Lycée · 1ʳᵉ · Enseignement scientifique
Le bilan radiatif terrestre
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 »).
À propos de cette page
Choisis ton niveau. Questions et réponses mélangées à chaque partie. Bonne chance !
Les 36 questions du QCM en version texte
Pour réviser sans écran ou imprimer : chaque question avec ses propositions ; la bonne réponse et son explication se déplient.
Niveau facile — 12 questions
La constante solaire $S_0$ représente :
- A. La température du Soleil
- B. La puissance solaire reçue par unité de surface à la limite de l'atmosphère terrestre
- C. La puissance totale émise par le Soleil
- D. La vitesse de propagation de la lumière
Réponse
B. La puissance solaire reçue par unité de surface à la limite de l'atmosphère terrestre — $S_0 \approx 1361$ W·m⁻² est la puissance du rayonnement solaire reçue par m² perpendiculairement aux rayons, à la limite supérieure de l'atmosphère.
L'albédo d'une surface est :
- A. La puissance rayonnée par la surface
- B. La fraction de l'énergie solaire absorbée par la surface
- C. La fraction de l'énergie solaire réfléchie par la surface
- D. La température de la surface
Réponse
C. La fraction de l'énergie solaire réfléchie par la surface — L'albédo α = énergie réfléchie / énergie incidente. Plus la surface est claire, plus l'albédo est élevé.
L'albédo moyen de la Terre est d'environ :
- A. 0,10
- B. 0,30
- C. 0,60
- D. 0,90
Réponse
B. 0,30 — L'albédo moyen de la Terre est α ≈ 0,30 : environ 30 % du rayonnement solaire incident est réfléchi vers l'espace.
Quelle surface a l'albédo le plus élevé ?
- A. Forêt
- B. Océan
- C. Neige fraîche
- D. Désert sableux
Réponse
C. Neige fraîche — La neige fraîche a un albédo de 0,80-0,90, le plus élevé parmi les surfaces naturelles.
Dans quel domaine spectral la Terre émet-elle principalement son rayonnement thermique ?
- A. Ultraviolet
- B. Visible
- C. Infrarouge
- D. Micro-ondes
Réponse
C. Infrarouge — La Terre (~288 K) émet principalement dans l'infrarouge (8-100 µm), contrairement au Soleil (~6000 K) qui émet dans le visible.
La loi de Stefan-Boltzmann relie :
- A. L'albédo à la température
- B. La puissance rayonnée par unité de surface à la température
- C. La constante solaire à la distance Terre-Soleil
- D. La concentration en CO₂ à la température
Réponse
B. La puissance rayonnée par unité de surface à la température — La loi de Stefan-Boltzmann : $F = \sigma T^4$, où F est la puissance rayonnée par m² et T la température absolue en K.
Quelle est la valeur de la constante de Stefan-Boltzmann σ ?
- A. $3,0 \times 10^{8}$ W·m⁻²·K⁻⁴
- B. $5,67 \times 10^{-8}$ W·m⁻²·K⁻⁴
- C. $1,38 \times 10^{-23}$ W·m⁻²·K⁻⁴
- D. $6,67 \times 10^{-11}$ W·m⁻²·K⁻⁴
Réponse
B. $5,67 \times 10^{-8}$ W·m⁻²·K⁻⁴ — σ = 5,67 × 10⁻⁸ W·m⁻²·K⁻⁴ est la constante de Stefan-Boltzmann.
L'effet de serre naturel permet de :
- A. Réfléchir le rayonnement solaire
- B. Réchauffer la surface terrestre d'environ 33 °C par rapport à une Terre sans atmosphère
- C. Refroidir l'atmosphère
- D. Absorber tout le rayonnement ultraviolet
Réponse
B. Réchauffer la surface terrestre d'environ 33 °C par rapport à une Terre sans atmosphère — Sans effet de serre, la Terre serait à −18 °C. Grâce aux GES, elle est à +15 °C en moyenne, soit +33 °C.
Lequel de ces gaz n'est PAS un gaz à effet de serre important ?
- A. CO₂
- B. CH₄
- C. N₂
- D. H₂O
Réponse
C. N₂ — Le diazote N₂ est le principal composant de l'atmosphère mais n'est pas un gaz à effet de serre. CO₂, CH₄ et H₂O en sont.
La puissance solaire reçue en moyenne par unité de surface terrestre est :
- A. $S_0$
- B. $S_0/2$
- C. $S_0/4$
- D. $2S_0$
Réponse
C. $S_0/4$ — La Terre intercepte un disque (aire πR²) mais répartit l'énergie sur une sphère (4πR²), donc la puissance moyenne est $S_0/4 \approx 340$ W·m⁻².
À l'équilibre radiatif, le bilan énergétique de la Terre est :
- A. Positif (absorbe plus qu'elle n'émet)
- B. Nul (absorbe autant qu'elle émet)
- C. Négatif (émet plus qu'elle n'absorbe)
- D. Variable selon les saisons
Réponse
B. Nul (absorbe autant qu'elle émet) — À l'équilibre climatique, la Terre absorbe et émet la même quantité d'énergie : le bilan radiatif est nul.
Le principal gaz à effet de serre d'origine anthropique est :
- A. La vapeur d'eau
- B. Le dioxyde de carbone CO₂
- C. Le méthane CH₄
- D. Le protoxyde d'azote N₂O
Réponse
B. Le dioxyde de carbone CO₂ — Bien que la vapeur d'eau soit le GES le plus abondant, elle n'est pas directement émise par l'Homme. Le CO₂ est le principal GES d'origine humaine.
Niveau moyen — 12 questions
Avec $S_0 = 1361$ W·m⁻² et $\alpha = 0{,}30$, la puissance absorbée par la Terre vaut :
- A. $1361$ W·m⁻²
- B. $340$ W·m⁻²
- C. $238$ W·m⁻²
- D. $952$ W·m⁻²
Réponse
C. $238$ W·m⁻² — $F_{abs} = (1-0{,}30) \times 1361/4 = 0{,}70 \times 340 \approx 238$ W·m⁻².
La température d'équilibre de la Terre sans atmosphère est approximativement :
- A. -18 °C (255 K)
- B. 15 °C (288 K)
- C. -273 °C (0 K)
- D. 30 °C (303 K)
Réponse
A. -18 °C (255 K) — Sans atmosphère, $T_e \approx 255$ K = −18 °C. L'effet de serre réel porte la température à +15 °C.
Si l'albédo terrestre augmente (par ex. enneigement accru), la température d'équilibre :
- A. Augmente
- B. Reste inchangée
- C. Diminue
- D. Double
Réponse
C. Diminue — Un albédo plus élevé → plus de rayonnement réfléchi → moins absorbé → $T_e$ plus basse.
Selon la loi de Wien, un corps plus chaud émet :
- A. À des longueurs d'onde plus longues
- B. À des longueurs d'onde plus courtes
- C. Avec la même longueur d'onde mais plus d'intensité
- D. Uniquement dans l'ultraviolet
Réponse
B. À des longueurs d'onde plus courtes — Loi de Wien : $\lambda_{max} = 2{,}898 \times 10^{-3} / T$. Plus T est grand, plus λ_max est petit (longueur d'onde plus courte).
Un forçage radiatif positif de $+3{,}7$ W·m⁻² signifie que :
- A. La Terre émet 3,7 W·m⁻² de plus vers l'espace
- B. La Terre absorbe 3,7 W·m⁻² de plus qu'elle n'émet
- C. L'albédo augmente de 3,7 %
- D. La constante solaire augmente de 3,7 W·m⁻²
Réponse
B. La Terre absorbe 3,7 W·m⁻² de plus qu'elle n'émet — Un forçage positif = déséquilibre radiatif positif : la Terre accumule de l'énergie et se réchauffe jusqu'à un nouvel équilibre.
Laquelle de ces formules donne correctement la température d'équilibre ?
- A. $T_e = \frac{S_0}{4\sigma}$
- B. $T_e = \left(\frac{(1-\alpha)S_0}{4\sigma}\right)^{1/4}$
- C. $T_e = \alpha \cdot \sigma \cdot S_0$
- D. $T_e = \frac{4\sigma}{(1-\alpha)S_0}$
Réponse
B. $T_e = \left(\frac{(1-\alpha)S_0}{4\sigma}\right)^{1/4}$ — À l'équilibre : $(1-\alpha)S_0/4 = \sigma T_e^4$, donc $T_e = [(1-\alpha)S_0/(4\sigma)]^{1/4}$.
Quelle est la puissance rayonnée par un corps noir à $T = 200$ K (utilise $\sigma = 5{,}67 \times 10^{-8}$ W·m⁻²·K⁻⁴) ?
- A. Environ 91 W·m⁻²
- B. Environ 459 W·m⁻²
- C. Environ 1134 W·m⁻²
- D. Environ 18 W·m⁻²
Réponse
A. Environ 91 W·m⁻² — $F = 5{,}67 \times 10^{-8} \times 200^4 = 5{,}67 \times 10^{-8} \times 1{,}6 \times 10^9 \approx 91$ W·m⁻².
Les aérosols industriels (poussières, sulfates) ont pour effet principal sur le bilan radiatif de :
- A. Augmenter l'effet de serre
- B. Augmenter l'albédo et refroidir légèrement le climat
- C. Augmenter l'absorption infrarouge
- D. Diminuer la constante solaire
Réponse
B. Augmenter l'albédo et refroidir légèrement le climat — Les aérosols réfléchissent la lumière solaire et servent de noyaux de condensation pour les nuages → augmentation de l'albédo → refroidissement.
90 % de l'excès d'énergie lié au déséquilibre radiatif actuel est absorbé par :
- A. L'atmosphère
- B. Les calottes glaciaires
- C. Les océans
- D. Les continents
Réponse
C. Les océans — Les océans ont une très grande capacité thermique et absorbent environ 90 % de l'excès d'énergie dû au déséquilibre radiatif.
La loi de Wien permet de calculer :
- A. La puissance rayonnée totale
- B. La longueur d'onde d'émission maximale
- C. La température d'équilibre de la Terre
- D. La valeur de l'albédo
Réponse
B. La longueur d'onde d'émission maximale — Loi de Wien : $\lambda_{max} = 2{,}898 \times 10^{-3} / T$. Elle donne la longueur d'onde pour laquelle l'émission est maximale.
La concentration en CO₂ atmosphérique est passée d'environ ___ ppm avant l'ère industrielle à plus de 420 ppm en 2023.
- A. 180
- B. 210
- C. 280
- D. 350
Réponse
C. 280 — La concentration préindustrielle en CO₂ était d'environ 280 ppm. Elle dépasse 420 ppm en 2023, soit une augmentation de 50 %.
La puissance totale émise par la Terre de rayon $R_T$ est :
- A. $\pi R_T^2 \sigma T^4$
- B. $2\pi R_T^2 \sigma T^4$
- C. $4\pi R_T^2 \sigma T^4$
- D. $\sigma T^4$
Réponse
C. $4\pi R_T^2 \sigma T^4$ — La Terre (sphère de rayon $R_T$) émet sur toute sa surface : $P = 4\pi R_T^2 \times \sigma T^4$.
Niveau difficile — 12 questions
Si la constante solaire $S_0$ diminuait de 2 % et si l'albédo restait constant à 0,30, la nouvelle puissance absorbée par la Terre serait :
- A. Augmentée de 2 %
- B. Diminuée de 2 %
- C. Inchangée
- D. Diminuée de 0,6 %
Réponse
B. Diminuée de 2 % — $F_{abs} = (1-\alpha)S_0/4$. Si $S_0$ diminue de 2 %, $F_{abs}$ diminue aussi de 2 % car α ne change pas.
La rétroaction positive 'vapeur d'eau' s'explique par le fait que :
- A. Plus de vapeur d'eau → plus d'albédo → refroidissement
- B. Plus de chaleur → plus d'évaporation → plus de vapeur d'eau (GES) → réchauffement amplifié
- C. Plus de vapeur d'eau → plus de nuages → moins d'effet de serre
- D. La vapeur d'eau absorbe le rayonnement visible
Réponse
B. Plus de chaleur → plus d'évaporation → plus de vapeur d'eau (GES) → réchauffement amplifié — La vapeur d'eau est un puissant GES. Un réchauffement initial augmente l'évaporation → plus de vapeur d'eau → effet de serre plus fort → amplification du réchauffement.
Si $T_e = 255$ K sans atmosphère et que la température réelle est 288 K, le flux infrarouge supplémentaire dû à l'effet de serre est approximativement :
- A. $\sigma(288^4 - 255^4)$ W·m⁻²
- B. $\sigma \times 288^4$ W·m⁻²
- C. $(288 - 255) \times \sigma$ W·m⁻²
- D. $\sigma(288 - 255)^4$ W·m⁻²
Réponse
A. $\sigma(288^4 - 255^4)$ W·m⁻² — La puissance rayonnée à 288 K est $\sigma \times 288^4$ et à 255 K est $\sigma \times 255^4$. L'excès dû à l'effet de serre est $\sigma(288^4 - 255^4)$.
Lequel de ces phénomènes constitue une rétroaction NÉGATIVE sur le changement climatique ?
- A. Fonte des glaces polaires → albédo diminue
- B. Réchauffement → plus d'évaporation → plus de vapeur d'eau GES
- C. Formation de nuages plus abondants → albédo augmente → moins d'absorption solaire
- D. Dégel du permafrost → libération de méthane
Réponse
C. Formation de nuages plus abondants → albédo augmente → moins d'absorption solaire — Une rétroaction négative s'oppose au changement initial. Plus de nuages → albédo plus élevé → moins d'énergie absorbée → atténuation du réchauffement.
Le forçage radiatif dû au doublement du CO₂ est +3,7 W·m⁻². Si la sensibilité climatique est de 3 °C par W·m⁻² (× 3,7 / 3,7 = facteur de transposition), le réchauffement associé serait :
- A. 1,2 °C
- B. 3 °C
- C. 3,7 °C
- D. 11,1 °C
Réponse
B. 3 °C — La sensibilité climatique est exprimée en °C pour un doublement du CO₂. Les modèles estiment ce réchauffement entre 2,5 et 4 °C, avec une valeur probable d'environ 3 °C.
Pour une Terre sans atmosphère mais avec α = 0, la puissance absorbée serait égale à :
- A. 0
- B. $S_0$
- C. $S_0/4$
- D. $S_0/2$
Réponse
C. $S_0/4$ — Sans atmosphère et avec α = 0 (pas de réflexion) : $F_{abs} = (1-0) \times S_0/4 = S_0/4 \approx 340$ W·m⁻².
La dilatation thermique des océans est une conséquence du déséquilibre radiatif car :
- A. Les océans réfléchissent plus de lumière en se réchauffant
- B. L'eau augmente de volume quand sa température augmente
- C. Les océans émettent plus d'infrarouge en se réchauffant
- D. Les océans absorbent plus d'ultraviolet
Réponse
B. L'eau augmente de volume quand sa température augmente — L'eau se dilate thermiquement : quand sa température augmente, son volume augmente, ce qui contribue à l'élévation du niveau de la mer.
Dans la formule $T_e = [(1-\alpha)S_0/(4\sigma)]^{1/4}$, si α double (de 0,15 à 0,30), la température d'équilibre :
- A. Double
- B. Diminue d'un facteur $2^{1/4}$
- C. Diminue d'un facteur $(0{,}70/0{,}85)^{1/4}$
- D. Augmente
Réponse
C. Diminue d'un facteur $(0{,}70/0{,}85)^{1/4}$ — $T_e \propto (1-\alpha)^{1/4}$. Si α passe de 0,15 à 0,30, alors $(1-\alpha)$ passe de 0,85 à 0,70 et $T_e$ est multipliée par $(0{,}70/0{,}85)^{1/4} < 1$, donc diminue.
Les satellites mesurent actuellement un déséquilibre radiatif d'environ +0,7 W·m⁻². Ce déséquilibre indique que :
- A. La Terre refroidit
- B. La Terre est à l'équilibre
- C. La Terre accumule de l'énergie et va continuer à se réchauffer
- D. La constante solaire augmente
Réponse
C. La Terre accumule de l'énergie et va continuer à se réchauffer — Un déséquilibre positif (+0,7 W·m⁻²) signifie que la Terre absorbe plus qu'elle n'émet. Elle accumule de l'énergie et sa température va continuer à augmenter.
Le rapport entre la surface d'interception (disque) et la surface totale de la Terre (sphère) vaut :
- A. 1/2
- B. 1/4
- C. 1/3
- D. π
Réponse
B. 1/4 — Disque : $\pi R^2$. Sphère : $4\pi R^2$. Rapport = $\pi R^2 / (4\pi R^2) = 1/4$. D'où le facteur 4 dans $S_0/4$.
Le pouvoir de réchauffement global (PRG) du méthane sur 100 ans est d'environ 28. Cela signifie que :
- A. CH₄ est 28 fois plus concentré que CO₂
- B. 1 kg de CH₄ a un effet de serre 28 fois plus grand que 1 kg de CO₂
- C. CH₄ dure 28 ans dans l'atmosphère
- D. CH₄ absorbe 28 fois plus d'énergie que CO₂ par molécule
Réponse
B. 1 kg de CH₄ a un effet de serre 28 fois plus grand que 1 kg de CO₂ — Le PRG compare l'effet de réchauffement de 1 kg d'un gaz à celui de 1 kg de CO₂ sur 100 ans. PRG(CH₄)=28 : 1 kg de méthane a le même effet que 28 kg de CO₂.
L'ozone stratosphérique joue quel rôle dans le bilan radiatif terrestre ?
- A. Il absorbe le rayonnement infrarouge terrestre
- B. Il absorbe le rayonnement ultraviolet solaire avant qu'il n'atteigne la surface
- C. Il augmente l'albédo de l'atmosphère
- D. Il émet du rayonnement dans le visible
Réponse
B. Il absorbe le rayonnement ultraviolet solaire avant qu'il n'atteigne la surface — L'ozone stratosphérique (couche d'ozone) absorbe environ 97-99 % du rayonnement UV solaire, protégeant les êtres vivants. Il joue un rôle dans le bilan radiatif en modulant l'UV atteignant la surface.
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