Lycée · 1ʳᵉ · Enseignement scientifique
Transferts énergétiques dans l'atmosphère
Rayonnement solaire, effet de serre et équilibre thermique — programme Enseignement scientifique 1re (thème : Le Soleil, notre source d'énergie)
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Choisis ton niveau. Questions et réponses mélangées à chaque partie. Bonne chance !
Les 37 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
Quelle est la valeur approximative de la constante solaire $S_0$ ?
- A. 136 W/m²
- B. 1361 W/m²
- C. 13 610 W/m²
- D. 340 W/m²
Réponse
B. 1361 W/m² — La constante solaire vaut S₀ ≈ 1361 W/m² au sommet de l'atmosphère.
Dans quel domaine spectral le rayonnement solaire est-il principalement émis ?
- A. Micro-ondes
- B. Infrarouge
- C. Visible
- D. Ultraviolet
Réponse
C. Visible — Le Soleil (T ≈ 5770 K) émet principalement dans le visible (~500 nm).
Qu'est-ce que l'albédo ?
- A. La quantité d'énergie solaire absorbée
- B. La fraction d'énergie solaire réfléchie
- C. La puissance émise par la Terre
- D. La constante de Stefan-Boltzmann
Réponse
B. La fraction d'énergie solaire réfléchie — L'albédo A = Énergie réfléchie / Énergie incidente, sans unité.
Quelle est la valeur approximative de l'albédo moyen de la Terre ?
- A. 0,10
- B. 0,50
- C. 0,30
- D. 0,70
Réponse
C. 0,30 — L'albédo terrestre moyen est A ≈ 0,30 (30 % de réflexion).
Quel gaz absorbe principalement les ultraviolets solaires dans la stratosphère ?
- A. CO₂
- B. N₂
- C. Ozone (O₃)
- D. Vapeur d'eau
Réponse
C. Ozone (O₃) — La couche d'ozone (stratosphère) absorbe les UV dangereux.
Sans l'effet de serre naturel, quelle serait la température moyenne terrestre ?
- A. 0 °C
- B. -18 °C
- C. −50 °C
- D. −5 °C
Réponse
B. -18 °C — Sans GES, Te ≈ 255 K ≈ −18 °C au lieu de +15 °C.
Lequel de ces gaz est un gaz à effet de serre majeur ?
- A. N₂ (azote)
- B. O₂ (oxygène)
- C. CO₂ (dioxyde de carbone)
- D. Ar (argon)
Réponse
C. CO₂ (dioxyde de carbone) — Le CO₂ est un GES principal ; N₂, O₂ et Ar sont transparents à l'infrarouge.
Quel est le mode de transfert thermique par déplacement de masses d'air ?
- A. Conduction
- B. Rayonnement
- C. Convection
- D. Diffusion
Réponse
C. Convection — La convection est le transfert par déplacement de fluide (air chaud qui monte).
La loi de Wien relie la température d'un corps noir à :
- A. Sa puissance totale émise
- B. Sa longueur d'onde d'émission maximale
- C. Son albédo
- D. Sa capacité calorifique
Réponse
B. Sa longueur d'onde d'émission maximale — Loi de Wien : λmax = b/T. Plus la température est haute, plus λmax est courte.
Quelle surface a l'albédo le plus élevé ?
- A. Forêt
- B. Océan
- C. Neige fraîche
- D. Désert
Réponse
C. Neige fraîche — La neige fraîche a un albédo de 0,80–0,95, le plus élevé parmi ces surfaces.
La puissance moyenne reçue par m² à la surface terrestre (après division par 4) vaut environ :
- A. 1361 W/m²
- B. 680 W/m²
- C. 340 W/m²
- D. 170 W/m²
Réponse
C. 340 W/m² — S₀/4 = 1361/4 ≈ 340 W/m² (en raison de la sphéricité de la Terre).
Dans quel domaine spectral émet principalement la Terre (T ≈ 288 K) ?
- A. Ultraviolet
- B. Visible
- C. Infrarouge proche
- D. Infrarouge moyen
Réponse
D. Infrarouge moyen — λmax = b/288 ≈ 10 µm → infrarouge moyen.
Niveau moyen — 12 questions
La constante de Stefan-Boltzmann $\sigma$ a pour valeur :
- A. $5{,}67 \times 10^{-8}$ W m⁻² K⁻⁴
- B. $5{,}67 \times 10^{-8}$ W m⁻² K⁻³
- C. $2{,}90 \times 10^{-3}$ m·K
- D. $3{,}00 \times 10^8$ m/s
Réponse
A. $5{,}67 \times 10^{-8}$ W m⁻² K⁻⁴ — σ = 5,67×10⁻⁸ W m⁻² K⁻⁴ (loi de Stefan-Boltzmann, P = σT⁴).
La température d'équilibre de la Terre sans atmosphère est donnée par :
- A. $T_e = \frac{S_0}{4\sigma}$
- B. $T_e = \left(\frac{S_0(1-A)}{4\sigma}\right)^{1/4}$
- C. $T_e = \sqrt{\frac{S_0}{4\sigma}}$
- D. $T_e = \frac{S_0 A}{4\sigma}$
Réponse
B. $T_e = \left(\frac{S_0(1-A)}{4\sigma}\right)^{1/4}$ — À l'équilibre : σTe⁴ = S₀(1-A)/4, d'où Te = [S₀(1-A)/(4σ)]^(1/4).
Si l'albédo passe de 0,30 à 0,40, la puissance absorbée par la Terre :
- A. Augmente
- B. Diminue
- C. Reste constante
- D. Double
Réponse
B. Diminue — Puissance absorbée = S₀/4 × (1-A). Si A augmente, (1-A) diminue, donc moins d'énergie absorbée.
La loi de Wien est $\lambda_{\max} = b/T$. Pour $T = 5800$ K et $b = 2{,}90 \times 10^{-3}$ m·K, $\lambda_{\max}$ vaut :
- A. 500 nm
- B. 5 µm
- C. 0,5 m
- D. 50 nm
Réponse
A. 500 nm — λmax = 2,90×10⁻³/5800 ≈ 5×10⁻⁷ m = 500 nm (visible, jaune-vert).
Lequel de ces facteurs explique pourquoi l'atmosphère est transparente au rayonnement visible mais opaque à l'infrarouge ?
- A. La pression atmosphérique
- B. Les propriétés d'absorption sélectives des GES
- C. La vitesse de la lumière
- D. La réfraction de la lumière
Réponse
B. Les propriétés d'absorption sélectives des GES — Les GES absorbent l'infrarouge mais pas le visible (fenêtre atmosphérique dans le visible).
Pourquoi divise-t-on $S_0$ par 4 pour calculer la puissance solaire moyenne reçue par m² de surface terrestre ?
- A. Car l'atmosphère absorbe 75 % du rayonnement
- B. Car la Terre est sphérique (surface = 4πR²) mais intercepte un disque (πR²)
- C. Car l'albédo vaut 0,25
- D. Car seulement 25 % du spectre est visible
Réponse
B. Car la Terre est sphérique (surface = 4πR²) mais intercepte un disque (πR²) — La Terre intercepte un disque de surface πR² mais cette énergie se répartit sur une sphère 4πR², d'où le facteur 4.
La rétroaction albédo-glace est dite :
- A. Négative, car les glaces refroidissent
- B. Positive, car la fonte réduit l'albédo, augmentant l'absorption
- C. Nulle, car l'albédo ne change pas
- D. Négative, car plus de nuages se forment
Réponse
B. Positive, car la fonte réduit l'albédo, augmentant l'absorption — La fonte des glaces réduit A → plus d'absorption → plus chaud → encore plus de fonte : rétroaction positive.
Un forçage radiatif positif signifie que :
- A. La Terre réfléchit plus d'énergie
- B. La Terre absorbe plus d'énergie qu'elle n'en émet
- C. La constante solaire augmente
- D. L'albédo de la Terre augmente
Réponse
B. La Terre absorbe plus d'énergie qu'elle n'en émet — Un forçage positif = excès d'énergie entrant → tendance au réchauffement.
La convection dans l'atmosphère transfère principalement :
- A. De l'énergie électromagnétique
- B. De la chaleur par mouvement de masses d'air
- C. De la chaleur par contact moléculaire direct
- D. Du rayonnement infrarouge
Réponse
B. De la chaleur par mouvement de masses d'air — La convection implique le déplacement physique de masses d'air chaud (vers le haut) et d'air froid (vers le bas).
La chaleur latente dans le bilan énergétique terrestre correspond à :
- A. L'énergie absorbée par les GES
- B. L'énergie liée à l'évaporation et à la condensation de l'eau
- C. Le rayonnement infrarouge émis par la surface
- D. L'énergie réfléchie par l'albédo
Réponse
B. L'énergie liée à l'évaporation et à la condensation de l'eau — La chaleur latente représente ~80 W/m² et correspond aux changements d'état de l'eau (évaporation, condensation).
Si la température d'un corps noir est multipliée par 2, sa puissance émise est multipliée par :
- A. 2
- B. 4
- C. 8
- D. 16
Réponse
D. 16 — P = σT⁴ : si T est multiplié par 2, P est multiplié par 2⁴ = 16.
Laquelle de ces descriptions correspond au rayonnement de Rayleigh ?
- A. Absorption de l'infrarouge par les GES
- B. Réflexion du visible par les nuages
- C. Diffusion des courtes longueurs d'onde par les molécules d'air
- D. Émission thermique de la surface
Réponse
C. Diffusion des courtes longueurs d'onde par les molécules d'air — La diffusion de Rayleigh concerne les petites longueurs d'onde (bleu), donnant sa couleur bleue au ciel.
Niveau difficile — 13 questions
La concentration en CO₂ atmosphérique avant l'ère industrielle était d'environ :
- A. 180 ppm
- B. 280 ppm
- C. 420 ppm
- D. 560 ppm
Réponse
B. 280 ppm — La concentration préindustrielle était ~280 ppm ; elle dépasse 420 ppm actuellement.
Pour une planète d'albédo $A = 0{,}6$ recevant $S/4 = 200$ W/m², la puissance absorbée vaut :
- A. 200 W/m²
- B. 80 W/m²
- C. 120 W/m²
- D. 160 W/m²
Réponse
B. 80 W/m² — Puissance absorbée = 200 × (1 - 0,6) = 200 × 0,4 = 80 W/m².
Quelle affirmation sur l'atmosphère de Vénus est correcte ?
- A. Elle a un albédo très bas (0,10)
- B. Son effet de serre est négligeable
- C. Malgré un albédo élevé, sa température est très haute à cause d'un fort effet de serre
- D. Son atmosphère est principalement composée d'O₂
Réponse
C. Malgré un albédo élevé, sa température est très haute à cause d'un fort effet de serre — Vénus a A ≈ 0,75 mais une atmosphère dense en CO₂ → fort effet de serre → ~737 K en surface.
Dans la formule $T_e = \left(\frac{S_0(1-A)}{4\sigma}\right)^{1/4}$, si $S_0$ est multiplié par 1,5, $T_e$ est multiplié par :
- A. 1,5
- B. $1,5^{1/4} \approx 1,11$
- C. $\sqrt{1,5} \approx 1,22$
- D. $1,5^2 = 2,25$
Réponse
B. $1,5^{1/4} \approx 1,11$ — T_e ∝ S₀^(1/4), donc si S₀ est multiplié par 1,5, T_e est multiplié par 1,5^(1/4) ≈ 1,11.
Lequel de ces scénarios constitue une rétroaction négative sur le réchauffement climatique ?
- A. La fonte des glaces polaires
- B. L'augmentation de la végétation en zone arctique
- C. L'augmentation de la nébulosité augmentant l'albédo planétaire
- D. L'augmentation de la vapeur d'eau dans l'atmosphère
Réponse
C. L'augmentation de la nébulosité augmentant l'albédo planétaire — Plus de nuages → albédo plus élevé → moins d'énergie absorbée → frein partiel au réchauffement (rétroaction négative).
Le forçage radiatif lié à un doublement du CO₂ est estimé à environ :
- A. 0,3 W/m²
- B. 3,7 W/m²
- C. 37 W/m²
- D. 0,037 W/m²
Réponse
B. 3,7 W/m² — Le GIEC estime le forçage d'un doublement du CO₂ à environ +3,7 W/m².
Pourquoi la vapeur d'eau est-elle considérée comme une rétroaction et non un forçage ?
- A. Parce qu'elle est transparente dans l'infrarouge
- B. Parce que sa concentration dépend de la température et non d'émissions anthropiques directes
- C. Parce qu'elle réfléchit le rayonnement solaire
- D. Parce qu'elle n'affecte pas l'effet de serre
Réponse
B. Parce que sa concentration dépend de la température et non d'émissions anthropiques directes — La vapeur d'eau répond aux variations de T (rétroaction), elle n'est pas un agent forçant indépendant.
À l'équilibre, la Terre absorbe 238 W/m² de rayonnement solaire. Quelle puissance infrarouge doit-elle émettre vers l'espace ?
- A. 163 W/m²
- B. 238 W/m²
- C. 396 W/m²
- D. 340 W/m²
Réponse
B. 238 W/m² — À l'équilibre, énergie émise vers l'espace = énergie absorbée = 238 W/m².
La 'fenêtre atmosphérique' désigne :
- A. La bande spectrale où les GES absorbent fortement
- B. La plage de longueurs d'onde où l'atmosphère est transparente (visible)
- C. Le trou dans la couche d'ozone
- D. La zone de l'atmosphère où la convection est maximale
Réponse
B. La plage de longueurs d'onde où l'atmosphère est transparente (visible) — La fenêtre atmosphérique correspond au domaine visible (~0,3–0,8 µm) où l'atmosphère laisse passer le rayonnement solaire.
L'émissivité $\varepsilon$ d'un corps réel est telle que :
- A. $\varepsilon > 1$ toujours
- B. $\varepsilon \in [0,1]$ et $P = \varepsilon \sigma T^4$
- C. $P = \varepsilon / (\sigma T^4)$
- D. $\varepsilon$ dépend uniquement de la pression
Réponse
B. $\varepsilon \in [0,1]$ et $P = \varepsilon \sigma T^4$ — L'émissivité est sans dimension, entre 0 et 1. Pour un corps noir, ε = 1 et P = σT⁴.
La diffusion de Rayleigh est d'autant plus efficace que :
- A. La longueur d'onde est grande
- B. La longueur d'onde est petite
- C. Le rayonnement est infrarouge
- D. La température est basse
Réponse
B. La longueur d'onde est petite — La diffusion de Rayleigh varie en λ⁻⁴ : elle est beaucoup plus forte pour les courtes longueurs d'onde (bleu).
Que se passe-t-il sur le plan radiatif si l'albédo terrestre augmente brusquement à 0,60 ?
- A. La Terre se réchauffe car plus d'énergie est réfléchie
- B. La Terre se refroidit : moins d'énergie est absorbée, Te diminue
- C. Le bilan reste équilibré instantanément
- D. L'effet de serre augmente proportionnellement
Réponse
B. La Terre se refroidit : moins d'énergie est absorbée, Te diminue — Puissance absorbée = S₀/4 × (1-A) : avec A = 0,60, l'absorption chute → Te baisse → refroidissement.
Lequel de ces paramètres n'entre PAS dans le calcul de la température d'équilibre d'une planète sans atmosphère ?
- A. La constante solaire $S_0$
- B. L'albédo $A$
- C. La constante de Stefan-Boltzmann $\sigma$
- D. La masse volumique de la planète
Réponse
D. La masse volumique de la planète — Te = [S₀(1-A)/(4σ)]^(1/4) : la masse volumique n'intervient pas dans ce bilan radiatif.
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