Bilan Radiatif Terrestre

L'équilibre énergétique de la Terre repose sur des mécanismes physiques abstraits qui gagnent à être explorés par l'expérimentation et la modélisation. Les activités proposées transforment des concepts théoriques en observations tangibles, ce qui renforce la compréhension durable des élèves. Travailler avec des données et des modèles concrets leur permet de relier la physique du rayonnement aux enjeux climatiques actuels.

• Terminale
• SVT Terminale : Comprendre le Vivant et la Planète
• 4 activités
• 25 min–40 min

Objectifs d’apprentissage

1. 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.
2. Analyser l'impact de la variation de l'albédo d'une surface (glace, forêt, océan) sur le bilan radiatif et la température locale.
3. Démontrer expérimentalement le rôle des gaz à effet de serre dans la rétention de l'énergie infrarouge par l'atmosphère.
4. Comparer les bilans radiatifs de la Terre avec et sans atmosphère pour expliquer la différence de température moyenne.
5. Synthétiser les interactions entre l'albédo, la composition atmosphérique et les rétroactions pour expliquer les variations climatiques.

Jeu de simulation

⏱ 30 min·Binômes

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.

Préparation et détails

Expliquez comment l'équilibre entre énergie reçue et énergie émise détermine la température terrestre.

Conseil de facilitation: Pendant l'expérimentation sur l'albédo, insistez sur le calibrage des capteurs avec une source de lumière stable pour garantir des mesures comparables entre les surfaces.

Setup: Espace modulable avec différents îlots de travail

Materials: Fiches de rôle avec objectifs et ressources, Monnaie fictive ou jetons de jeu, Tableau de suivi des tours

• Appliquer
• Analyser
• Évaluer
• Créer
• Conscience sociale
• Prise de décision

Penser-Partager-Présenter

⏱ 25 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.

Préparation et détails

Analysez le rôle de l'albédo terrestre dans la régulation du bilan radiatif.

Conseil de facilitation: Lors du Think-Pair-Share, demandez aux élèves de partager d'abord leurs calculs à un partenaire avant de les présenter à la classe entière pour favoriser l'engagement et la correction mutuelle.

Setup: Disposition de classe standard ; les élèves se tournent vers leur voisin

Materials: Consigne de discussion (projetée ou distribuée), Optionnel : fiche de prise de notes pour les binômes

• Comprendre
• Appliquer
• Analyser
• Conscience de soi
• Compétences relationnelles

Jeu de simulation

⏱ 35 min·Petits groupes

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.

Préparation et détails

Démontrez l'importance de l'atmosphère pour le maintien d'une température propice à la vie.

Conseil de facilitation: Dans la modélisation glace-albédo, utilisez un tableur pour tracer les boucles de rétroaction en temps réel afin de visualiser l'impact des variations d'albédo sur la température simulée.

Setup: Espace modulable avec différents îlots de travail

Materials: Fiches de rôle avec objectifs et ressources, Monnaie fictive ou jetons de jeu, Tableau de suivi des tours

• Appliquer
• Analyser
• Évaluer
• Créer
• Conscience sociale
• Prise de décision

Jeu de simulation

⏱ 40 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.

Préparation et détails

Expliquez comment l'équilibre entre énergie reçue et énergie émise détermine la température terrestre.

Conseil de facilitation: Pour l'analyse des données depuis 1970, guidez les élèves dans le choix des variables à comparer (flux solaire, température, concentration en CO2) pour éviter la surcharge cognitive.

Setup: Espace modulable avec différents îlots de travail

Materials: Fiches de rôle avec objectifs et ressources, Monnaie fictive ou jetons de jeu, Tableau de suivi des tours

• Appliquer
• Analyser
• Évaluer
• Créer
• Conscience sociale
• Prise de décision

Enseigner ce sujet

Commencez par des activités concrètes pour ancrer les concepts avant d'aborder les équations. Évitez de présenter le bilan radiatif comme un simple calcul : montrez qu'il découle d'observations et de modèles. Insistez sur la distinction entre rayonnement et chaleur, car cette confusion est fréquente. Utilisez des analogies visuelles, comme des images thermiques pour illustrer l'absorption et la réflexion, mais revenez toujours aux données pour éviter les simplifications excessives. Les recherches en didactique montrent que les élèves retiennent mieux quand ils manipulent des objets ou des données avant d'abstraire.

À quoi s’attendre

À l'issue des activités, les élèves doivent être capables d'expliquer l'équilibre entre absorption et émission de rayonnement, de quantifier l'impact de l'albédo et des gaz à effet de serre, et de relier ces mécanismes aux variations naturelles et anthropiques du climat. Leur raisonnement devra s'appuyer sur des preuves collectées ou calculées pendant les activités.

Attention à ces idées reçues

Idée reçue courante

During Expérimentation : Mesurer l'albédo de différentes surfaces, certains élèves pensent que la chaleur est un fluide qui s'ajoute au rayonnement solaire.

Ce qu'il faut enseigner à la place

Pendant l'activité, utilisez un thermomètre infrarouge pour montrer que les surfaces réfléchissantes (comme la neige) ne chauffent pas plus lentement mais réfléchissent davantage le rayonnement solaire incident, ce qui réduit l'énergie absorbée.

Idée reçue courante

During Think-Pair-Share : Calcul du bilan radiatif simplifié, des élèves assimilent l'effet de serre à un piégeage physique de la chaleur dans l'atmosphère.

Ce qu'il faut enseigner à la place

Lors de cette activité, comparez deux récipients : l'un ouvert et l'autre fermé avec un couvercle transparent. Mesurez la température dans les deux pour montrer que l'effet de serre limite la perte de chaleur par rayonnement, pas par convection.

Idée reçue courante

During Analyse de données : Évolution du bilan radiatif depuis 1970, les élèves imaginent que le bilan radiatif est resté constant avant les activités humaines.

Ce qu'il faut enseigner à la place

Pendant l'analyse des données, présentez d'abord des graphiques de variations naturelles (comme les cycles de Milankovitch) pour ancrer l'idée de variabilité avant d'introduire les perturbations anthropiques. Demandez aux élèves de repérer les périodes de réchauffement ou de refroidissement naturel.

Idées d'évaluation

Vérification rapide

Après Expérimentation : Mesurer l'albédo de différentes surfaces, demandez aux élèves d'expliquer à l'oral pourquoi une surface comme la neige a un albédo élevé et comment cela influence le bilan radiatif local en une phrase.

Question de discussion

Pendant Think-Pair-Share : Calcul du bilan radiatif simplifié, lancez une discussion en demandant aux élèves d'identifier comment la vapeur d'eau modifie le bilan radiatif en comparant leurs calculs avec et sans effet de serre.

Billet de sortie

Après Modélisation : Rétroaction glace-albédo, remettez une fiche avec deux graphiques : l'un montrant l'augmentation de l'albédo avec la couverture de glace, l'autre la diminution de la température. Demandez aux élèves d'expliquer en deux phrases la relation entre ces deux variables.

Extensions et étayage

• Challenge : Proposez aux élèves d'estimer l'effet d'un changement d'albédo sur le bilan radiatif global en utilisant des données satellitaires réelles.
• Scaffolding : Pour les élèves en difficulté, fournissez un tableau pré-rempli avec les valeurs d'albédo connues des surfaces (neige, forêt, océan) avant de les faire calculer.
• Deeper : Invitez les élèves à comparer les modèles de bilan radiatif en 1D et 2D pour comprendre l'importance des échanges horizontaux dans l'atmosphère.

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.