Première · Enseignement scientifique

Contrôle n°1 — Le rayonnement solaire et la température de la Terre

Ce devoir évalue la compréhension du bilan radiatif terrestre, de l'effet de serre naturel et des variations climatiques à l'échelle des temps géologiques.

1h · Moyen · 3 exercices · Barème sur 20 points

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Sujet

Travaille d’abord sans consulter le corrigé. Note tes réponses et les étapes de ton raisonnement.

Exercice 1 — Bilan radiatif terrestre (7 points)

On étudie un modèle radiatif idéal de la Terre. Données de calcul : flux solaire incident moyen sur toute la surface, 340 W/m² ; albédo planétaire, 0,30 ; rayon terrestre, 6 371 km. Ces valeurs sont arrondies pour l’exercice. 1. Définissez l’équilibre radiatif dans ce modèle. Quelle égalité relie le flux solaire absorbé et le flux infrarouge sortant ? L’équilibre idéal constitue-t-il, à lui seul, une preuve que le système réel est exactement à l’équilibre ? 2. Calculez le flux solaire réfléchi, puis le flux absorbé. Déduisez le flux infrarouge sortant dans le modèle à l’équilibre. Aucun schéma absent n’est nécessaire. 3. Calculez la puissance solaire incidente totale avec P = 340 × 4πR². Exprimez R en mètres et donnez le résultat en notation scientifique.

Exercice 2 — L'effet de serre naturel (8 points)

Le document présente l'évolution de la température moyenne terrestre et des concentrations en CO₂ et CH₄ sur les 800 000 dernières années, déduites de l'analyse des carottes de glace. 1. Décrivez la corrélation observée entre la concentration des GES et la température. 2. Proposez une explication à cette corrélation en vous appuyant sur le mécanisme de l'effet de serre. 3. La concentration actuelle en CO₂ dépasse 410 ppm. En quoi cette situation est-elle inédite à l'échelle du graphique étudié ? Quelles en sont les causes principales ?

Exercice 3 — Variations orbitales et climat (5 points)

Cochez la ou les bonnes réponses. 1. Les paramètrès de Milanković qui influencent le climat à long terme sont : a) L'excentricité de l'orbite terrestre. b) L'activité solaire cyclique. c) L'obliquité (inclinaison de l'axe de rotation). d) La précession des équinoxes. 2. Une augmentation de l'obliquité : a) Accentue la différence entre les saisons. b) Diminue la différence entre les saisons. c) N'a aucun effet sur les saisons. d) Modifie la quantité totale d'énergie reçue. 3. Ces paramètrès : a) Sont la cause unique des cycles glaciaires. b) Agissent comme des « déclencheurs » ou des amplificateurs en interaction avec d'autres facteurs (albédo, GES). c) Expliquent le réchauffement climatique actuel. d) Ont des périodicités de l'ordre de plusieurs dizaines à centaines de milliers d'années.

Corrigé et barème

Le total du barème est de 20 points. Les réponses rédigées admettent plusieurs formulations pertinentes ; compare le raisonnement, pas seulement les mots.

Exercice 1 — Bilan radiatif terrestre : 7 points

1. Dans le modèle à l’équilibre radiatif, l’énergie absorbée par unité de temps est égale à l’énergie émise vers l’espace : flux solaire absorbé = flux infrarouge sortant. Cette hypothèse de modèle ne démontre pas que le système réel soit exactement à l’équilibre. Un flux absorbé supérieur au flux émis correspond à un gain net d’énergie ; l’inverse correspond à une perte nette. 2. Flux réfléchi : 0,30 × 340 = 102 W/m². Flux absorbé : (1 − 0,30) × 340 = 238 W/m². Dans le modèle à l’équilibre, le flux infrarouge sortant est donc 238 W/m². Le rayonnement solaire réfléchi et le rayonnement infrarouge sortant sont deux contributions différentes. 3. R = 6,371 × 10⁶ m. S = 4πR² ≈ 5,10 × 10¹⁴ m². P = 340 × S ≈ 1,73 × 10¹⁷ W. Le flux donné étant déjà moyenné sur la sphère entière, on utilise 4πR², sans diviser une nouvelle fois par quatre.

Exercice 2 — L'effet de serre naturel : 8 points

1. On observe une forte corrélation positive : les périodes chaudes (interglaciaires) correspondent à des concentrations élevées en CO₂ et CH₄, et inversement pour les périodes glaciaires. 2. Les GES absorbent une partie du rayonnement infrarouge émis par la surface terrestre et le réémettent, contribuant au réchauffement de la basse atmosphère. Une augmentation de leur concentration renforce cet effet. 3. La concentration actuelle est supérieure à tout ce qui est enregistré sur les 800 000 dernières années. Cette augmentation rapide est principalement due aux émissions anthropiques (combustion d'énergies fossiles, déforestation).

Exercice 3 — Variations orbitales et climat : 5 points

1. a, c, d. 2. a. 3. b, d.

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