THEME 2 : LE SOLEIL NOTRE SOURCE D’ENERGIERappels de 2nde

La Terre présente des propriétés uniques dans le système solaire :

- La présence d’eau liquide en grande quantité (milieu de vie pour de nombreuses espèces et constitue l’essentiel de la matière de tous les êtres vivants. La plupart des réactions biochimiques se déroulent en milieu aqueux

- La vie - Atmosphère épaisse avec une compo riche en dioxygène- O3 = couche d’ozone protège les êtres vivants du rayonnement UV B et UVC (les UVA passent)

Eau liquide T et P compatibles

T moyenne de surface de la Terre (15°C environ) dépend de la distance Terre Soleil et de la présence d’une épaisse atmosphère

Pb : Comment expliquer que la température de moyenne de surface reste relativement constante sur quelques centaines d’années ?

http://www.meteofrance.fr/climat-passe-et-futur/le-climat-futur-a-l-echelle-du-globe

Depuis au moins deux millions d'années, le climat de la Terre varie entre glaciaire et interglaciaire avec une quasi-périodicité d'environ 100 000 ans. Le dernier maximum glaciaire a eu lieu il y a 21 000 ans. À cette époque, la température de la Terre n'était que de 4 °C à 7 °C inférieure à sa valeur actuelle, et pourtant le niveau de l'océan était plus bas de quelque 120 mètres. L'Amérique du Nord et l'Eurasie étaient recouvertes d'une couche de glace qui atteignait 1 à 2 km d'épaisseur et s'étendait jusqu'à New-York et au nord de l'Allemagne.La dernière déglaciation, entamée il y a 20 000 ans, s'est révélée climatiquement très favorable à notre espèce. Dans des conditions relativement stationnaires, propices au développement de l'agriculture et de l'élevage, les hommes ont pu croître et se multiplier : les populations humaines ont passé la barre du milliard d'individus vers 1800, puis celle des 7 milliards en 2011. Pour autant, cette période n'a pas été exempte de variations. À titre d'exemple, si l'on regarde l'évolution de la température moyenne dans l'hémisphère nord depuis la fin du haut Moyen-âge, on peut identifier une période légèrement plus chaude entre l'an 950 et 1250 (« l'optimum médiéval ») et une période plus froide entre 1450 et 1850 (« le petit âge glaciaire »). Mais depuis 1850, on constate une tendance claire au réchauffement climatique, et même une accélération de celui-ci.

Evolution de l'anomalie de température moyenne globale sur la période 1860-2012 dans les observations (en noir), et dans les simulations CMIP5  utilisées dans le rapport du GIEC (2013) prenant en compte soit l'ensemble des facteurs connus (anthropiques et naturels, orange), soit uniquement les facteurs naturels (bleu). Les principales éruptions volcaniques sont indiquées par les barres verticales.

Comment expliquer que l’Homme puisse influencer de façon si rapide le climat ? réponse des élèves : on touche à des réservoirs de CO2 (gaz à effet de serre)- combustion des énergies fossiles- déforestation

Qu’est-ce que le climat ? Quel sont les facteurs jouant sur la température de surface de la Terre ?

Séance Répartition horaires Contenu (savoir et savoir-faire) Pilier

2.1 Le rayonnement solaire

Semaine du 4 Nov

1h PC en classe

entière

Pb : Comment l’énergie solaire est-elle produite ? L’énergie dégagée par les réactions de fusion de l’hydrogène qui se produisent dans les étoiles les maintient à une température très élevée. Du fait de l’équivalence masse-énergie (relation d’Einstein), ces réactions s’accompagnent d’une diminution de la masse solaire au cours du temps. Comme tous les corps matériels, les étoiles et le Soleil émettent des ondes électromagnétiques et donc perdent de l’énergie par rayonnement. Le spectre du rayonnement émis par la surface (modélisé par un spectre de corps noir) dépend seulement de la température de surface de l’étoile. Puissance totale du Soleil : 3,87 X 1026 W

Pb : Quelle est la quantité d’énergie solaire reçue sur Terre ? = puissance radiative du Soleil

+ La proportion de la puissance totale, émise par le Soleil et atteignant la Terre, est déterminée par son rayon et sa distance au Soleil. Suite aux calculs, on obtient : La puissance surfacique moyenne du rayonnement solaire arrivant sur l’atmosphère terrestre est 342 W.m-2

1h SVT CE - Correction de l’éval - construction d’une carte mentale du thème 1

Semaine du 11 Nov

TP

Pb : Comment mesurer la puissance radiative du Soleil ? Protocole expérimental ? Hatier p 76 ?

La longueur d’onde d’émission maximale est inversement proportionnelle à la température absolue de la surface de l’étoile (loi de Wien). Savoir-faire : Déterminer la masse solaire transformée chaque seconde en énergie à partir de la donnée de la puissance rayonnée par le Soleil. À partir d’une représentation graphique du spectre d’émission du corps noir à une température donnée, déterminer la longueur d’onde d’émission maximale. Appliquer la loi de Wien pour déterminer la température de surface d’une étoile à partir de la longueur d’onde d’émission maximale.

TP

L’énergie solaire reçue sur Terre est-elle identique en tout lieu sur la Terre et constante sur une année ?Sachez que la quantité d’énergie solaire reçue par la Terre (au sommet de l’atmosphère, 342 W.m-2) est constante et pourtant vous connaissez l’existence de climats, de saisons…Gr1 : travail sur données « météofrance » à Troyes : ≠ t° sur plusieurs jours, Gr2 : travail sur données « météofrance » en France ds ≠ villesGr3 : travail sur données « météofrance » sur le globe en fonction des latitudes.Objectif : Analyser, interpréter et représenter graphiquement des données de températures. Calculer des moyennes temporelles de températures. Comparer des distributions temporelles de températuresAvec doc complémentaires pour tous les Gr (Sur un schéma, identifier les configurations pour lesquelles la puissance reçue par une surface est maximale ou minimale).

Production attendue : diaporama exprimant les recherches

La puissance radiative reçue du Soleil par une surface plane est proportionnelle à l’aire de la surface et dépend de l’angle entre la normale à la surface et la direction du Soleil. De ce fait, la puissance solaire reçue par unité de surface terrestre dépend : - de l’heure (variation diurne) ; - du moment de l’année (variation saisonnière) ; - de la latitude (zonation climatique). Début de construction du schéma bilan

Semaine du 18 Nov

2.2 Le bilan radiatif terrestre

TP

Pb : Comment expliquer que la température moyenne de surface reste relativement constante sur Terre ?Par Gr : travail sur l’albedo de ≠ corps avec luxmètre ou ExAO et sondes voir matos PC en SVTUne fraction de cette puissance, quantifiée par l’albédo terrestre moyen, est diffusée par la Terre vers l’espace, le reste est absorbé par l’atmosphère, les continents et les océans

TP Le sol émet un rayonnement électromagnétique dans le domaine infra-rouge (longueur d’onde voisine de 10 μm) dont la puissance par unité de surface augmente avec la

température. Une partie de cette puissance est absorbée par l’atmosphère, qui elle-même émet un rayonnement infrarouge vers le sol et vers l’espace (effet de serre).

La puissance reçue par le sol en un lieu donné est égale à la somme de la puissance reçue du Soleil et de celle reçue de l’atmosphère. Ces deux dernières sont du même ordre de grandeur. Un équilibre, qualifié de dynamique, est atteint lorsque le sol reçoit au total une puissance moyenne égale à celle qu’il émet. La température moyenne du sol est alors constante.

3. Conversion biologique de l’énergie solaire : La photosynthèse

Semaine du 25 Nov

TP Schéma de la feuille

Recenser, extraire et organiser des informations pour prendre conscience de l’importance planétaire de la photosynthèse.

Une partie du rayonnement solaire absorbé par les organismes chlorophylliens permet la synthèse de matière organique à partir d'eau, de sels minéraux et de dioxyde de carbone (photosynthèse). À l’échelle de la feuille (pour les plantes), la photosynthèse utilise une très faible fraction de la puissance radiative reçue, le reste est soit diffusé, soit transmis, soit absorbé (échauffement et évapo-transpiration). La photosynthèse permet l’entrée dans la biosphère de matière minérale stockant de l’énergie sous forme chimique. Ces molécules peuvent être transformées par respiration ou fermentation pour libérer l’énergie nécessaire au fonctionnement des êtres vivants

TP schéma de la feuille

Pb ; que devient l’énergie lumineuse incidente à la surface d’une feuille ?Comparer les spectres d’absorption et d’action photosynthétique végétal. Représenter sur un schéma les différents échanges d’énergie au niveau d’une feuilleÀ l’échelle de la feuille (pour les plantes), la photosynthèse utilise une très faible fraction de la puissance radiative reçue, le reste estsoit diffusé, soit transmis, soit absorbé (échauffement et évapo-transpiration).

À l’échelle de la planète, les organismes chlorophylliens utilisent pour la photosynthèse environ 0,1% de la puissance solaire totale disponible.

Semaine du 2 déc 1h

Eval de 30 min (15 min PC et 15 min SVT) Suite du cours À partir de l’étude d’un combustible fossile ou d’une roche de son environnement, discuter son origine biologique

À l’échelle des temps géologiques, une partie de la matière organique s’accumule dans les sédiments puis se transforme en donnant des combustibles fossiles : gaz, charbon, pétrole

Semaine du 9 déc

4. Le bilan thermique du corps humain1h SVT Représenter sur un schéma qualitatif les différents échanges

d’énergie entre l’organisme et le milieu extérieur.

Utiliser des données quantitatives sur l’apport énergétique d’aliments dans un bilan d’énergie correspondant à des activités variées.

La température du corps reste stable parce que l’énergie qu’il libère est compensée par l’énergie dégagée par la respiration cellulaire ou les fermentations. Globalement, la puissance thermique libérée par un corps humain dans les conditions de vie courante, au repos, est de l’ordre de 100 W.

1h PC Correction + révisions du Thème 2) Semaine du

16 décEval de 2 heures PC et SVT

puissance totale du Soleil : 3,87 X 1026 W

Le rayonnement solaire est un rayonnement électromagnétique, par conséquent cette puissance ne se dissipe pas pendant sa progression dans l’espace.

La puissance totale émise par le Soleil , celle qui sort du Soleil de rayon 700 000 km, est donc la même que celle qui sort de la sphère géante qui a pour rayon la distance Terre-Soleil. Par contre, cette mégasphère ayant une surface plus grande que la surface du Soleil, la puissance totale émise par le Soleil sera distribuée sur une surface plus grande, et donc la valeur de la puissance par unité de surface (en W.m -2) sur cette mégasphère sera plus faible

A la distance Terre Soleil dTS, alors la puissance totale sera donc distribuée sur une sphère de rayon D. La valeur de cette puissance pour chaque mètre carré de la surface de cette sphère de rayon dTS sera donc :

PS = Ptotale / surfacemégasphère

= Ptotale / (4.π.D2)

= 1368 W.m-2

Terre

Soleil

dTS = 1,5 X 1011 m

La Terre intercepte un disque de rayonnement solaire. Ce disque est de rayon égal à celui de la Terre. A la surface de ce disque, situé à la distance Terre-Soleil du Soleil, on sait que la puissance reçue du Soleil est de = 1368 W.m -2

La puissance totale reçue par la Terre (CT) vaut donc 1368 multipliée par la surface de ce disque. Cette puissance va être répartie sur la totalité de la surface de la Terre.

CT = CT. surface disque / surface Terre

= CT. π.RT2 / (4. π. RT

2)

= 342 W.m-2

La puissance surfacique moyenne du rayonnement solaire arrivant sur l’atmosphère terrestre est 342 W.m -2