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Boite à outil 1 (BO1) : Publicité crème solaire
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Boite à outil 2 (BO2) : Protection UV
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Boite à outil 3 (BO3) : Décomposer la lumière du soleil
Matériel :
-
un petit miroir
une assiette creuse
une feuille blanche
du ruban adhésif
eau
Méthode :
Fixer la feuille blanche sur le mur à côté d’une fenêtre ensoleillée.
Placer l’assiette remplie d’eau au soleil, le miroir incliné à moitié dans l’eau.
Orienter le miroir pour que les couleurs de l’arc-en-ciel apparaissent sur la feuille de papier. C’est
le spectre de la lumière blanche.
Boite à outil 4 (BO4) : le spectre de la lumière
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Boite à outil 5 (BO5) : Explication des couleurs du ciel
Pourquoi le ciel est-il bleu ?
Le ciel, observé de jour et par temps clair est vu bleu. On a longtemps cru que la couleur bleue du
ciel était due à la diffusion (c'est-à-dire la déviation) de la lumière par les poussières en
suspension dans l'air. On pensait même qu'un air très pur (sans poussière) ne diffuserait pas la
lumière. On sait aujourd'hui que Rayleigh, dès 1899, avait trouvé la bonne explication. La diffusion
est principalement due aux molécules de l'air elles-mêmes.
L'atmosphère est éclairée par la lumière émise par la surface du Soleil. Lorsque cette lumière
blanche atteint une molécule de l'air (azote : N2 ou oxygène : O2 principalement), elle est
décomposée en différentes "couleurs". Chaque radiation (chaque "couleur") est absorbée par la
molécule, puis réémise dans toutes les directions.
Cependant l'intensité de la lumière réémise dépend de la longueur d'onde (la couleur) et de la
direction d'observation (est-on face à la source, à 90 degrés ?) On constate que la réémission est
plus importante pour le rouge que pour le bleu quand on est dans l'axe d'éclairement (la direction
du Soleil) et c'est l'inverse quand on est dans une direction perpendiculaire à cet axe.
Ainsi, une molécule de l'air éclairée par le Soleil, nous renvoie une lumière plutôt rouge quand on
est dans l'axe d'éclairement, et plutôt bleue quand on regarde dans une direction perpendiculaire.
La lumière réémise par chaque molécule vient ensuite "heurter" les autres molécules de l'air et le
même phénomène se répète : la lumière transmise dans la direction d'éclairement est plus riche
en rouge, alors que celle qui est diffusée sur le coté est plus riche en bleu. Cette propriété permet
d'expliquer la couleur bleue du ciel.
Si nous vivions sur une planète dépourvue d'atmosphère, la lumière du Soleil ne serait pas
diffusée et l'on aurait un ciel noir, avec comme seuls objets lumineux le Soleil, la Lune et les
étoiles.
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Pourquoi les couchers de Soleil sont-ils rouges ?
Lorsqu'on observe le Soleil, on regarde "dans l'axe d'éclairement". D'après ce qui précède, la
lumière transmise est enrichie en rouge et appauvrie en bleu.
On voit donc le Soleil plus rouge qu'il ne l'est en réalité, cependant cet effet est négligeable au
zénith car la couche d'air traversée est peu épaisse. En revanche, au crépuscule, cette épaisseur
augmente et l'effet s'amplifie jusqu'à devenir perceptible : le Soleil et l'atmosphère vue dans la
direction du Soleil apparaissent rouges.
Expérience : coucher de soleil
Matériel :
-
boîte en plastique transparent
eau
lait
lampe de poche
une cuillère à café
Méthode :
Remplir la boîte en plastique transparent avec de l’eau et une cuillère à café de lait. Braquer la
lampe de poche directement sur la surface de la boîte. L’eau laiteuse apparaît blanc-jaunâtre,
comme le soleil de midi. Braquer la lampe de poche sur le côté de la boîte. L’eau laiteuse apparaît
rose-orangé comme un coucher de soleil.
Pourquoi la nuit est-elle noire ?
Tout d'abord, précisons que la nuit n'est jamais parfaitement noire, en raison de la diffusion de la
lumière du Soleil par l'atmosphère. De plus, la Lune et les étoiles éclairent notre planète. Même
par temps couvert, sans lune, la nuit n'est pas d'un noir total.
Si nous vivons dans un Univers infini, éternel, contenant une infinité de galaxies et d'étoiles, alors
où que l'on regarde, notre regard devrait croiser la lumière venue de l'une d'entre-elles. Le ciel
devrait être aussi brillant que la surface du Soleil. Hors il n'en est rien ! Ce paradoxe évoqué pour
la première fois par Kepler au XVIIème siècle a été résolu pour la première fois par un écrivain :
Edgar Poe : les étoiles de l'arrière plan sont trop lointaines pour que leur lumière ait eu le temps de
nous parvenir. Cette explication repose sur deux piliers importants de la physique et de
l'astrophysique modernes :
•
l'Univers n'a pas toujours existé. C'est un des fondements de la théorie du Big-bang
(inconnue à l'époque de Poe !) : l'Univers est né il y a environ 15 milliards d'années et est
en expansion depuis ;
•
la lumière ne se propage pas à une vitesse infinie : on sait aujourd'hui que sa vitesse dans
le vide est 300 000 km/s.
D'autres phénomènes contribuent à l'obscurité du ciel nocturne. Par exemple, en raison de
l'expansion de l'Univers, la lumière émise par les étoiles lointaines est décalée vers le rouge et
l'infrarouge. C'est le même mécanisme qui fait que nous entendons le son de la sirène d'une
ambulance plus aigu quand elle se rapproche de nous, et plus grave quand elle s'éloigne. Ainsi,
cette lumière que nous recevons n'est plus dans le domaine visible et n'est donc pas perceptible
par notre oeil.
Source : lamap
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Boite à outil 6 (BO6) : Les radiations solaires : leur chemin
Est-ce que toute la radiation émise par le Soleil nous parvient ?
Pose ton hypothèse sur ce schéma en symbolisant la radiation par des flèches de grosseur
différente suivant la quantité.
Surface terrestre
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Corrigé
Une partie de
l’énergie est
renvoyée vers
l’espace par
l’atmosphère
atmosphère
Surface terrestre
Les gaz à effet de
serre* dans
l’atmosphère retiennent
une partie de la chaleur
La surface de la
Terre est réchauffée
par le Soleil et
renvoie la chaleur
* principaux gaz à effet de serre : vapeur d’eau, méthane (CH4), dioxyde de carbone (CO2)
… et pour plus de détails…
Source : la.climatologie.free.fr/atmosphere/atmosphere.htm
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Et s’il n’y avait pas d’atmosphère ? Schématise à nouveau ce qui se passerait dans ce cas
de science-fiction…
Surface
L’atmosphère est donc à l’origine de ce qui est appelé effet de serre.
L’effet de serre permet de garder ………………………………………………. (15°C) sur la Terre.
S’il n’y avait pas l’effet de serre dû aux gaz de l’atmosphère, la température à la surface de la
Terre serait plus ……………………………. (-18°C).
Mais si la concentration de ces gaz à effet de serre dans l’atmosphère augmente, la température à
la surface terrestre va ……………………………. ! Attention aux conséquences….
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Boite à outil 7 (BO7) : Observe… l’albédo
Matériel :
-
assiettes en plastique
différentes matières représentant des surfaces terrestres : eau, glace, neige,
sable, cailloux,…
une lampe de poche
une feuille blanche
du ruban adhésif
un miroir
Méthode :
Remplir une assiette d’une des matières à tester.
Fixer la feuille blanche contre le mur.
Obscurcir la pièce et diriger la lampe de poche sur l’assiette de sorte à voir un reflet sur la feuille
blanche.
Répéter l’expérience avec les autres matières et comparer l’intensité des reflets.
Comparer aussi avec la lumière réfléchie par le miroir.
L’albédo est le rapport de la radiation réfléchie par une surface sur la radiation reçue par cette
surface.0 correspond au noir parfait et 1 correspond au miroir parfait.
Relie chaque surface à son albédo :
0.4
glace
0.04
lave
0.3
0.9
sable
neige
0.39
Moyenne terrestre
0.1
forêt
champs
9
0.2
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Corrigé
Lave
forêt
champs
sable
Moyenne terrestre
glace
neige
10
0.04
0.1
0.2
0.3
0.39
0.4
0.9
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Boite à outil 8 (BO8) : Les corrélations liées à la radiation solaire
Mesures météorologiques d’une station au Grand-Saint-Bernard (alt. 2472 m)
Température moyenne (°C)
Température maximale (°C, rouge)- Température minimale (°C, bleu)
Ensoleillement (min.)
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Vent (km/h, vitesse moyenne) - Vent (km/h, vitesse maximale)
Pression (hPa)
Humidité relative (%)
Taux de photosynthèse
Source :FAO
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Boite à outil 9 (BO9) : Expérience : évaporation
L’importance du soleil dans l’évaporation de l’eau
Matériel:
- 2 contenants de verre ou de métal de formes identiques (pas de plastique car ils
pourraient fondre)
- 1 cylindre gradué
- 1 lampe
- 1 ampoule 100 watts.
- eau
Méthode :
Verser la même quantité d’eau dans les deux contenants.
Placer l’ampoule de 100 watts dans la lampe. Allumer la lampe et la placer au dessus d’un des
deux contenants.
Attendre 4-5 heures.
À l’aide du cylindre gradué, mesurer l’eau du contenant qui n’était pas sous la lampe. À l’aide du
cylindre gradué, mesurer l’eau du contenant qui était sous la lampe.
Comparer les deux quantités d’eau.
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Boite à outil 10 (BO10) : Et si la radiation solaire diminuait ?
Replace les factuers suivants par rapport à une des deux causes présentées :
-
la température
l’évaporation
les précipitations
la sécheresse
la photosynthèse
la production végétale
les quantités de nourriture
les famines
la lumière
Si la
radiation
solaire
diminuait…
………………………………….
…………………………………..
.………………………………….
…………………………………..
………………………………….
…………………………………..
………………………………….
…………………………………..
………………………………….
…………………………………..
………………………………….
…………………………………..
………………………………….
…………………………………..
NTERA
AUGME
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IENT
DIMINUERA
IENT
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Boite à outil 11 (BO11) : Relevé d’observations sur la radiation solaire
RADIATION SOLAIRE A …… HEURES
LUNDI
MARDI
MERCREDI
JEUDI
VENDREDI
Sensorscope
(W/m2)
Informations des
médias (index UV)
METEO
LUNDI
MARDI
MERCREDI
JEUDI
VENDREDI
Temps
observé
EVOLUTION JOURNALIERE (feuille de calcul Excel, utilisable directement depuis la
version Word du cahier qui se situe sur le CD du classeur)
Heures
00:00
01:00
02:00
03:00
04:00
05:00
06:00
07:00
08:00
09:00
10:00
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
18:00
19:00
20:00
21:00
22:00
23:00
00:00
moyenne
début
fin
durée
15
LUNDI
MARDI
#DIV/0!
MERCREDI
#DIV/0!
0
JEUDI
#DIV/0!
0
VENDREDI
#DIV/0!
0
#DIV/0!
0
0
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Mode d’emploi de la feuille de calcul Excel :
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•
Cliquer sur le tableau Excel avec le bouton droit de la souris, sélectionner « Objet Feuille
de calcul» puis « modifier ».
•
Une fenêtre Excel s’ouvre alors dans le document Word.
•
On peut entrer les données de radiation solaire relevées avec Sensorscope heure après
heure (voir graphique d’une journée sur le site Sensorscope, en déplaçant la souris sur la
courbe du graphique, les données apparaissent.)
•
La moyenne de radiation se calcule automatiquement (en W/m2).
•
On peut entrer l’heure de début et l’heure de fin d’ensoleillement, en nombre décimal (ex :
8h20 = 8.3), et la durée d’ensoleillement se calcule automatiquement.
•
La feuille de calcul Excel redevient un tableau de valeurs dans le document Word quand on
clique à l’extérieur de la feuille de calcul avec le bouton gauche de la souris.
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Boite à outil 12 (BO12) : Les cycles de Milankovic
Les cycles de Milankovic sont la conséquence sur le climat terrestre de la conjonction de trois
facteurs astronomiques :
• l’excentricité terrestre (l’ellipse de l’orbite varie à cause de l’attraction gravitationnelle
due aux autres planètes) ;
• l’obliquité terrestre (l’inclinaison de la Terre varie entre 21.8° et 24.4° sur une période
de 41'000 ans) ;
• la précession (la terre ne tourne pas comme une sphère mais comme une toupie, à
cause du bourrelet équatorial).
Ces trois facteurs ont déterminé des variations de température suivant les latitudes au cours du
temps, qui se sont traduites par les glaciations.
Source : Global Warming Art
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A ces trois facteurs se rajoute l’activité même du Soleil, qui varie sur un cycle de 11 ans. Elle est
visible d’après le nombre et l’activité des taches solaires.
Source : FAO
Taches solaires le 29 mars 2001
(source : NASA)
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Taches solaires le 25 juillet 2007
(minimum du cycle de 11 ans)
(source : planetastronomy.com)
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Boite à outil 13 (BO13) . Bilan
ur-nuit-jour-nuit-jour-nuit-jour-nuit-jour-nuit-jour-nuit-jour-nuit-jour-nuit-jour-n
L’alternance d’ensoleillement et de nuit sur un cycle de 24 heures s’appelle la
…………………………………..
Son effet principal agit sur la photosynthèse : les végétaux ne produisent des
…………………………… et de l’………………………. qu’en phase d’éclairement.
La photopériode varie au cours des saisons : jour plus long en été et plus court en hiver.
Les êtres vivants réagissent à ces variations par plusieurs phénomènes :
VEGETAUX
ANIMAUX
…………
……………….
……………
…………..
…………..
…………
…………..
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…………
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CORRIGE
ur-nuit-jour-nuit-jour-nuit-jour-nuit-jour-nuit-jour-nuit-jour-nuit-jour-nuit-jour-n
L’alternance d’ensoleillement et de nuit sur un cycle de 24 heures s’appelle la
photopériode
Son effet principal agit sur la photosynthèse : les végétaux ne produisent des nutriments /
sucres et de l’oxygène qu’en phase d’éclairement.
La photopériode varie au cours des saisons : jour plus long en été et plus court en hiver.
Les êtres vivants réagissent à ces variations par plusieurs phénomènes :
VEGETAUX
ANIMAUX
hibernation
Bourgeonnement et
mise en dormance des
bourgeons
migration
coloration et
chute des feuilles
en automne
comportement
sexuel
(ici : parade)
floraison
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Changement
morphologique (ex : pelage
chez le lièvre
variable)