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Ces exercices corrigés sur « Le bilan radiatif de la Terre et l'effet de serre » en terminale permettent de s'entraîner et de vérifier ses acquis en spécialité svt. Ils suivent le programme officiel de terminale et sont classés par difficulté (facile, moyen, difficile). Au programme : Le rayonnement solaire et le rayonnement terrestre, L'albédo terrestre, Le bilan radiatif : définition et équilibre, L'effet de serre naturel. Écris ta réponse puis clique sur « Vérifier » : la correction est immédiate et tolère majuscules, espaces et ponctuation. Cet entraînement aide à mémoriser les méthodes, repérer ses erreurs et gagner en confiance avant un contrôle. Exercices gratuits proposés par un professeur particulier à Marseille pour réviser spécialité svt en terminale.
Exercices corrigés, classés du plus simple au plus complexe. Cherche d'abord seul au brouillon, puis déplie la correction détaillée pour vérifier ta méthode et tes raisonnements.
Exercice 1 — Vrai ou faux justifié sur le bilan radiatif
Indiquez si chaque affirmation est vraie ou fausse et justifiez systématiquement par une connaissance précise du cours.
- « À l'équilibre radiatif, la Terre absorbe plus d'énergie qu'elle n'en émet vers l'espace. »
- « L'albédo et l'effet de serre agissent dans le même sens : tous deux réchauffent la surface. »
- « Le rayonnement émis par la Terre et celui émis par le Soleil occupent le même domaine de longueurs d'onde. »
- « Plus une surface est sombre, plus son albédo est élevé. »
- « Le forçage radiatif anthropique se mesure en degrés Celsius. »
Méthode : on traque les confusions classiques entre flux absorbé et flux émis, entre albédo (réflexion) et effet de serre (piégeage de l'IR), et entre forçage (cause, en W/m²) et réchauffement (conséquence, en °C).
1. Faux. Par définition de l'équilibre radiatif, le flux d'énergie absorbé (≈ 238 W/m²) est exactement égal au flux infrarouge réémis vers l'espace. Si l'absorbé était supérieur à l'émis, le système se réchaufferait : c'est précisément ce qui se passe lors d'un forçage, qui rompt momentanément l'équilibre.
2. Faux. Ils agissent en sens opposés. Un albédo élevé renvoie le rayonnement solaire vers l'espace et tend à refroidir la surface ; l'effet de serre piège le rayonnement infrarouge et réchauffe la surface.
3. Faux. Le Soleil (≈ 5 800 K) émet surtout dans le visible et l'UV (courtes longueurs d'onde, autour de 0,5 µm) ; la Terre (≈ 255-288 K), bien plus froide, émet dans l'infrarouge (autour de 10 µm). Les deux domaines sont disjoints.
4. Faux. C'est l'inverse : une surface sombre absorbe beaucoup et a un albédo faible (océan ≈ 0,05) ; une surface claire réfléchit beaucoup et a un albédo élevé (neige ≈ 0,85).
5. Faux. Le forçage radiatif s'exprime en W/m² : c'est une perturbation du flux d'énergie. Le réchauffement qui en résulte, lui, se mesure en °C.
Exercice 2 — Bilan énergétique d'une surface au sol
Pour chaque cas, indiquez le sens du déséquilibre énergétique et la conséquence attendue sur la température de la surface.
- Une parcelle d'océan absorbe 290 W/m² et émet vers l'atmosphère 270 W/m².
- Un champ de neige fraîche absorbe 50 W/m² et émet 80 W/m².
- Une forêt absorbe et émet exactement 245 W/m².
- Après déforestation, une parcelle voit son albédo passer de 0,15 à 0,30 alors que le flux solaire incident reste de 340 W/m² : comparez l'énergie absorbée avant et après.
Méthode : on compare le flux absorbé (entrant) et le flux émis (sortant). Absorbé > émis → la surface gagne de l'énergie et se réchauffe ; absorbé < émis → elle perd de l'énergie et se refroidit ; égalité → équilibre, température stable. Pour l'énergie absorbée : F_abs = flux incident × (1 − albédo).
1. 290 > 270 : excédent de +20 W/m². La surface gagne de l'énergie → elle se réchauffe.
2. 50 < 80 : déficit de −30 W/m². La surface perd plus qu'elle ne reçoit → elle se refroidit (cas typique d'une surface très réfléchissante).
3. 245 = 245 : flux entrant et sortant égaux → équilibre radiatif, température constante.
4. Avant : F_abs = 340 × (1 − 0,15) = 340 × 0,85 = 289 W/m². Après : F_abs = 340 × (1 − 0,30) = 340 × 0,70 = 238 W/m². La déforestation a ici augmenté l'albédo et donc diminué l'énergie absorbée de 51 W/m². (Attention : selon la latitude et le couvert, le bilan réel de la déforestation est complexe — ici on ne raisonne que sur l'effet d'albédo local.)
Exercice 3 — Restituer le mécanisme de l'effet de serre
Répondez de façon rédigée et précise à chaque question de restitution de connaissances.
- Définissez l'effet de serre en une phrase, puis citez trois gaz à effet de serre naturels.
- Expliquez pourquoi le diazote (N₂), bien que très abondant dans l'atmosphère, n'est pas un gaz à effet de serre.
- Décrivez ce qu'est le contre-rayonnement atmosphérique et donnez son ordre de grandeur.
- Justifiez l'affirmation : « l'effet de serre naturel est indispensable à la vie sur Terre. »
Méthode : une question de restitution attend une réponse rédigée, exacte et hiérarchisée. On définit, on illustre, et on relie chaque notion à un ordre de grandeur quand c'est possible.
1. L'effet de serre est le phénomène par lequel certains gaz de l'atmosphère absorbent le rayonnement infrarouge émis par la surface et en réémettent une partie vers le sol, ce qui élève la température de surface. Trois GES naturels : vapeur d'eau (H₂O), dioxyde de carbone (CO₂), méthane (CH₄) (on accepte aussi O₃, N₂O).
2. N₂ est une molécule diatomique homonucléaire symétrique : ses vibrations ne créent pas de variation de moment dipolaire, donc elle n'absorbe pas le rayonnement infrarouge. Seules les molécules polyatomiques (CO₂, H₂O, CH₄…) possèdent des modes de vibration actifs dans l'IR.
3. Le contre-rayonnement atmosphérique est le flux infrarouge descendant émis par les GES de l'atmosphère vers la surface. Il vaut environ 333 W/m², soit davantage que le flux solaire absorbé (238 W/m²) : c'est lui qui maintient la surface à +15 °C.
4. Sans effet de serre, la température d'équilibre serait de −18 °C : l'eau liquide serait quasi absente, la Terre serait gelée. L'effet de serre naturel apporte +33 °C et permet l'existence d'eau liquide, condition de la vie. C'est donc son amplification par l'humain, et non son existence, qui pose problème.
Exercice 4 — Calculs autour de la loi de Stefan-Boltzmann
Effectuez les calculs demandés en détaillant chaque étape ; on prendra σ = 5,67 × 10⁻⁸ W·m⁻²·K⁻⁴.
- Calculez la puissance émise par 1 m² de surface terrestre à la température réelle moyenne T = 288 K.
- Comparez cette valeur au flux solaire absorbé (238 W/m²) et expliquez pourquoi la surface émet davantage qu'elle ne reçoit du Soleil.
- Une planète sans atmosphère reçoit après albédo un flux absorbé de 150 W/m². Calculez sa température d'équilibre.
- Si la température de surface terrestre augmentait de 288 K à 290 K, de combien augmenterait approximativement la puissance émise ?
Méthode : on applique directement E = σT⁴ pour une émission, et on inverse la formule (T = (E/σ)^(1/4)) pour une température d'équilibre. Pour une petite variation, on peut utiliser ΔE/E ≈ 4·ΔT/T.
1. E = 5,67×10⁻⁸ × 288⁴. Or 288⁴ ≈ 6,88×10⁹, donc E ≈ 5,67×10⁻⁸ × 6,88×10⁹ ≈ 390 W/m².
2. La surface émet ≈ 390 W/m² alors qu'elle ne reçoit que 238 W/m² du Soleil absorbé. La différence (≈ 150 W/m²) est fournie par le contre-rayonnement de l'atmosphère (effet de serre) : la surface reçoit à la fois le solaire absorbé ET l'IR descendant de l'atmosphère, et c'est ce total qui équilibre son émission.
3. σT⁴ = 150 → T⁴ = 150 / 5,67×10⁻⁸ = 2,65×10⁹ K⁴ → T = (2,65×10⁹)^(1/4) ≈ 227 K ≈ −46 °C.
4. ΔE/E ≈ 4 × ΔT/T = 4 × 2/288 ≈ 0,0278, soit +2,8 %. Sur E ≈ 390 W/m², cela donne ΔE ≈ +11 W/m² (calcul direct : 290⁴ donne ≈ 401 W/m², soit +11 W/m²). C'est l'illustration de la principale rétroaction négative : une Terre plus chaude rayonne davantage.
Exercice 5 — Comparer trois planètes telluriques
À partir du tableau, identifiez le rôle de l'atmosphère dans la température de surface et répondez aux questions.
- Pour chaque planète, calculez l'écart entre la température réelle et la température d'équilibre théorique.
- Vénus a l'albédo le plus élevé des trois : on s'attendrait à ce qu'elle soit la plus froide. Comment expliquez-vous qu'elle soit au contraire la plus chaude ?
- Mars possède une atmosphère majoritairement composée de CO₂, comme Vénus. Pourquoi son effet de serre est-il quasi inexistant ?
- Concluez sur le facteur déterminant l'intensité de l'effet de serre d'une planète.
Méthode : l'écart (T réelle − T équilibre) mesure directement l'intensité de l'effet de serre. On compare ensuite à l'épaisseur de l'atmosphère, pas seulement à sa composition.
1. Vénus : +464 − (−46) = +510 °C. Terre : +15 − (−18) = +33 °C. Mars : −63 − (−56) = −7 °C (effet de serre négligeable, l'écart résiduel s'explique par les marges du modèle théorique).
2. Malgré son albédo élevé (donc peu d'énergie solaire absorbée), Vénus possède une atmosphère extrêmement épaisse et riche en CO₂ : l'effet de serre y est colossal (+510 °C). Le piégeage de l'infrarouge l'emporte très largement sur l'effet refroidissant de l'albédo.
3. Ce n'est pas la composition mais la quantité de gaz qui compte : l'atmosphère de Mars est très ténue (peu dense). Il y a trop peu de molécules de CO₂ pour absorber significativement l'infrarouge émis par le sol, d'où un effet de serre quasi nul.
4. Le facteur déterminant est la quantité totale de gaz à effet de serre dans l'atmosphère (densité × proportion de GES), et non la seule présence de CO₂. L'effet de serre dépend de la masse de GES capable de piéger l'IR.
Exercice 6 — Analyser un schéma de flux du bilan radiatif
Exploitez le schéma de flux énergétiques (en W/m²) pour répondre aux questions et vérifier les équilibres.
- Vérifiez par le calcul que la part réfléchie (102 W/m²) est cohérente avec un albédo de 0,30.
- Vérifiez l'équilibre au sommet de l'atmosphère : comparez le flux solaire absorbé et le flux infrarouge sortant vers l'espace.
- La surface émet 390 W/m² vers le haut mais reçoit 238 W/m² du solaire absorbé. Quel flux complémentaire lui permet d'équilibrer son bilan, et d'où provient-il ?
- Supposons que l'augmentation des GES fasse passer le contre-rayonnement de 333 à 340 W/m². Expliquez qualitativement l'évolution attendue de la température de surface.
Méthode : on raisonne séparément sur deux "frontières" : le sommet de l'atmosphère (équilibre solaire absorbé ↔ IR sortant) et la surface (équilibre solaire absorbé + contre-rayonnement ↔ IR émis). Tout déséquilibre signale un réchauffement ou un refroidissement.
1. Part réfléchie = solaire incident × albédo = 340 × 0,30 = 102 W/m². La valeur du document est donc cohérente. Le solaire absorbé est 340 − 102 = 238 W/m².
2. Au sommet de l'atmosphère : solaire absorbé = 238 W/m² ; IR sortant vers l'espace = 238 W/m². Les deux sont égaux → le système est à l'équilibre radiatif global.
3. La surface reçoit aussi le contre-rayonnement atmosphérique (333 W/m²), émis vers le bas par les GES de l'atmosphère. Total reçu par la surface ≈ 238 + 333 = 571 W/m², à comparer aux 390 W/m² émis + flux non radiatifs (chaleur sensible, évaporation) que le schéma simplifié n'affiche pas. L'effet de serre fournit donc l'essentiel de l'énergie reçue par la surface.
4. Si le contre-rayonnement passe à 340 W/m², la surface reçoit davantage d'énergie qu'elle n'en émettait à l'équilibre : son bilan devient excédentaire. Elle se réchauffe jusqu'à ce que, sa température augmentant, elle émette à nouveau (loi de Stefan, E = σT⁴) assez d'IR pour rétablir l'équilibre, mais à une température plus élevée. C'est le mécanisme du réchauffement par renforcement de l'effet de serre.