Terminale · Enseignement scientifique
Devoir surveillé n°2 — Le rayonnement solaire
Ce contrôle porte sur l'énergie reçue du Soleil, son interaction avec l'atmosphère terrestre et les notions de bilan radiatif.
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 — Constante solaire et puissance reçue (8 points)
La constante solaire F, puissance radiative reçue du Soleil par une surface unitaire perpendiculaire aux rayons située hors atmosphère, vaut environ F = 1360 W/m².
Le rayon de la Terre est R_T = 6370 km.
1. Expliquez pourquoi la puissance totale P reçue par la Terre (hors atmosphère) n'est pas égale à F multipliée par sa surface totale (4πR_T²). Quelle surface faut-il considérer ? Calculez cette surface efficace S_eff.
2. Calculez la puissance totale P (en watts) reçue par la Terre hors atmosphère.
3. En réalité, cette puissance est répartie sur toute la surface terrestre (4πR_T²). Calculez la puissance moyenne reçue par m² au sommet de l'atmosphère. Comparez-la à F et commentez.
Exercice 2 — Interaction rayonnement-atmosphère (6 points)
1. Citez trois processus par lesquels l'atmosphère terrestre interagit avec le rayonnement solaire incident.
2. Pour chacun, précisez s'il concerne principalement le rayonnement ultraviolet (UV), visible (VIS) ou infrarouge (IR).
3. L'albédo planétaire moyen est d'environ 0,3. Que signifie cette valeur ? Quelle proportion du rayonnement solaire incident est donc absorbée par la surface et l'atmosphère terrestres ?
Exercice 3 — Bilan radiatif simplifié (6 points)
Sur le diagramme simplifié du bilan radiatif terrestre (non reproduit), on lit :
- Puissance solaire incidente moyenne par m² au sommet de l'atmosphère : 340 W/m².
- Réfléchi vers l'espace (albédo) : 100 W/m².
- Émis par la surface terrestre : 390 W/m².
- Émis par l'atmosphère vers l'espace : 240 W/m².
- Absorbé par l'atmosphère : 350 W/m².
1. Calculez la puissance absorbée par la surface terrestre.
2. Vérifiez l'équilibre radiatif de la Terre (puissance reçue = puissance émise).
3. L'effet de serre est lié à la différence entre le rayonnement émis par la surface (390 W/m²) et celui émis vers l'espace par l'atmosphère (240 W/m²). Expliquez ce que représente cette différence.
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 — Constante solaire et puissance reçue : 8 points
1. La Terre est une sphère. Seule la section droite (disque de rayon R_T) perpendiculaire aux rayons solaires intercepte le flux. La surface efficace est l'aire de ce disque : S_eff = π × R_T². A.N. : R_T = 6,37 × 10⁶ m donc S_eff ≈ π × (6,37 × 10⁶)² ≈ 1,27 × 10¹⁴ m².
2. P = F × S_eff ≈ 1360 × 1,27 × 10¹⁴ ≈ 1,73 × 10¹⁷ W.
3. Cette puissance se répartit sur la surface totale S_T = 4πR_T² ≈ 5,10 × 10¹⁴ m². La puissance moyenne par m² est P_moy = P / S_T ≈ (1,73 × 10¹⁷) / (5,10 × 10¹⁴) ≈ 339 W/m². Cette valeur est environ 4 fois plus petite que F (1360/4=340), ce qui est cohérent car la surface de réception est 4 fois plus petite que la surface de répartition.
Exercice 2 — Interaction rayonnement-atmosphère : 6 points
1. Les trois processus principaux sont : l'absorption (par les gaz, l'ozone, les nuages), la diffusion (notamment par les molécules d'air - diffusion de Rayleigh - et les aérosols), et la réflexion (par les nuages, les surfaces).
2. L'absorption des UV est principalement due à la couche d'ozone (O₃). La diffusion concerne surtout le visible (ciel bleu). La réflexion et l'absorption concernent l'ensemble du spectre, avec une forte absorption de l'IR par les gaz à effet de serre (H₂O, CO₂).
3. Un albédo de 0,3 signifie que 30% du rayonnement solaire incident est réfléchi vers l'espace. Par conséquent, 70% (1 - 0,3 = 0,7) est absorbé par le système Terre-atmosphère.
Exercice 3 — Bilan radiatif simplifié : 6 points
1. Puissance absorbée par la surface = Puissance incidente - Puissance réfléchie - Puissance absorbée par l'atmosphère avant la surface. D'après les données : 340 (incidente) - 100 (réfléchie) = 240 W/m² atteignent la surface et l'atmosphère basse. Une partie est absorbée par l'atmosphère (non précisée ici pour la surface seule). En considérant le bilan surface : elle reçoit plus qu'elle n'émet (390 > 240), la différence provenant de l'effet de serre. Un calcul direct n'est pas possible sans données supplémentaires sur l'absorption atmosphérique du rayonnement solaire direct.
2. Équilibre : Puissance reçue = 340 W/m². Puissance émise vers l'espace = Réfléchi (100) + Émis par l'atmosphère (240) = 340 W/m². L'équilibre est vérifié.
3. La différence (390 - 240 = 150 W/m²) représente la puissance piégée par l'effet de serre. C'est l'énergie radiative infrarouge émise par la surface qui est absorbée par les gaz à effet de serre de l'atmosphère, puis réémise en partie vers la surface, contribuant à son réchauffement.
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