Sciences de la vie et de la Terre · Terminale · Climat et Énergie : Enjeux de Demain · 3e Trimestre

Bilan Radiatif Terrestre

Les élèves étudient l'équilibre entre l'énergie solaire reçue et l'énergie infrarouge émise par la Terre, et les facteurs qui influencent ce bilan.

• Programmes Officiels
• EDNAT: TLE-SVT-8.1

À propos de ce thème

Le bilan radiatif terrestre résulte de l'équilibre entre l'énergie solaire absorbée par la Terre (environ 240 W/m² en moyenne) et l'énergie infrarouge qu'elle réémet vers l'espace. La température moyenne de surface (environ 15°C) s'établit à la valeur pour laquelle ces deux flux s'équilibrent. Sans atmosphère, cette température serait d'environ -18°C.

Le programme de Terminale SVT demande aux élèves de comprendre les facteurs qui modifient ce bilan : l'albédo (fraction d'énergie réfléchie, variable selon la surface : glace, océan, forêt, désert), la composition atmosphérique (gaz à effet de serre, aérosols) et les rétroactions associées (boucle glace-albédo). Les élèves mobilisent ces notions pour expliquer comment des perturbations du bilan radiatif entraînent un changement de température.

Les activités de modélisation et de calcul sur données réelles permettent aux élèves de quantifier ces flux et de comprendre la physique sous-jacente, plutôt que de se limiter à une description qualitative du phénomène.

Questions clés

1. Expliquez comment l'équilibre entre énergie reçue et énergie émise détermine la température terrestre.
2. Analysez le rôle de l'albédo terrestre dans la régulation du bilan radiatif.
3. Démontrez l'importance de l'atmosphère pour le maintien d'une température propice à la vie.

Objectifs d'apprentissage

• Calculer le bilan radiatif net d'un point de la surface terrestre à partir de données d'énergie solaire reçue et d'énergie infrarouge émise.
• Analyser l'impact de la variation de l'albédo d'une surface (glace, forêt, océan) sur le bilan radiatif et la température locale.
• Démontrer expérimentalement le rôle des gaz à effet de serre dans la rétention de l'énergie infrarouge par l'atmosphère.
• Comparer les bilans radiatifs de la Terre avec et sans atmosphère pour expliquer la différence de température moyenne.
• Synthétiser les interactions entre l'albédo, la composition atmosphérique et les rétroactions pour expliquer les variations climatiques.

Avant de commencer

Transferts thermiques

Pourquoi : Comprendre les concepts de rayonnement, d'absorption et d'émission est fondamental pour appréhender le bilan radiatif.

Composition de l'atmosphère

Pourquoi : Les élèves doivent connaître les principaux constituants de l'atmosphère pour comprendre le rôle des gaz à effet de serre.

Vocabulaire clé

Bilan radiatif	Différence entre l'énergie solaire reçue par la Terre et l'énergie infrarouge qu'elle réémet vers l'espace. Un bilan positif entraîne un réchauffement, un bilan négatif un refroidissement.
Albédo	Proportion de rayonnement solaire réfléchie par une surface. Une surface claire et lisse (glace) a un albédo élevé, une surface sombre et rugueuse (forêt) a un albédo faible.
Gaz à effet de serre (GES)	Gaz présents dans l'atmosphère (vapeur d'eau, CO2, méthane) qui absorbent et réémettent le rayonnement infrarouge émis par la Terre, contribuant à son réchauffement.
Rayonnement infrarouge	Type de rayonnement électromagnétique émis par tout corps ayant une température supérieure au zéro absolu. La Terre émet principalement dans l'infrarouge.
Rétroaction	Processus par lequel une modification du système climatique entraîne une modification qui amplifie (rétroaction positive) ou atténue (rétroaction négative) le changement initial.

Attention à ces idées reçues

Idée reçue courante

La Terre reçoit de la chaleur du Soleil.

Ce qu'il faut enseigner à la place

Le Soleil émet un rayonnement électromagnétique, pas de la chaleur directement. C'est l'absorption de ce rayonnement par les surfaces terrestres qui produit un échauffement. Cette distinction est importante pour comprendre le rôle de l'albédo : une surface ne "reçoit" pas moins de chaleur, elle réfléchit davantage de rayonnement.

Idée reçue courante

L'effet de serre fonctionne comme une serre en verre qui emprisonne l'air chaud.

Ce qu'il faut enseigner à la place

Une serre en verre bloque la convection (mouvement d'air chaud). L'effet de serre atmosphérique repose sur l'absorption et la réémission du rayonnement infrarouge par les gaz à effet de serre. Les expériences comparatives avec des enceintes fermées et ouvertes aident à distinguer ces deux mécanismes.

Idée reçue courante

Le bilan radiatif est constant et ne change jamais naturellement.

Ce qu'il faut enseigner à la place

Le bilan radiatif varie naturellement avec les cycles de Milankovitch (variations orbitales), l'activité volcanique (aérosols) et les variations solaires. L'analyse de données paléoclimatiques (carottes de glace) permet aux élèves de constater ces variations naturelles avant d'étudier la perturbation anthropique actuelle.

Idées d'apprentissage actif

Expérimentation : Mesurer l'albédo de différentes surfaces

Les élèves utilisent un luxmètre (ou un capteur de smartphone) pour mesurer la lumière réfléchie par différentes surfaces (papier blanc, terre, herbe, aluminium, tissu noir). Ils calculent l'albédo de chaque surface et construisent un tableau comparatif qu'ils relient aux valeurs d'albédo des surfaces terrestres.

30 min·Binômes

Penser-Partager-Présenter: Calcul du bilan radiatif simplifié

Chaque élève calcule la température théorique de la Terre sans atmosphère à partir de la constante solaire et de l'albédo moyen (loi de Stefan-Boltzmann). En binôme, ils comparent leur résultat (-18°C) à la température réelle (15°C) et formulent des hypothèses sur l'écart de 33°C.

25 min·Binômes

Modélisation : Rétroaction glace-albédo

Par groupes, les élèves construisent un diagramme de rétroaction pas à pas : réchauffement initial, fonte des glaces, diminution de l'albédo, absorption accrue, réchauffement amplifié. Ils comparent cette boucle positive à une boucle de rétroaction négative (évaporation, nuages, albédo accru) et discutent laquelle domine.

35 min·Petits groupes

Analyse de données : Évolution du bilan radiatif depuis 1970

Les élèves travaillent sur des données satellites (CERES/NASA) montrant l'évolution du bilan radiatif au sommet de l'atmosphère. Ils identifient les tendances, calculent le déséquilibre énergétique actuel et le relient à l'accumulation de chaleur dans le système climatique.

40 min·Petits groupes

Liens avec le monde réel

• Les climatologues du GIEC utilisent des modèles informatiques complexes pour simuler le bilan radiatif terrestre et prédire les évolutions futures du climat, influençant les politiques énergétiques mondiales.
• Les ingénieurs spécialisés dans l'énergie solaire photovoltaïque doivent considérer l'albédo des surfaces environnantes (neige, végétation) pour optimiser le rendement des panneaux solaires dans différentes régions.
• Les gestionnaires de stations de ski en France surveillent l'évolution de la couverture neigeuse et son albédo pour anticiper les conditions de ski et planifier les opérations de damage ou de neige artificielle.

Idées d'évaluation

Vérification rapide

Présentez aux élèves deux scénarios : 1) Une banquise s'étend sur 1000 km². 2) Une forêt s'étend sur 1000 km². Demandez-leur d'écrire une phrase expliquant quel scénario a l'albédo le plus élevé et une autre phrase expliquant pourquoi cela influence le bilan radiatif local.

Question de discussion

Posez la question : 'Comment la présence de vapeur d'eau dans l'atmosphère modifie-t-elle le bilan radiatif par rapport à une atmosphère sans vapeur d'eau ?' Guidez la discussion pour qu'ils identifient le rôle de la vapeur d'eau comme gaz à effet de serre et son impact sur la température.

Billet de sortie

Chaque élève reçoit une fiche avec une image représentant soit une surface réfléchissante (neige), soit une surface absorbante (asphalte). Ils doivent écrire une phrase expliquant comment cette surface affecte le bilan radiatif et une autre phrase sur la conséquence pour la température locale.

Questions fréquentes

Qu'est-ce que le bilan radiatif terrestre et pourquoi est-il important ?

Le bilan radiatif est la différence entre l'énergie solaire absorbée par la Terre et l'énergie infrarouge qu'elle réémet vers l'espace. Quand ce bilan est positif, la Terre accumule de l'énergie et se réchauffe. Actuellement, le déséquilibre est d'environ 0,7 W/m², ce qui entraîne le réchauffement climatique observé.

Quel est le rôle de l'albédo dans le climat terrestre ?

L'albédo mesure la fraction d'énergie solaire réfléchie par une surface. La glace a un albédo élevé (0,8-0,9), l'océan un albédo faible (0,06). La fonte des glaces diminue l'albédo moyen, augmente l'absorption d'énergie et amplifie le réchauffement : c'est la rétroaction glace-albédo, un mécanisme central du changement climatique.

Pourquoi la température de la Terre serait-elle de -18°C sans atmosphère ?

Sans gaz à effet de serre, toute l'énergie infrarouge émise par la surface s'échapperait directement vers l'espace. L'équilibre radiatif s'établirait à -18°C. L'atmosphère absorbe une partie de ce rayonnement et le réémet vers la surface, ajoutant 33°C supplémentaires pour atteindre la température moyenne actuelle de 15°C.

Comment les activités pratiques aident-elles à comprendre le bilan radiatif ?

Les mesures d'albédo avec un luxmètre rendent tangible un concept abstrait. Les calculs sur la loi de Stefan-Boltzmann permettent aux élèves de retrouver eux-mêmes l'écart de 33°C. Cette appropriation par la manipulation et le calcul construit une compréhension plus solide que la simple mémorisation de valeurs.