Le devenir du rayonnement solaire : albédo, constante solaire et bilan radiatif
Neige, nuages, forêts, océans : chaque surface renvoie une partie de la lumière. Comment la Terre équilibre ses comptes d’énergie.
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Le devenir du rayonnement solaire : albédo, constante solaire et bilan radiatif
Module III : L’éducation à l’environnement et au développement durableSéquence 11 : Le rayonnement solaire et ses influences à la surface de la TerreSéances 57-58 : Le devenir du rayonnement solaire : albédo, constante solaire et bilan radiatif
💡 Idée principale : la Terre reçoit en moyenne 342 W/m² (le quart de la constante solaire, ≈ 1 368 W/m²). Environ 30 % est renvoyé vers l’espace : c’est l’albédo. Les 70 % restants sont absorbés par l’atmosphère et surtout par le sol, qui réémettent l’énergie sous forme d’infrarouge. Au sommet de l’atmosphère, ce qui entre égale ce qui sort : le bilan radiatif est équilibré.
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Étapes résumées
Constante solaire : ≈ 1 368 W/m² reçus perpendiculairement au sommet de l’atmosphère.
Répartie sur toute la sphère (4 πR² au lieu de πR²) : 342 W/m² en moyenne.
Albédo = énergie réfléchie / énergie reçue ; il vaut ≈ 0,30 pour la Terre, 0,85 pour la neige, 0,06 pour l’océan.
Sur 100 unités reçues : 30 réfléchies, 20 absorbées par l’atmosphère, 50 par le sol.
La Terre renvoie 70 unités en infrarouge : le bilan est équilibré et la température moyenne reste stable.
Situation problème
Pendant un exposé au lycée de Garoua, Fadimatou remarque qu’en plein midi, elle a très chaud avec son boubou noir, mais beaucoup moins avec son boubou blanc. Son camarade ajoute qu’au marché, on s’abrite sous des bâches claires, et que les toits en tôle brillante chauffent moins que ceux peints en sombre. Le professeur explique que « la Terre aussi a sa couleur ».
Consignes :
Relève les observations faites par les élèves.
Pourquoi un vêtement clair chauffe-t-il moins qu’un vêtement sombre ?
Que devient la lumière du Soleil quand elle arrive sur la Terre ?
le problèmeje réfléchisla planète Terre
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Compétence visée
Lutter contre l’effet de serre en comprenant comment la Terre reçoit, réfléchit et réémet l’énergie solaire.
Objectifs de la leçon
Définir et calculer l’albédo d’une surface.
Expliquer la notion de constante solaire et la valeur moyenne reçue.
Établir le bilan radiatif de la Terre.
La Terre ne reçoit qu’une partie du rayonnement
Activité 1 : la constante solaire
Des satellites mesurent la puissance solaire au sommet de l’atmosphère. Le document 1 explique pourquoi la puissance moyenne reçue par m² de Terre est plus faible.
Document 1 : la Terre intercepte les rayons sur un disque, mais les répartit sur une sphère.
Quelle est la valeur de la constante solaire ?
Pourquoi divise-t-on par 4 pour obtenir la puissance moyenne ?
Ce qu’il faut comprendre : la constante solaire est la puissance reçue par 1 m² placé perpendiculairement aux rayons, au sommet de l’atmosphère : ≈ 1 368 W/m². La Terre intercepte les rayons sur un disque de surface πR², mais cette énergie se répartit sur toute la sphère (4πR²), dont la moitié est dans la nuit et l’autre reçoit les rayons de façon oblique. En moyenne, chaque m² reçoit donc 1 368 ÷ 4 ≈ 342 W/m².
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L’albédo
1. Albédo
rapport entre l’énergie réfléchie par une surface et l’énergie qu’elle reçoit. Il varie de 0 (corps noir qui absorbe tout) à 1 (miroir parfait qui renvoie tout).
Exemple : une surface qui reçoit 1 000 W/m² et en réfléchit 350 a un albédo de 350 ÷ 1 000 = 0,35.
2. L’albédo de quelques surfaces
Document 2 : valeurs moyennes de l’albédo.
Ce qu’il faut remarquer
Les surfaces claires (neige, nuages, sable) réfléchissent beaucoup : elles chauffent peu.
Les surfaces sombres (forêt, océan, sol humide, goudron) absorbent beaucoup : elles chauffent.
La déforestation et la désertification modifient l’albédo, donc le climat local.
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Le bilan radiatif de la Terre
Activité 2 : que devient l’énergie solaire ?
Le document 3 suit 100 unités d’énergie solaire arrivant au sommet de l’atmosphère (100 unités = 342 W/m²).
Document 3 : bilan radiatif simplifié de la Terre (en % de l’énergie solaire reçue).
Quelle part est réfléchie ? absorbée par l’atmosphère ? par le sol ?
Sous quelle forme la Terre renvoie-t-elle l’énergie absorbée ?
Ce qu’il faut comprendre : sur 100 unités, 30 sont réfléchies vers l’espace (nuages, air, sol clair) : c’est l’albédo de 0,30. 20 sont absorbées par l’atmosphère et 50 par le sol et les océans, qui se réchauffent. Le sol réémet cette énergie sous forme de rayonnement infrarouge (invisible, porteur de chaleur) ; une partie est retenue par les gaz de l’atmosphère et renvoyée vers le sol. Finalement, 70 unités repartent vers l’espace en infrarouge : entrée = sortie.
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Exemple guidé : énergie absorbée par la Terre
Énoncé
Calcule la puissance moyenne absorbée par la Terre, sachant que son albédo est 0,30 et qu’elle reçoit 342 W/m².
Solution
Puissance réfléchie = 0,30 × 342 ≈ 103 W/m². Puissance absorbée = 342 − 103 = 239 W/m² (soit 70 %). Pour rester en équilibre, la Terre doit réémettre ≈ 239 W/m² en infrarouge vers l’espace.
Bilan équilibré ou déséquilibré
Bilan équilibré
Énergie absorbée = énergie réémise : la température moyenne de la Terre reste stable (≈ 15 °C).
≠
Bilan déséquilibré
Si la Terre retient plus qu’elle ne renvoie (plus de gaz à effet de serre), elle se réchauffe jusqu’à un nouvel équilibre.
l’assiette équilibréele bilan énergétiquel’intestin
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Trace écrite : ce que je retiens
À retenir
La constante solaire vaut ≈ 1 368 W/m² ; la Terre reçoit en moyenne 342 W/m² (÷ 4).
L’albédo est la fraction de l’énergie réfléchie ; il vaut environ 0,30 pour la Terre.
Sur 100 unités reçues : 30 réfléchies, 20 absorbées par l’atmosphère, 50 par la surface.
La surface réémet l’énergie absorbée sous forme de rayonnement infrarouge.
Le bilan radiatif est équilibré : ce qui entre au sommet de l’atmosphère en ressort.
Vocabulaire à connaître
Constante solairepuissance solaire reçue par m² au sommet de l’atmosphère, face aux rayons.Albédofraction de l’énergie reçue qui est réfléchie.Infrarougerayonnement invisible émis par les corps chauds.Bilan radiatifcomparaison entre l’énergie reçue et l’énergie renvoyée.W/m²watt par mètre carré : unité de puissance reçue par surface.
je retiensl’énergie (ATP)le cortex
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Je m’évalue
1. Calcule l’albédo d’un sol qui reçoit 500 W/m² et en réfléchit 100.
2. Pourquoi divise-t-on la constante solaire par 4 ?
3. Quelle surface a le plus fort albédo : forêt ou neige ?
4. Sous quelle forme la Terre renvoie-t-elle l’énergie absorbée ?
Réponses : 100 ÷ 500 = 0,2 · disque πR² réparti sur la sphère 4πR² · la neige · rayonnement infrarouge. Le corrigé détaillé et d’autres exercices de ce chapitre sont dans les exercices corrigés.
Erreurs fréquentes
Croire que toute l’énergie solaire atteint le sol : une partie est réfléchie ou absorbée par l’atmosphère.
Oublier que l’albédo n’a pas d’unité : c’est un rapport.
l’énergie solairele panneau solaireles anticorps
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Méthode
Pour lire un schéma de bilan : vérifie toujours que la somme des sorties égale la somme des entrées (au sommet, au niveau de l’atmosphère, au niveau du sol). Une différence signale un réchauffement ou un refroidissement.
Activité d’intégration
La commune de Kaélé veut lutter contre la chaleur dans les écoles. Un ingénieur propose de peindre les toits en blanc et de planter des arbres dans les cours. Un conseiller pense que cela « ne change rien, car le Soleil envoie toujours la même énergie ».
Explique, avec la notion d’albédo, l’effet de toits blancs.
Explique pourquoi les arbres rafraîchissent aussi la cour (ombre, évaporation).
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