Cours Partie A chapitre 2

PREMIERE PARTIE
LA PLANETE TERRE ET SON ENVIRONNEMENT
II – LE RAYONNEMENT SOLAIRE
Introduction :
Le soleil est une étoile.
La fusion thermonucléaire de l’hydrogène en hélium lui fournit toute son énergie, qui est transmise
par rayonnement aux planètes
Le spectre d’émission du soleil peut être (arbitrairement) décomposé en différents rayonnements (ou
radiations) :rayons x, UV, lumière visible et infrarouges
Comment varie l’éclairement d’une planète en fonction de sa distance au soleil ?
A – L’énergie solaire reçue par les planètes telluriques
ACTIVITE
N° 4 L’ENERGIE SOLAIRE RECUE PAR LES PLANETES Durée : 1 heure
Problématique : le soleil émet une énergie considérable dans l’espace. Comment cette énergie influence-
t-elle la température de surface des planètes ?
Objectif : concevoir des expériences ou modèles dans le but de tester des hypothèses, conclure.
1. Expérience 1 : énergie solaire reçue par les planètes en fonction de leur distance au soleil.
Vous disposez d’un luxmètre et d’une lampe. Montez un modèle simple qui permette de vérifier que
l’énergie solaire varie en fonction de la distance au soleil.
a. Décrivez ou réalisez un schéma de l’expérience.
b. Faites un tableau de mesures (une 15aine de mesures minimum dont six correspondent aux six
premières planètes du système solaire).

c. Construisez la courbe « éclairement en fonction de la distance au soleil »
d. Concluez sur le rayonnement parvenant aux différentes planètes.
Conclusion : Le rayonnement solaire diffuse dans toutes les directions de l’espace. Son énergie est constante
à une distance donnée. Une planète proche du soleil capte plus d’énergie qu’une planète éloignée.
L’énergie reçue par une planète est inversement proportionnelle au carré de la distance au soleil. Y=1/D2)
2. Expérience 2 : La lumière solaire chauffe-t-elle la surface des planètes ?
Vous disposez d’un thermomètre de précision et d’un tube à essai (ou un bac en plastique) rempli d’eau (ou de
vermiculite). Modélisez une expérience simple qui permette de vérifier que la température en surface des planètes varie
en fonction de leur distance au soleil.
a. Décrivez l’expérience.
On place le tube à essai contenant de l’eau et un thermomètre face à la source lumineuse, on considère que
la distance o se situe au bord de la lampe. On déplace le montage sur six distances différentes correspondant
aux distances calculées à l’échelle en cm entre le soleil est les six premières planètes.
b. Complétez tableau de mesures
Mercure Vénus Terre Mars Jupiter Saturne
Distance au soleil 58 108 150 228 780 1430
Distance calculée à l’échelle
(cm) 59.3 12.9 19.6 67.2 123.2
Température (°C)
d. Concluez.
Conclusion : Un corps s’échauffe d’autant plus qu’il est proche de la source de rayonnement.

3. Rayonnement solaire et équilibre thermique
A l’aide du document, expliquez pourquoi un « corps noir » qui reçoit de l’énergie solaire ne s’échauffe pas
indéfiniment.
Un corps noir chauffé émet de la chaleur (rayonnement infrarouge), et ce rayonnement augmente avec
l’énergie solaire reçue. La température du corps noir se stabilise (température d’équilibre) lorsque l’énergie
perdue par le rayonnement infrarouge est égale à l’énergie reçue par le rayonnement solaire.
La température d’une planète ne dépend-t-elle que de sa position par rapport au soleil ?
B – L’effet de serre et ses conséquences
1) Activité 5 : L’effet de serre et ses conséquences
ACTIVITE
N° 5 L’EFFET DE SERRE ET SES CONSEQUENCES Durée : 1 heure
Problématique : La température à la surface d’une planète est-elle uniquement la conséquence de
l’échauffement de cette surface par le rayonnement solaire ?
Objectif : observer, émettre une hypothèse, réaliser une expérience dans le but de tester l’hypothèse,
conclure.
1. Comparaison des températures d’équilibre théorique et des températures d’équilibre
mesurées.
Observations : La modélisation du système solaire a permis de montrer qu’une planète reçoit une énergie
solaire qui est proportionnelle à l’inverse du carré de sa distance au soleil (y=1/x2où x représente la distance
au soleil et y l’énergie solaire) : c’est sa constante solaire (W/m2). Selon cette modélisation, on peut donc
calculer une température d’équilibre théorique de surface pour chaque planète.
Mercure
Vénus
Terre
Lune
Mars
Distance au soleil (10
6
km)
58
108
150
150
228
Températures de surface moyennes
théoriques* (°C)
180
30
-
17
-
17
-
60
Températures de surface moyennes relevées
(°C)
180
460
15
-
17
-
50
Atmosphère
non
Epaisse et
opaque
Epaisse et
transparente
non
Réduite

* températures calculées à partir du rayonnement solaire et ne dépendant que de la distance planète-soleil
Que remarquez-vous entre les températures de surface théorique et relevées pour chaque planète? Quelle est
l’hypothèse que vous pouvez émettre pour expliquer ces différences de température entre théorie et observation ?
Vénus, la Terre et à un moindre degré Mars ont une température moyenne supérieure à la température
moyenne théorique. Comme ces planètes possèdent une atmosphère, on peut émettre l’hypothèse que la
présence d’une atmosphère au niveau d’une planète est à l’origine de l’augmentation de température
constatée. C’est l’effet de serre !
2. Expérience de mise en évidence de l’effet de serre.
On dispose de trois enceintes identiques munies d’un thermomètre. L’enceinte 1 est ouverte (témoin),
l’enceinte 2 est fermée à l’aide d’une plaque de verre, et l’enceinte 3 contient un coton humide et est fermée
par une plaque de verre, la quatrième ressemble à la troisième, mais elle contient plus d’eau. Ces quatre
enceintes sont éclairées par des dispositifs d’éclairement identiques (une sonde luxmètre permet de le
vérifier).
a. Faites un schéma de l’expérience
b. Faites un tableau de résultats sur 30min, en relevant la température toutes les 2min.
Temps (min)
Enceinte 1
Température (°C)
Enceinte 2
Température (°C)
Enceinte 3
Température (°C)
Enceinte 4
Température (°C)
0 (à 30 toutes les
2min)
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
c. Construire les trois courbes correspondant à l’évolution de la température à l’air ambiant, dans
les enceintes 1,2, et 3. Qu’observez-vous ?
- Le graphique 1 suit l’évolution de la température de l’air ambiant.
- Le graphique 2 montre l’élévation classique de la température à l’intérieur d’une enceinte fermée. C’est
une notion familière aux élèves (leur expérience de la voiture fermée l’été en plein soleil est là pour leur
rappeler ce résultat.)
- Le graphique 3 montre qu’en présence d’eau, la température augmente plus fortement que dans l’enceinte
2.
L’observation montre que la plaque de verre qui ferme la serre empêche la dispersion du rayonnement IR
émis par le support chauffé par la source lumineuse. C’est le principe de l’effet de serre. Le phénomène est
d’autant plus important si la serre contient de la vapeur d’eau.
d. Dans cette expérience, à quelle enveloppe de la planète la plaque de verre peut-elle être
assimilée? Sachant que tout corps émet un rayonnement caractéristique de sa température, à votre avis, quel
est le rôle de la plaque de verre dans l’augmentation de la température à l’intérieur de l’enceinte ?

La plaque de verre peut être assimilée à l’atmosphère terrestre. Elle empêche la dispersion du rayonnement
IR émis par le support chauffé par la source lumineuse.
e. Dans l’atmosphère, certains gaz ont la propriété de piéger une partie du rayonnement émis par
la surface de la terre : Ce sont les gaz à effet de serre. A partir du tableau suivant, recherchez parmi les
différents gaz atmosphériques lesquels sont les plus importants dans l’effet de serre.
Composition de l’atmosp
hère terrestre
% de participation
des gaz à l’effet de
serre
T° à la surface de la
Terre
Gaz
Concentration
N
2
78%
99.8%
0%
-17°C avec les seuls
N2, O2, Argon
+15°C avec tous les gaz
O
2
20.9%
0%
Argon
0.9%
0%
H
2
O
0 à 4000ppm
0.2% à
2000ppm
55%
CO
2
370ppm
25%
Méthane=CH
4
1.75ppm
20%
Oxyde nitreux=N
2
O
0.31ppm
Ozone=O
3
HFC
0.01.10
-
3
ppm
ppm : partie par million (ex : pour le CO2, 370ppm=0.037%)
Les principaux gaz impliqués dans l’effet de serre sont : vapeur d’eau et CO2 principalement et d’autres
moins abondants comme le méthane, l’ozone ou l’oxyde nitreux.
2) Bilan
ACTIVITE
N° 6 SCHEMA BILAN DE L’EFFET DE SERRE Durée : 15 Min
Objectif : Réaliser un schéma bilan
A partir du texte suivant, réalisez un schéma bilan explicatif de l’effet de serre montrant l’action de
l’atmosphère sur les rayonnements solaires incidents et sur les rayonnements émis par la Terre.
Le mécanisme de l’effet de serre.
Près de la moitié de l’énergie solaire arrivant au sommet de l’atmosphère terrestre est réfléchie par
l’atmosphère. L’autre moitié est absorbée directement par la surface terrestre et contribue à élever sa
température.
L’énergie solaire ainsi absorbée est ensuite restituée en partie par la surface terrestre sous forme de
rayonnement infrarouge. Celui-ci est partiellement absorbé par certains constituants de l’atmosphère (vapeur
d’eau et CO2 principalement). Le rayonnement absorbé échauffe l’atmosphère qui renvoie vers le sol une
partie de cette chaleur. La Terre se réchauffe de nouveau : c’est l’effet de serre.
Ce mécanisme est très important sur Mars et sur Vénus où L’atmosphère est riche en CO2
Mécanisme de formation de l’effet de serre sur Terre
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