Le bilan radiatif terrestre

Repérer une erreur et la corriger

Le brouillon du document 1 contient cinq erreurs de raisonnement ; une seule ligne est juste. Pour chaque erreur, indique la ligne, explique ce qui est faux et écris ce qu’il fallait dire.

Réponse rédigée. Ce que le correcteur attend, critère par critère :

1. 1.Ligne 2 — une division par deux à la place de la division par quatre.

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   La moitié éclairée n’est pas la surface qui intercepte le rayonnement : des rayons parallèles sont interceptés sur un disque d’aire $\pi R^2$, et l’énergie se répartit sur toute la sphère d’aire $4\pi R^2$. Il faut diviser par quatre : environ 340 W·m⁻².

   Le rapport des deux aires vaut quatre ; diviser par deux double le flux moyen et mène à une température absurde, erreur invisible si l’on ne connaît pas l’ordre de grandeur.

2. 2.Ligne 3 — une fraction lue à l’envers.

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   L’albédo de 0,30 est la part renvoyée directement : la surface absorbe les 70 % restants.

   L’albédo désigne ce qui repart sans avoir chauffé quoi que ce soit ; la part absorbée est son complément à un.

3. 3.Ligne 4 — un domaine d’émission emprunté au Soleil.

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   La surface réémet dans l’infrarouge, et non dans le visible, parce qu’elle est bien plus froide que le Soleil.

   Le domaine du rayonnement émis dépend de la température de l’émetteur : la surface terrestre et le Soleil n’émettent pas dans le même domaine.

4. 4.Ligne 5 — un rôle de l’atmosphère inversé.

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   L’air ne retient pas la lumière du Soleil, qui le traverse ; il capte l’infrarouge venu du sol et lui en restitue une partie. C’est ce second apport qui fait l’effet de serre.

   Si l’atmosphère arrêtait le solaire, elle refroidirait la surface au lieu de la réchauffer.

5. 5.Ligne 6 — un excédent présenté comme un équilibre.

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   Recevoir plus que l’on ne renvoie, c’est être en déséquilibre : l’énergie s’accumule, surtout dans l’océan. Ce n’est pas un nouvel équilibre.

   À l’équilibre, absorbé et réémis sont égaux et la température ne change plus ; tant qu’un excédent subsiste, ce n’est pas le cas.

Raisonner et justifier

Sur le schéma, chaque flèche numérotée relie deux notions du chapitre. Explique chaque lien en deux phrases au plus.

1. 1.Lien 1 — recul de la neige et des glaces, et flux solaire absorbé.

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   Le recul de surfaces très réfléchissantes abaisse l’albédo : le flux absorbé augmente, ce qui réchauffe et fait encore reculer la glace. C’est une rétroaction positive.

   L’intermédiaire est l’albédo ; la chaîne se referme sur sa cause, ce qui la renforce.

2. 2.Lien 2 — température de la surface et domaine du rayonnement émis.

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   Bien plus froide que le Soleil, la surface terrestre émet dans l’infrarouge et non dans le visible.

   C’est la température de l’émetteur qui fixe le domaine de son rayonnement ; d’où deux domaines distincts dans le bilan.

3. 3.Lien 3 — capacité thermique de l’océan et lieu où s’accumule l’énergie en excès.

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   Plus un milieu a une grande capacité thermique, plus il peut emmagasiner d’énergie : l’océan, bien supérieur à l’air sur ce point, recueille la plus grande part de l’excédent.

   Une grande capacité thermique permet de stocker beaucoup d’énergie ; l’océan est donc le réservoir principal du déséquilibre.

4. 4.Lien 4 — équilibre radiatif et déséquilibre actuel : un point commun, une différence.

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   Point commun : les deux se décrivent en comparant absorbé et réémis. Différence : à l’équilibre ils sont égaux et la température ne change plus ; dans le déséquilibre actuel, un léger excédent s’accumule.

   Comparer, c’est donner au moins un point commun et une différence, chacun appuyé sur le cours.

Transférer à une situation nouvelle

Une planète imaginaire, sans atmosphère, reçoit de son étoile un flux incident de 80 W·m⁻² ; son albédo moyen vaut 0,50. Applique la méthode du bilan radiatif et justifie chaque réponse.

1. 1.Mène les deux premières étapes de la méthode jusqu’au flux absorbé.

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   $80÷4=20$ ; $20\times 0,5=10$ ; $20-10=10$ : 10 W·m⁻² absorbés.

   On suit les deux premières étapes de la méthode : moyenne planétaire, puis retrait de la part de l’albédo.

2. 2.À l’équilibre, que réémet la surface, dans quel domaine, et vers où ?

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   10 W·m⁻², sous forme d’infrarouge qui s’échappe sans obstacle.

   Sans atmosphère, rien n’intercepte l’infrarouge : il repart entièrement, et l’équilibre impose qu’il compense exactement l’absorbé.

3. 3.On dote la planète d’une atmosphère transparente au rayonnement de l’étoile et absorbante pour l’infrarouge, sans changer son albédo. À l’équilibre, ce qui repart vers l’espace change-t-il ? Et la température de surface ?

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   Ce qui repart reste 10 W·m⁻² ; la surface, elle, devient plus chaude.

   L’albédo étant inchangé, l’absorbé reste 10 W·m⁻², donc le réémis aussi à l’équilibre. Mais l’atmosphère renvoie une partie de l’infrarouge vers le sol, qui reçoit deux apports : l’effet de serre élève la température de surface sans modifier le total réémis.

4. 4.Cette planète a un rayon deux fois plus petit que celui de la Terre. Faut-il modifier le facteur quatre ? Justifie par un calcul littéral.

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   Non : $4\pi r^2÷\pi r^2=4$, quel que soit le rayon $r$.

   Le rayon se simplifie dans le rapport de l’aire de la sphère à celle du disque : le facteur quatre vaut pour toute planète sphérique.

Construire un développement

Un camarade affirme : « L’effet de serre est une menace : il faudrait qu’il disparaisse. » Rédige un développement construit d’une vingtaine de lignes qui discute cette affirmation. Fais une introduction, deux paragraphes et une conclusion.

Réponse rédigée. Ce que le correcteur attend, critère par critère :

1. 1.Introduction : l’affirmation reformulée, l’effet de serre défini, le plan annoncé.

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   Exemple : « L’effet de serre est le renvoi vers le sol, par l’atmosphère, d’une partie de l’infrarouge qu’il émet. Faut-il pour autant souhaiter sa disparition ? Nous verrons qu’il est indispensable, puis que c’est son renforcement qui pose problème. »

   L’introduction définit le terme discuté et annonce le plan : le correcteur sait où va la copie.

2. 2.Premier paragraphe : le mécanisme et pourquoi l’effet de serre naturel est indispensable.

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   L’air, transparent au solaire, capte l’infrarouge du sol et lui en rend une partie : le sol est alimenté deux fois. Sans ce mécanisme, la planète serait bien plus froide et l’eau liquide rare.

   C’est ce qui rend l’affirmation fausse telle qu’elle est écrite : l’effet de serre n’est pas une anomalie.

3. 3.Second paragraphe : le renforcement et le déséquilibre qu’il crée, chiffré.

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   Le renforcement crée un léger excédent : la Terre reçoit un peu plus qu’elle ne renvoie. Un excédent d’environ 1 W·m⁻² ne représente que $1÷238\approx 0,0042$ du flux absorbé, mais il s’applique en permanence et partout, et l’énergie s’accumule surtout dans l’océan.

   Le calcul montre qu’un écart faible en proportion n’est pas négligeable pour autant ; 0,5 point pour le calcul, 1 point pour le raisonnement.

4. 4.Une nuance : déséquilibre et non nouvel équilibre, ou amplification possible par la fonte des glaces.

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   Tant que l’excédent subsiste, la planète n’est pas dans un nouvel équilibre ; et la fonte des glaces, en abaissant l’albédo, peut renforcer le réchauffement par rétroaction positive.

   Une nuance précise la portée de l’argument : elle montre que l’on maîtrise la distinction entre équilibre et déséquilibre.

5. 5.Conclusion et expression : une réponse nette, le vocabulaire du cours, des connecteurs.

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   Exemple : « Il ne faut donc pas souhaiter la fin de l’effet de serre, qui rend la Terre habitable, mais limiter son renforcement, qui crée le déséquilibre actuel. »

   La conclusion répond à la question en distinguant clairement l’effet de serre et son renforcement.