288$ K $> T_e = 255$ K : la Terre est plus chaude que la valeur calculée. Cela s'explique par l'effet de serre : les gaz à effet de serre de l'atmosphère réchauffent la surface d'environ 33 °C. (1 pt)
Exercice 4 — Analyse du changement climatique
Corrigé :
1. Augmentation = $\frac{420 - 280}{280} \times 100 = \frac{140}{280} \times 100 = 50$%. La concentration en CO₂ a augmenté de 50 % depuis l'ère préindustrielle. (1 pt)
2. Le CO₂ est un gaz à effet de serre : une plus grande concentration absorbe davantage de rayonnement infrarouge terrestre et en réémet une plus grande fraction vers la surface. Cela réduit l'énergie perdue par la Terre vers l'espace → la Terre absorbe plus qu'elle n'émet → forçage radiatif positif ($\Delta F > 0$). (1,5 pt)
3. Deux conséquences : hausse de la température moyenne mondiale (réchauffement climatique) ; élévation du niveau des mers (dilatation thermique des océans et fonte des glaces). (1,5 pt)
Exercice 5 — Raisonnement sur les rétroactions climatiques
Corrigé :
1. Une rétroaction positive amplifie le changement initial (ex. : réchauffement → plus de vapeur d'eau GES → plus de réchauffement). Une rétroaction négative s'oppose au changement initial et le modère (ex. : réchauffement → plus de nuages → plus d'albédo → moins d'énergie absorbée → modération du réchauffement). (1 pt)
2. La fonte des glaces est une rétroaction positive : le réchauffement fait fondre les glaces (albédo ~0,8) qui sont remplacées par des zones d'eau ou de sol (albédo ~0,1). Ces surfaces absorbent plus d'énergie solaire → réchauffement supplémentaire → fonte accrue. Ce mécanisme amplifie le changement climatique initial. (1 pt)
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