\thumb

%%% EXERCICE 1

\begin{qcm}{Vérification des connaissances}{5}
Choisissez la bonne réponse pour chaque série de propositions.
 \begin{questions}
\item Le rayonnement solaire est surtout constitué de :

\choix rayonnements du domaine du visible et des infrarouges ; 

\choix rayonnements X et gamma ;

\choix rayonnements de type ultraviolets et visibles.

\item La puissance du rayonnement solaire reçue par la Terre dépend :
\resetchoix

\choix du diamètre de la Terre et de sa distance au Soleil ;

\choix surtout de l'effet de serre ;

\choix seulement du type d'étoile nous éclairant.

\item La Terre intercepte la puissance rayonnée par le Soleil qui traverse la 
surface :
\resetchoix

\choix de l’intégralité de la surface terrestre soit une sphère entière ;

\choix d’un disque correspondant à la surface projetée de la Terre ;

\choix d’une demi-sphère qui correspond à la moitié de la surface de la Terre 
exposée au Soleil.

\item L’albédo de notre planète :
\resetchoix

\choix n’est dû qu’à la surface terrestre ;

\choix est une constante et vaut 0,7 ;

\choix diminue la puissance solaire absorbée par la surface terrestre.

\item Le rayonnement reçu au sol :
\resetchoix

\choix est équivalent au rayonnement IR émis par la surface ;

\choix est absorbé aussi par la couche d'ozone, ce qui produit un 
effet de serre ;

\choix est un rayonnement UV.

\item L’albédo atteint une valeur minimale sur une surface :
\resetchoix

\choix couverte de glace ;

\choix couverte de neige ;

\choix couverte d’eau liquide.

\item Pour une puissance solaire $P$ interceptée par la Terre et un albédo 
moyen $\alpha$ de la Terre, la puissance radiative reçue par l’atmosphère, les 
océans et les continents vaut :
\resetchoix

\begin{multicols}{3}
\choix[a] $\alpha \times (1-P)$ ;

\choix[d] $\dfrac{P}{\alpha}$ ;

\choix[b] $(1-\alpha) \times P$ ;

\choix[e] $\dfrac{1-P}{\alpha}$ ;

\choix[c] $\dfrac{1+P}{\alpha}$.
\end{multicols}

\newpage

\item La Terre à 15 °C émet des rayonnements :
\resetchoix

\choix de longueur d’onde de l’ordre du $\mu$m ;

\choix de type UV, visibles et IR ;

\choix dans le domaine du visible pour l'\oe{}il humain.

\item La troposphère et la stratosphère de notre planète :
\resetchoix

\choix absorbent surtout des rayonnements infrarouges émis par la 
surface et les 
gaz à effet de serre ;

\choix absorbent en surface une partie du rayonnement UV émis par la 
Terre ;

\choix laissent diffuser l’ensemble du rayonnement visible produit 
par la Terre.

\item La Terre reçoit une puissance radiative moyenne en provenance du Soleil :
\resetchoix

\choix moins grande que celle qu’elle émet ;

\choix aussi grande que celle qu’elle émet ;

\choix moins forte que celle qu'elle produit en interne par radioactivité.

\item L’effet de serre :
\resetchoix

\choix est un phénomène uniquement dû aux activités humaines ;

\choix est un phénomène naturel ;

\choix est limité par la production de CO$_2$ par les végétaux réalisant la 
photosynthèse ;

\choix est limité par la production de méthane par les rizières.

\item Le bilan radiatif de la Terre correspond à la différence entre :
\resetchoix

\choix rayonnement solaire incident et rayonnement infrarouge émis par la Terre 
et l’atmosphère ;

\choix rayonnement IR transmis et rayonnement IR émis par la partie haute de 
l'atmosphère ;

\choix rayonnement solaire reçu et rayonnement terrestre réémis ;

\choix rayonnement IR incident et rayonnement IR émis par la surface.
\end{questions}
\end{qcm}

\begin{corrige}
 \begin{questions}
  \item Réponse \choix[a].
  \item Réponse \choix[a].
  \item Réponse \choix[b].
  \item Réponse \choix[c].
  \item Réponse \choix[a] : environ 390 W.m\up{-2} hors flux de chaleur des 
changements d’états de l’eau...
\item Réponse \choix[c] : maximale pour la neige, un peu moins pour la glace qui 
est moins blanche.
\item Réponse \choix[b] : si l’albédo de la Terre est de 0,3 soit 30 \% alors 
il 
reste 70 \% de la puissance surfacique (100 \% - 30 \% soit 1 - 0,3 soit $1 
-\alpha$) pour l’absorption par l’atmosphère et la transmission vers la 
surface. Si on divisait par $P$, les unités ne seraient pas cohérentes. La 
réponse est en W.m\up{-2}.
\item Réponse \choix[a] : des infrarouges et l’ordre de grandeur est en $\mu$m.
\item Réponse \choix[a] : l’atmosphère peut absorber d’autres rayonnements en 
provenance du Soleil mais la surface n’émet que des infrarouges.
\item Réponse \choix[b] : elle reçoit et émet 342 W.m\up{-2}.
\item Réponse \choix[b] : les végétaux absorbent plus de CO$_2$ par 
photosynthèse 
qu’ils n’en produisent pas respiration. Le CO$_2$ et le CH$_4$ sont des gaz à 
effet de 
serre donc ils favorisent l’effet de serre. Les activités humaines l’amplifient.
\item Réponse \choix[c].
 \end{questions}

\end{corrige}

%%% EXERCICE 2

\enlargethispage{2em}

\begin{exo}{Les effets de la fonte de la banquise}{Lycée Jacques Amyot, 
Auxerre}{1}{5}
\label{exo:ch5exo2}
 À partir de vos connaissances, expliquez en quoi la fonte de la banquise et des 
glaciers aux pôles depuis plus de 30 ans peut avoir des répercussions lointaines 
comme la fonte des glaciers dans les Alpes ou l’Himalaya.

Document : albédo de différentes surfaces
\Par
\begin{center}
\begin{tabular}{|>{\centering\arraybackslash}M{1.5cm}
|>{\centering\arraybackslash}m{1.5cm}|>{\centering\arraybackslash}m{
1.5cm} 
|>{\centering\arraybackslash}m{1.5cm}|>{\centering\arraybackslash}m{
1.5cm}|} \hline
Surface & Océan & Sable & Glace & Neige fraîche \\ \hline
\vphantom{Albédo} \linebreak 
\vphantom{Albédo}\rput[B](0,0.25){Albédo}  & 0,05 à 0,1 & 0,25 à 
0,4 & 0,6 & 0,9 \\ \hline
\end{tabular}
% 
% 
% 
%  \begin{tabular}{|c|c|}
% \hline\tabulartitle Surface & Albédo \\ \hline
% Océan & 0,05 à 0,1 \\ \hline
% Sable & 0,25 à 0,4 \\ \hline
% Glace & 0,6 \\ \hline
% Neige fraîche & 0,9 \\ \hline
% \end{tabular}
\end{center}
\end{exo}

\begin{corrige}
 Si la banquise et les glaciers fondent au niveau des pôles, la surface blanche 
diminue, donc il y a moins de surface réfléchissante à fort albédo. Ces 
surfaces 
sont remplacées par des surfaces océaniques dont l’albédo a une valeur comprise 
entre 0,05 et 0,1. Ces surfaces absorbant le rayonnement solaire, 
la 
température terrestre globale augmente. Cette augmentation générale 
fait  fondre également les glaciers alpins et himalayens.
\end{corrige}

%%% EXERCICE 3

\begin{exo}{\'Etude de deux gaz 
à effet de serre}{Lycée Richelieu, Rueil-Malmaison}{1}{15}
\label{exo:ch5exo3}
\begin{questions}
 \item \`A partir du document ci-dessous, expliquer en quoi l’eau et 
le dioxyde de 
carbone, gaz à effet de serre, ne protègent pas les êtres vivants des 
rayonnements ultraviolets.
\item Expliquer avec le document ci-dessous en quoi on peut dire que 
ces deux 
gaz 
ont des propriétés physiques différentes, mais aussi communes dans le cadre de 
l’effet de serre.
\end{questions}

\vspace{0.5cm}

%% FIGURE 5.4
\begin{figure}
 \begin{center}
\includegraphics{127_05E-01}
 \end{center}
\figcaption{Absorption et rayonnements}
\end{figure}
\end{exo}

\begin{corrige}
 \begin{questions}
  \item L’eau absorbe des rayonnements dans le domaine du rouge et de 
l’infrarouge et le CO$_2$ uniquement dans les infrarouges. Aucun des deux 
n’absorbe d’UV d’après ce graphique. Or, si un rayonnement n’est pas absorbé, il 
risque d’arriver en surface et les UV étant cancérigènes, l’eau et le CO$_2$ ne 
protègent pas les êtres vivants des UV.
\item La vapeur d'eau, tout comme le CO$_2$, absorbe les infrarouges. Ces deux 
gaz participent donc à l'absorption d'infrarouges issus de la surface de la 
Terre, et participent donc tous les deux à l'effet de serre.

\Par

On peut noter, en outre, que les spectres d'absorption de ces deux 
gaz dans le domaine des infrarouges sont presque complémentaires de 
telle sorte que l'atmosphère absorbe l'essentiel du rayonnement 
infrarouge reémis par la surface de la Terre vers l'espace.
 \end{questions}

\end{corrige}

%%% EXERCICE 4

\begin{exo}{Énergie reçue par la Terre et la Lune}{Lycée Saint-Martin, 
Rennes}{2}{25}
\label{exo:ch5exo4}
 La puissance totale du rayonnement émis par le soleil dans toutes les 
directions est égale à $P_{\text{soleil}} = 3,87 . 10^{26}$ W.

\Par 

Sur Terre, la température moyenne est de 15 °C alors que sa température 
théorique devrait être de -18 °C si c’était un corps noir. 

Sur la Lune qui n’a 
pas d’atmosphère, la température fluctue entre -170 °C et 130 °C alors 
que, sur 
Terre, elle varie entre -80 °C et 60 °C.

\Par

Informations complémentaires : 
\begin{itemize}
 \item Distance Terre-Soleil : $d_{TS} = 149,6$ millions de km.
 \item Distance Lune-Soleil : $d_{LS} = 149,6$ millions de km (nous ferons 
l'approximation que la distance Lune-Soleil est identique à la 
distance Terre-Soleil).
 \item Rayon terrestre : $R_T = \text{\numprint{6371}}$ km.
 \item Rayon lunaire : $R_L = \text{\numprint{1737}}$ km.
\end{itemize}
\begin{questions}
 \item Calculer la puissance surfacique du rayonnement solaire 
lorsque celui-ci 
atteint la Terre et lorsqu’il atteint la Lune.
\item Calculer la puissance reçue par la Terre et la Lune, puis comparer les 
résultats.
\item Calculer la puissance du rayonnement solaire renvoyé vers 
l’espace, sachant que l’albédo terrestre est de 30 \% en moyenne pour la Terre 
et de 11 \% pour la Lune.
\item En déduire la valeur de la puissance du rayonnement absorbée 
par la Terre et la Lune.
\item Expliquer en quoi cette part absorbée n’est pas strictement 
équivalente qualitativement.
\item \begin{questions}
    \item   \`A partir de vos connaissances, réaliser un schéma 
présentant le 
bilan 
radiatif de la Terre. 

Le détail des valeurs n’est pas attendu. Il faut cependant faire apparaître les 
valeurs du rayonnement total arrivant en haut de l’atmosphère et celle du 
rayonnement total repartant vers l’espace.
\item Faire de même pour la Lune, sachant que c’est un satellite naturel de la 
Terre situé comme la Terre à environ $150 . 10^6$ km du Soleil et que 
la Lune 
n’a pas d’atmosphère. La Lune se comporte comme un corps noir.  
Justifier le schéma grâce à un court texte.
      \end{questions}
\item Expliquer à partir de vos connaissances pourquoi les fluctuations de 
température sont plus grandes sur la Lune et pourquoi la température moyenne est 
plus faible au sol que sur Terre.
\end{questions}

\end{exo}

\begin{corrige}
\begin{questions}
\item Le rayonnement solaire est émis dans toutes les directions selon une 
surface sphérique. La Terre et la Lune étant à la même distance du Soleil, le 
rayonnement solaire se répartit sur une surface d’aire 
\[A_S = 4\pi \times 
(149.10^{9})^2,\] donc la puissance surfacique est donnée par :
\[P_s = \frac{P_{\text{soleil}}}{A_S}\]
avec $A_S = 4\pi d_{TS}^2$. D'où :
\[P_s = \frac{3,87.10^{26}}{4\pi \times (149.10^{9})^2} = 1,39 \times 10^3 
\mbox{ W.m\up{-2}}.\]
\item La Terre reçoit le rayonnement solaire sur un disque de rayon $R_T$ 
tandis que la Lune reçoit ce même rayonnement sur un disque de rayon $R_L$. 
Sachant que l’aire d’un disque 
est $\pi R^2$ alors :
\begin{itemize}
 \item  la Terre reçoit une puissance $P_T = P_s \times \pi \times R_T^2$,
 d’où \[P_T = 1,39.10^3 \times \pi \times (6,37.10^6)^2 = 1,77.10^{17} \text{ 
W.}\]
\item la Lune reçoit une puissance \[P_L = 1,39.10^3 \times \pi \times 
(1,74.10^6)^2 = 1,32.10^{16} \text{ W.} \]
\end{itemize}
\item Du fait de l’albédo $\alpha$, la Terre perd 30 \% de la puissance $P_T$  
et la Lune perd 11 \% de la puissance $P_L$. 
\begin{itemize}
 \item Pour la Terre : $P_{\text{diff},T} = \alpha_T.P_T = 0,3 \times 
1,77.10^{17} 
= 
5,31.10^{16}$ W.
\item Pour la Lune, $P_{\text{diff},L} = \alpha_L.P_L = 0,11 \times 
1,32.10^{16} = 
1,45. 10^{15}$ W.
\end{itemize}
\item La puissance reçue par la Terre se répartit en puissance 
absorbée $P_{\text{abs}}$ et puissance renvoyée vers l'espace 
$P_{\text{diff}}$. On a donc :
\[P_{\text{abs},T} = P_T - P_{\text{diff},T} = (1-\alpha_T) \times 
P_T = 0,7 \times 1,77.10^{17} = 1,24.10^{17} \text{ W}.\]
De même, pour la Lune, on a :
\[P_{\text{abs},L} = (1-\alpha_L) \times 
P_L = 0,89 \times 1,32.10^{16} = 1,17.10^{17} \text{W}.\]
\item Sur la Lune, il n’y a pas d’atmosphère, contrairement à la 
Terre, donc pas 
d’absorption par l’atmosphère. Donc les rayons non réfléchis sont, sur Terre, 
soit absorbés par l’atmosphère soit absorbés par la surface alors que sur la 
Lune ils sont absorbés uniquement par la surface. 
\item Le schéma ci-dessous montre le bilan radiatif simplifié de la Terre 
(en haut) et de la Lune (en bas).

\Par

%% FIGURE 5.6
\begin{figure}
 \begin{center}
 \includegraphics{134_05E-02}
 \end{center}
% \figcaption{Bilan radiatif simplifié de la Terre (en haut) et de la Lune 
% (en bas)}
\end{figure}

\Par

La Terre et la Lune étant à la même distance, la puissance solaire reçue est la 
même, soit 342 W.m\up{-2}. La Terre et la Lune étant en équilibre 
radiatif, la somme des 
rayons perdus équivaut au rayonnement solaire incident. Sur la Lune, les rayons 
perdus correspondent au rayonnement émis par la surface à -18 °C et les rayons 
réfléchis par diffusion par la surface.
\item  Cas des maxima : Sur la Lune, il n’y a pas d’atmosphère donc pas 
d’absorption par l’atmosphère ; les rayons incidents arrivent sur la surface et 
sont soit réfléchis soit absorbés. La Lune échauffée à -18 °C se comporte comme 
un corps noir. Elle émet des IR vers l’espace (sans qu’aucun rayon ne soit 
réémis vers la surface). Donc, sa température théorique coïncide avec sa 
température réelle moyenne mesurée.

Mais sur Terre, la présence de gaz d’une atmosphère induit un albédo 
que n’a 
pas la Lune dépourvue d’atmosphère. Or, l’albédo réduit la part de rayonnements 
arrivant en surface donc susceptible d’échauffer la surface. Ainsi, la surface 
terrestre chauffe moins en journée.

\Par

Cas des minima : quand la Lune est éclairée par le Soleil, la totalité 
des rayonnements solaires arrivent au sol de la Lune donc la surface s’échauffe 
et la surface émet des IR qui vont dans l’espace. La nuit, le sol 
lunaire ne 
reçoit pas de rayonnements IR depuis l’atmosphère contrairement à la Terre. 
Donc la nuit, la surface terrestre peut être échauffée par les IR et 
donc les minima sont moindres sur Terre.
\end{questions}

\Par

\textit{Conclusion :} sur terre, c’est la présence d’une atmosphère 
qui 
explique les 
différences entre températures théoriques et réelles ainsi que les variations 
de températures plus faibles que sur la Lune : l’albédo de l’atmosphère limite 
les fortes 
températures 
en journée et tandis que l'atmosphère, composée de gaz à effet de serre, envoie 
des IR vers la surface, ce qui la réchauffe. Cela limite les températures très 
négatives.
\end{corrige}

%%% EXERCICE 5

\begin{exo}{\fontsize{10}{10}\selectfont Puissance reçue par les planètes 
du système solaire}{Lycée 
Lakanal, Sceaux}{2}{20}
\label{exo:ch5exo5}
    Le tableau ci-dessous regroupe un certain nombre d'informations sur les 
huit planètes du système solaire.
\begin{center}
 
\begin{tabular}{|>{\centering\arraybackslash}P{2cm}|*{3}{>{
\centering\arraybackslash}p{2.2cm}|}} \hline
Planète & Distance au Soleil \linebreak (en $10^6$ km) & Rayon de la planète 
\linebreak (en km) & Puissance surfacique solaire reçue \linebreak (en 
W.m\up{-2}) \\ \hline
Mercure & \numprint{58} & \numprint{2439} & \numprint{9467} \\ \hline
Vénus & \numprint{108} & \numprint{6052} & \numprint{3140} \\ \hline
La Terre & \numprint{150} & \numprint{6371} & \numprint{1368} \\ \hline
Mars & \numprint{227} & \numprint{3390} & \numprint{613} \\ \hline
Jupiter & \numprint{778} & \numprint{69911} & \numprint{53} \\ \hline
Saturne & \numprint{1457} & \numprint{58232} & \numprint{12} \\ \hline
Uranus & \numprint{2870} & \numprint{25362} & \numprint{4} \\ \hline
Neptune & \numprint{4500} & \numprint{24622} & \numprint{1,6} \\ \hline
\end{tabular}
\end{center}
 \begin{questions}
\item Tracer la courbe représentant la puissance surfacique reçue en fonction 
de la distance du Soleil.
\item Parmi les propositions suivantes, choisir la ou les réponse(s) exacte(s) 
:\resetchoix

\choix La puissance surfacique reçue par une planète ne dépend pas de sa 
distance au Soleil.

\choix La puissance surfacique reçue par une planète est proportionnelle à sa 
distance au Soleil.

\choix Plus la distance entre le Soleil et la planète est grande, plus la 
puissance surfacique reçue est grande.

\choix Plus la distance entre le Soleil et la planète est grande, plus la 
puissance surfacique reçue est petite.

\item En prenant en compte les rayons des différentes planètes, calculer la 
puissance reçue par chaque planète et compléter le tableau 
ci-dessous.

\begin{center}
\begin{tabular}{|>{\centering\arraybackslash}P{2cm}|*{3}{>{
\centering\arraybackslash}p{3cm}|}} \hline
Planète & Puissance reçue \linebreak (en W) \\ \hline
Mercure & \\ \hline
Vénus & \\ \hline
La Terre & \\ \hline
Mars &  \\ \hline
Jupiter & \\ \hline
Saturne & \\ \hline
Uranus &  \\ \hline
Neptune & \\ \hline
\end{tabular}
\end{center}
\item La température de surface de Mercure est de 167 °C alors que la 
température de surface de Vénus est 464 °C. \`A partir de vos connaissances, 
proposer une explication au fait que la température à la surface de Mercure 
soit plus faible qu'à la surface de Vénus.
\end{questions}

\end{exo}

\begin{corrige}
\begin{questions}
 \item En choisissant une échelle judicieuse, le graphique demandé est le 
suivant :

% %%% PAGE SUIVANTE
% \vspace*{0.5cm}
% \begin{center}
%  \textit{Voir graphique page suivante.}
% \end{center}
% \vspace*{0.5cm}
% \newpage

\begin{figure}
 \begin{center}
    \includegraphics[scale=1.2]{135_05E-03}
 \end{center}
\end{figure}
\item La seule proposition correcte est la dernière : \og \textit{Plus la 
distance entre le Soleil et la planète est grande, plus la puissance surfacique 
reçue est petite.}\fg{}.
\item Pour obtenir la puissance reçue $P$,  il faut multiplier la puissance 
surfacique reçue au niveau de
chaque planète $P$, par la surface $S$ du disque imaginaire de même rayon r que 
la planète considérée :
\[P = P_s \times S \quad \text{ avec $S = \pi\times r^2$.}\]

\begin{attention}
 Dans l'application numérique, il faut bien penser exprimer $r$ en 
mètres !
\end{attention}

D'où les résultats regroupés dans le tableau ci-dessous.

\vspace{0.2cm}

\begin{center}
\begin{tabular}{|>{\centering\arraybackslash}P{2cm}|*{3}{>{
\centering\arraybackslash}p{3cm}|}} \hline
Planète     & Puissance reçue \linebreak (en W) \\ \hline
\vphantom{${2_2^2}^2$} Mercure     & $1,7.10^{17}$     \\ \hline
\vphantom{${2_2^2}^2$} Vénus       & $3,61.10^{17}$    \\ \hline
\vphantom{${2_2^2}^2$} La Terre    & $1,74.10^{17}$    \\ \hline
\vphantom{${2_2^2}^2$} Mars        & $2,21.10^{16}$    \\ \hline
\vphantom{${2_2^2}^2$} Jupiter     & $8,13.10^{17}$    \\ \hline
\vphantom{${2_2^2}^2$} Saturne     & $1,28.10^{17}$    \\ \hline
\vphantom{${2_2^2}^2$} Uranus      & $8,08.10^{15}$    \\ \hline
\vphantom{${2_2^2}^2$} Neptune     & $3,05.10^{15}$    \\ \hline
\end{tabular}
\end{center}

\vspace{0.5cm}

\item La puissance surfacique reçue par Vénus est plus faible que celle reçue 
par Mercure car elle est plus éloignée du Soleil. On s'attendrait donc à ce que 
la température sur Vénus soit moins élevée que sur Mercure.

La différence s'explique par le fait que, contrairement à Vénus, Mercure n'a pas 
d'atmosphère.

L'atmosphère de Vénus lui permet de conserver une partie de l'énergie 
reçue (par effet 
de serre) ce qui contribue à augmenter la température à sa surface.
\end{questions}
\newpage
\end{corrige}


% \begin{exo}{\fontsize{11.5}{11.5}\selectfont Climat et excentricité de l’orbite 
% terrestre}{\null}{2}{20}
%  L’orbite de la Terre n’est pas strictement circulaire. Elle est plutôt 
% elliptique c’est-à-dire ovale. La distance Terre Soleil n’est donc pas 
% constante. Le point où la Terre est le plus proche du soleil est appelé 
% périhélie et le point où la Terre est la plus éloignée du soleil est appelé 
% aphélie.
% 
% Pour l’orbite terrestre, l’excentricité « $e$ » est faible : entre 0,005 et 
% 0,058. 
% 
% Plus « $e$ » se rapproche de 0, plus l’ellipse se rapproche du cercle. 
% Actuellement $e = 0,017$. 
% 
% %%% PAGE SUIVANTE
% \vspace*{0.5cm}
% \begin{center}
%  \textit{Voir figure page suivante.}
% \end{center}
% \vspace*{0.5cm}
% \newpage
% 
% 
% %% FIGURE 5.5
% \begin{figure}
%  \begin{center}
%  \includegraphics[scale=0.95]{05_ex05_5_5}
%  \end{center}
% \figcaption{Orbite terrestre et excentricité}
% \end{figure}
% 
% \Par
% \begin{questions}
%  \item A partir de vos connaissances, précisez en justifiant si c’est au 
% périhélie ou à l’aphélie que la Terre reçoit un maximum de puissance solaire.
% \item On appelle $d_{TSa}$ la distance Terre-Soleil à l’aphélie et $d_{TSp}$ au 
% périhélie on a 
% \[\frac{d_{TSa}}{d_{TSp}} = \frac{1+e}{1-e}.\]
% 
% Déterminer la valeur de ce rapport à notre époque et lorsque l’excentricité est 
% maximale et minimale. 
% 
% Puis déterminer le pourcentage de puissance solaire supplémentaire interceptée 
% par la Terre au périhélie par rapport à l’aphélie.
% \item On considère que l’aphélie actuelle correspond au solstice d’hiver dans 
% l’hémisphère sud. 
% 
% A partir de vos connaissances, proposez les conséquences possibles pour les 
% saisons actuelles en cas d’excentricité maximale.
% \end{questions}
% \end{exo}
% 
% \begin{corrige}
%  \begin{questions}
% \item  On voit qu’à la périhélie la Terre est plus proche du soleil alors qu’à 
% l’aphélie, elle est au plus loin. Or, on sait que la puissance solaire se 
% répartit sur une surface sphérique de plus en plus grande à mesure que l’on 
% s’éloigne du Soleil (cercle rouge ou cercle orange sur la figure ci-dessous). 
% Or, plus la sphère a un rayon important, plus la puissance surfacique diminue
% donc la puissance reçue sera minimale à l’aphélie et maximale au périhélie.
% 
% %%% PAGE SUIVANTE
% \vspace*{0.5cm}
% \begin{center}
%  \textit{Voir illustration page suivante.}
% \end{center}
% \vspace*{0.5cm}
% \newpage
% 
% %% FIGURE 5.7
% \begin{figure}
%  \begin{center}
%  \includegraphics{05_cr05_5_7}
%  \end{center}
%  \figcaption{Explication de la variation de la puissance solaire}
%  \end{figure}
% \item On a la formule :  \[\frac{d_{TSa}}{d_{TSp}} = \frac{1+e}{1-e}.\] avec $e 
% = 0,017$ aujourd’hui et 0,058 au 
% maximum et 0,005 au minimum donc :
% \begin{itemize}
%  \item à notre époque : 
%  \[\frac{d_{TSa}}{d_{TSp}} = \frac{1+0,017}{1-0,017} = 1,035.\]
%  \item au périhélie : \[\frac{d_{TSa}}{d_{TSp}} = \frac{1+0,058}{1-0,058} = 
% 1,12\]
%  \item à l'aphélie : \[\frac{d_{TSa}}{d_{TSp}} = \frac{1+0,005}{1-0,005} = 
% 1,01\]
% \end{itemize}
% Ainsi, si le maximum au périhélie 1,12 équivaut à 100 \% alors l’aphélie 
% équivaut à 
% \[\frac{1,01 \times 100}{1,12} = 90\ \%\] donc en 
% passant de l’aphélie au 
% périhélie la Terre gagne 10 \% de puissance radiative solaire. 
% \item Si l’excentricité de la Terre augmente, alors la Terre à l’aphélie dans 
% l’hémisphère sud au solstice d’hiver recevra un rayonnement solaire encore plus 
% faible qu’aujourd’hui ; le rayonnement sera minimal quand l’excentricité est 
% maximale. Or, si le rayonnement est minimal la température sera encore plus 
% basse en hiver donc les hivers les plus froids en cette position de l’orbite.
%  \end{questions}
% 
% \end{corrige}

%%% EXERCICE 6

\begin{exo}{Quand Laki s’en mêle}{Lycée Claude Bernard, Paris}{2}{20}
\label{exo:ch5exo6}
 Les volcans entrant en éruption peuvent projeter de grandes quantités de 
SO$_2$ dans l’atmosphère se transformant en gouttelettes d’acide sulfurique 
qui peuvent résister 2 à 3 ans dans la stratosphère (haute atmosphère). Ces 
aérosols (particules en suspension dans l’air) dans l’atmosphère, ainsi que les 
poussières de roches projetées en altitude (en cas de volcanisme explosif) 
peuvent 
augmenter l’albédo global et  entraîner un refroidissement de l’atmosphère donc 
une baisse de la température de surface. 

 \Par
 
 
 Ce fut le cas de l’éruption du volcan Laki en Islande du 8 juin 1783 à février 
1784. Il libéra de très grandes quantités de lave. Il est à l’origine du plus 
grand épanchement de laves des temps historiques dans le monde. On estime que 
l’éruption du Laki a libéré 20 millions de tonnes de CO$_2$.

\Par

Les molécules toxiques de l’atmosphère ont entraîné une forte mortalité dans la 
biosphère à l’origine de famines. S’en suivirent un pic d’épidémies. 

\Par

Outre les gaz toxiques entraînant une surmortalité, ce volcanisme a entraîné 
des perturbations climatiques occasionnant à leur tour de nombreux 
morts. 

\Par

L’hiver 1783-1784 fut marqué par de fortes chutes de neige en France et un fort 
gel (-14 °C dans l’Ain). La fonte des épaisses couches de 
neige entraîna de 
fortes inondations. Ce fut l’hiver le plus rude depuis plus d’un 
siècle.

\begin{questions}
 \item Avec le matériel suivant, proposer une expérience analogique 
qui 
montrerait l’impact ou non des aérosols sur le rayonnement solaire incident reçu 
au niveau du sol.

\textit{Matériel :} lampe, luxmètre, cristallisoir, couvercle, papier d’Arménie 
(sa 
combustion produit une fumée grisâtre).
\item À partir des résultats donnés dans le tableau ci-dessous et du texte 
introductif, expliquer en quoi de fortes éruptions volcaniques comme 
celles du 
Laki ont pu entraîner un refroidissement global.

\Par

\begin{table}
\begin{center}
 
\begin{tabular}{|>{\centering\arraybackslash}M{3cm}|>{
\centering\arraybackslash}m{1.8cm}|>{\centering\arraybackslash}m{1.8cm
} | }
\hline\tabulartitle \vspace*{0.5em} Cristallisoir \vspace*{0.5em} & 
Sans fumée & Avec fumée \\ \hline
Intensité lumineuse réçue par le luxmètre & 
\numprint{1253} & 842 \\ \hline
\end{tabular}
\end{center}
\tabcaption{Résultats expérimentaux (valeurs exprimées en W.m\up{-2})}
\end{table}
\end{questions}

\end{exo}

\begin{corrige}
 \item \textbf{Schéma de l'expérience}
 
 %% FIGURE 5.8
 \begin{figure}
  \begin{center}
  \begin{tikzpicture}
    \node[anchor=south west] at (0,0) {\includegraphics{137_05E-04}};
    \node[fill=LG,text width=16mm,align=center] at (4.7,3.4) 
{Couvercle transparent};
\end{tikzpicture}
  \end{center}
  
\figcaption{Schéma de l'expérience et du dispositif témoin}
 \end{figure}
\item \begin{methode}
       \begin{itemize}
        \item  On part de ce que l’on voit.
    \item Ne pas confondre les observations et les déductions
    \item Citer des valeurs
    \item Faire le lien entre le modèle et la réalité
    \item Vérifier que l’on a bien répondu à la question en la relisant.
       \end{itemize}
      \end{methode}

      On voit qu'avec la fumée dans le cristallisoir, l’intensité lumineuse 
reçue, après avoir traversé la fumée, n’est que de 842 W.m\up{-2}, alors que 
sans fumée elle était de \numprint{1253} W.m\up{-2}.
Donc, on peut déduire que le rayonnement de la lampe a été soit absorbé, soit a 
pu être plus réfléchi par la fumée, du fait de sa couleur (gris clair).

\Par

Or, la fumée représente l’effet qu’auraient les aérosols volcaniques dans 
l’atmosphère. Donc, les aérosols volcaniques pourraient limiter la transmission 
des rayons solaires, entraînant une surface moins chauffée. Ainsi, elle 
émettrait moins d’infrarouges qui seraient moins renvoyés par les gaz à effet de 
serre vers la surface. 

\Par

Avec un déficit de rayonnement reçu par la surface, on peut comprendre que la 
surface terrestre ait pu subir un refroidissement suite à cette 
éruption 
volcanique.
\end{corrige}

%%% EXERCICE 7

% \begin{exo}{Mars vs Vénus}{Lycée Clémenceau, Nantes}{2}{15}
% À partir des données du tableau page suivante et de vos connaissances, 
% expliquez 
% les écarts réduits ou importants entre température réelle et théorique pour 
% Vénus et Mars. Le cas de la Terre est rappelé à titre informatif mais n'a pas 
% à être traité.
% 
% % %%% PAGE SUIVANTE
% % \vspace*{0.5cm}
% % \begin{center}
% %  \textit{Voir tableau page suivante.}   
% % \end{center}
% % \vspace*{0.5cm}
% % \newpage
% 
% 
% \begin{center}
% \begin{tabularx}{\linewidth}{|>{\raggedright\arraybackslash}p{4cm}|*{3}{>{
% \centering\arraybackslash}X|}}
%  \hline\tabulartitle \diagbox{Paramètres}{Planète} & Vénus & Terre & Mars \\ 
% \hline
% Distance (U.A.) & 0,7 & 1 & 1,5 \\ \hline
% Température de surface théorique calculée (°C) & 30 & -18 & 
% -60 \\ \hline
% Température de surface mesurée (°C) & 480 & 15 & -55 \\ \hline
% Pression atmosphérique (Pa) & $9.10^6$ & $10^5$ & $6.10^{3}$ \\ \hline
% Teneur en CO$_2$ (\%) & 96 & $35. 10^{-3}$ & 95 \\ \hline
% \end{tabularx}
% \end{center}
% 
% \Par
% 
% Information utile : la pression atmosphérique correspond à la force exercée par 
% les gaz atmosphériques sur la surface planétaire.
% \end{exo}
% 
% \begin{corrige}
%  \begin{methode}
%  Le sujet incite :
%   \begin{itemize}
%    \item à faire deux parties : une sur Vénus et une sur Mars ;
%    \item à faire des paragraphes en fonction du paramètre 
% étudié.
%   \end{itemize}
%  \end{methode}
% 
%  
% On voit que Vénus et Mars ont une atmosphère composée à 95 \% environ de 
% CO$_2$. 
% De plus, les températures mesurées de Mars et Vénus sont supérieures à leurs 
% valeurs théoriques : 480 °C au lieu de 30 °C pour Vénus et -55 °C au lieu de 
% -60 °C pour Mars. Mais l’écart est vraiment plus important pour Vénus. Comment 
% l’expliquer ?
% 
% \subsubsectionnn{I) Cas de Vénus}
% 
%  On voit que Vénus est à 0,7 U.A. donc plus proche du Soleil que la Terre. Comme 
% la puissance solaire surfacique dépend de la distance ente une planète et le 
% Soleil et que celle-ci est plus forte à mesure que l’on se rapproche du Soleil, 
% on peut dire que Vénus doit recevoir un rayonnement incident supérieur à celui 
% de la Terre. On peut donc imaginer qu’il y aura plus de rayons transmis vers le 
% sol et que le sol de Vénus sera plus chauffé que celui de la Terre.
% 
% \Par
% 
% De plus, on voit que l’atmosphère de Vénus a une pression atmosphérique de 
% $9.10^6$ Pa ; elle est presque 100 fois supérieure à cette de la Terre. 
% Or, si cette pression est importante c’est qu’il y a plus de CO$_2$ en 
% quantité. Donc, si le CO$_2$, qui est un gaz à effet de serre,  est plus 
% abondant sur Vénus, l’absorption des infrarouges venant du sol de Vénus sera 
% plus importante que celui de la Terre. Ainsi, la surface de Vénus doit recevoir 
% aussi plus d’infrarouges venant de son atmosphère que ce qui se passe sur Terre.
% 
% \Par
% 
% Et qu’en est-il pour Mars ?
% 
% \subsubsectionnn{II) Cas de Mars}
% 
% On voit que Mars est à 1,5 U.A. donc plus éloigné du Soleil que la Terre. Mars 
% doit donc recevoir un rayonnement incident inférieur à celui de la Terre. On 
% peut donc imaginer qu’il y aura moins de rayons transmis vers le sol et que le 
% sol martien sera moins chauffé par le Soleil que celui de la Terre.
% 
% \Par
% 
% De plus, on voit que l’atmosphère de Mars a une pression atmosphérique de 6.103 
% Pa donc bien inférieure à celui de la Terre. Or, si cette pression est faible, 
% c’est qu’il y a quantitativement peu de CO$_2$ même s’il y en 95 \% (95 \% de 
% presque rien). Donc le CO$_2$ est présent mais peu abondant dans l’atmosphère 
% de Mars. L’absorption des infrarouges venant du sol de Mars peut se faire mais 
% elle sera moindre que sur Terre. Donc, la surface de Mars doit émettre un peu 
% d’infrarouges venant de son atmosphère et moins que sur Terre.
% 
% \Par
% 
% \textit{Conclusion :} Vénus, du fait de sa proximité avec le Soleil, doit 
% recevoir plus de 
% rayonnements ayant traversé l’atmosphère, ce qui échauffe plus fortement son sol 
% que sur Terre. De plus, du fait d’une atmosphère constituée surtout de CO$_2$ 
% et en 
% plus grande quantité, les infrarouges émis par la surface sont sûrement mieux 
% retenus par l’atmosphère et renvoyés en plus grande quantité vers la surface, ce 
% qui augmentera encore plus l’échauffement de la surface. Ces facteurs expliquent 
% la température de surface de 450 °C de Vénus.
% \Par
% 
% Mars, plus éloigné du Soleil, doit recevoir au sol moins de rayonnements 
% transmis ayant traversé l’atmosphère ce qui échauffe moins le sol martien que 
% celui de la Terre. De plus, du fait d’une faible pression atmosphérique, malgré 
% la forte quantité de CO$_2$, les infrarouges émis par la surface sont moins 
% retenus par l’atmosphère et moins renvoyés vers la surface de Mars ce qui 
% provoque un effet de serre, mais beaucoup plus faible, expliquant la plus 
% faible 
% température de surface. 
% \end{corrige}

%% EXERCICE 8

\begin{exo}{Trajectoire elliptique de la Terre}{Lycée du Parc, 
Lyon}{3}{25}
\label{exo:ch5exo7}
 La trajectoire de la Terre autour du Soleil n'est pas un cercle. C'est une 
ellipse. Le Soleil n'est pas
situé au centre de l'ellipse (voir schéma).

\Par

\begin{center}
\includegraphics{130_05E-05}
\end{center}

\Par

La position telle que la Terre est au plus près du Soleil est appelée \og
périhélie \fg{} et la position telle que la Terre est la plus éloignée du Soleil 
est appelée \og aphélie \fg{}.

\Par

Au périhélie, la distance Terre-Soleil vaut $d_{\text{DP}} = 1,475.10^8$ km.

\`A l'aphélie, la distance Terre-Soleil vaut $d_{\text{DA}} = 1,525.10^8$ km.

\Par

La Terre passe à l'aphélie aux alentours du 4 juillet et au périhélie aux 
alentours du 3 janvier.

\begin{questions}
 \item Calculer la puissance reçue par la Terre lorsqu'elle se situe au 
périhélie.
\item Calculer la puissance reçue par la Terre lorsqu'elle se situe à l'aphélie.
\item \`A partir de la moyenne des deux valeurs précédentes, estimer 
la 
proportion de l'énergie solaire
reçue sur Terre.
\item Le fait que la trajectoire soit une ellipse permet-il d'expliquer pourquoi 
dans l'hémisphère nord il
 fait (en moyenne) plus chaud l'été que l'hiver ? 
Justifier votre réponse.
\end{questions}

Données :
\begin{itemize}
 \item La formule permettant de calculer le surface d'une sphère de rayon $r$ 
est : $S = 4\times \pi \times r^2$.
\item La puissance émise par le Soleil est de $3,87.10^{26}$ W.
\item La Terre sera assimilée à une sphère de rayon $R_T = 6\ 400$ km.
\end{itemize}



\end{exo}

\begin{corrige}
\begin{questions}
 \item  Pour déterminer la puissance reçue par la Terre au périhélie, il faut 
tout 
d'abord déterminer la puissance surfacique reçue à la distance 
$d_{\text{SP}}$ du Soleil :
\[P_s = \dfrac{P_{\text{Soleil}}}{4\pi d^2_{\text{SP}}} = 
\dfrac{3,87.10^{26}}{4\pi \times (1,475.10^{11})^2} = \text{\numprint{1415}} 
\text{ W.m\up{-2}}.\]

\begin{attention}
 Dans l'application numérique, il faut penser à convertir les km en m !
\end{attention}

Il faut ensuite multiplier cette puissance surfacique par la surface du disque 
imaginaire de même rayon que la Terre pour obtenir la puissance reçue au 
périhélie (notée $P_P$) :

\begin{align*}
 P_P    & = P_s \times S \quad \text{} \\
        & = \text{\numprint{1415}} \times \pi \times 
\text{\numprint{6400000}}^2 = 1,82.10^{17} \text{ W}.
\end{align*}

\begin{attention}
 De la même manière, il ne faut pas oublier de convertir la valeur du rayon de 
la Terre en mètre.
\end{attention}
\item Un raisonnement analogue, où l'on remplace $d_{\text{SP}}$ par 
$d_{\text{SA}}$ permet d'obtenir :
\begin{align*}
 P_S    & = \dfrac{P}{4\pi d^2_{\text{SA}}} = \dfrac{3,87.10^{26}}{4\pi \times 
(1,525.10^{11})^2} = \text{\numprint{1324}} \text{ W.m\up{-2}} \\
        & = \text{\numprint{1324}} \times \pi \times 
\text{\numprint{6400000}}^2 = 1,70.10^{17} \text{ W}.
\end{align*}
\item La moyenne des deux valeurs précédentes permet d'évaluer la puissance 
reçue sur Terre :
\[P = \frac{P_P + P_A}{2} = \frac{1,82.10^{17}+1,70.10^{17}}{2} = 1,76.10^{17} 
\text{ W}.\]
La proportion de l'énergie solaire reçue sur Terre est égale au rapport de 
l'énergie reçue par la Terre sur l'énergie émise par le Soleil, 
c'est-à-dire :
\[\dfrac{P}{P_{\text{Soleil}}} = \dfrac{1,76.10^{17}}{3,87.10^{26}} = 
4,5.10^{-10}.\]
La Terre reçoit environ un demi milliardième de l'énergie produite par le 
Soleil.
\item On pourrait penser que le fait que la Terre soit plus ou moins proche 
Soleil permet d'expliquer
 pourquoi il fait plus chaud en été qu'en hiver dans 
l'hémisphère nord. Or ce n'est pas le cas. En effet,
 la Terre est à l'aphélie 
au début du mois de juillet. C'est donc lorsque la Terre est la plus éloignée du
 Soleil que c'est l'été dans l'hémisphère nord.

Le fait qu'il fasse plus chaud l'été dans l'hémisphère nord est dû à 
l'inclinaison de l'axe de rotation
 de la Terre. \`A cause de cette 
inclinaison, l'angle d'incidence des rayons est plus grand en hiver qu'en
 été 
(voir figure ci-dessous).

\begin{figure}
\includegraphics{139_05E-06}
 \figcaption{Angles d'incidence des rayons solaires aux solstices. \\
Les angles sont donnés pour une latitude de 45°, c'est-à-dire à peu 
près la 
latitude de Paris.}
\end{figure}

Dans L'hémisphère nord, la quantité d'énergie reçue est donc répartie sur une 
plus grande surface en
hiver qu'en été, (voir figure ci-dessous) d'où les différences de températures 
entre ces deux saisons.

\begin{center}
\includegraphics{139_05E-07}
\end{center}


\end{questions}

\end{corrige}



\thumb
\AfficheCorrige
