energie solaire, climat et saisons - wordpress.com · energie solaire, climat et saisons. objectifs...

Energie solaire, climat et saisons

Objectifs de la séance : Comprendre à quoi

correspond un climat du point de vue physique

Comprendre les origines de la diversité des climats

Carte globale des climats

Activité 1 : La distribution des ceintures climatiques à la surface de la Terre1- Rappelez ce qu’est une latitude et une longitude, etdans quelle unité ces grandeurs s’expriment.

2-Comment se distribuent les ceintures climatiques à lasurface du globe?

3- A partir des noms et adjectifs employés pour décrireles ceintures climatiques, quels sont les paramètresphysique et biologique qui permettent de définir unclimat?

Carte globale des climats

Humide, aride, sec… ➔fait référence aux précipitations (pluies)Été, hiver …➔ rôle des saisons dans le climatToundra, forêt…➔ la végétation semble refléter les climatsMontagne➔ rôle de la topographie dans le climat

Nous allons préciser comment ces paramètres sont liés au climat durant

la séance

Distribution latitudinale des climats au premier ordre

Latitude et longitude : Dans un système de coordonnées sphériques, distance angulaire d'un point au plan fondamental, comptée à partir du plan fondamental, de 0 à ± 90°.

Latitude = petit cercleLongitude = grand cercle

Activité 1 : La distribution des ceintures climatiques à la surface de la Terre

Définition du climat

Un climat se définit par la valeur des précipitations et la température

➔Diagramme ombrothermique

http://blog.univ-angers.fr/lesclimatsdefrance/2013/11/25/les-diagrammes-ombrothermiques-des-cinq-climats-francais/

Pour aller plus loin: https://planet-terre.ens-lyon.fr/article/energie-temperature2.xml

Précipitations/pluviométrie

Climat méditerranéen, été sec et chaud

T°C

Activité 2: Climat et insolation

La lumière du soleil apporte de l’énergie à la surface de la Terre, à travers les photons qu’elle contient.La lumière frappe la surface de la Terre avec un certain angle ➔ IncidenceL’insolation est donc un flux d’énergieUnité:W/m²J/s/m²

A partir du dispositif expérimental mis en place sur le bureau du professeur, déterminez comment

varie l’énergie solaire reçue par la Terre selon la latitude.

Ex. variations diurnes

Variation de l’énergie incidente selon la latitude :A partir des documents ci-joints, décrivez la distribution de l’insolation terrestre et expliquez l’origine de cette distribution.

Comparez votre analyse de l’insolation terrestre avec la distribution des climats étudiée en activité 1

Activité 2: Climat et insolation

➢ Insolation de puissance décroissante de l’équateur vers les pôles➢ Le rayonnement solaire frappe la surface de façon oblique d’autant plus que la latitude est élevée.➢ La surface sur laquelle le flux d’énergie est distribué augmente avec la latitude. ➢ Un flux est une quantité d’énergie par une surface. A énergie constante, le flux diminue donc avec la latitude.

➢ La différence d’insolation selon la latitude explique la distribution latitudinale des différents climats

CorrectionActivité 2: Climat et insolation

La Terre dans le système solaire

L’axe de rotation de la Terre est incliné de 23° environ par rapport au plan de l’écliptique

Comment cette inclinaison peut-elle influencer la distribution des climats sur Terre?

Plan de l’écliptique : plan dans lequel s’inscrit le mouvement de révolution de la Terre autour du Soleil

Incidence de l’énergie solaire lors de l’équinoxe de printemps

Incidence de l’énergie solaire lors du solstice d’hiver

Activité 3 : L’influence de l’inclinaison de l’axe de rotation de la Terre sur l’insolation

Equinoxe (étymo : ‘nuit égale’): deux jours del’année où le jour est de durée égale à la nuit

Solstice (étymo : ‘soleil fixe’): jour le plus court(Hiver, 21 déc.) et jour le plus long (été, 21 Juin) –dates pour l’hémisphère nord

Les schémas ci-contre présentent la configurationde la Terre au moment du solstice d’hiver et del’équinoxe de printemps.1- Sur ces schémas, représentez la surface de laTerre éclairée et la surface à l’ombre.2- Exprimez la formule de la fraction d’énergiesolaire incidente totale Wtotale perçue par chaquehémisphère lors de l’équinoxe de mars et lors dusolstice de décembre.(On notera α=23° l’angle d’inclinaison de l’axe derotation de la Terre)3- Expliquez l’origine des saisons à la lumière desrésultats précédents

Equinoxe (étymo : ‘nuit égale’): deux jours de l’année où le jour est de durée égale à la nuit

Solstice (étymo : ‘soleil fixe’): jour le plus court (Hiver, 21 déc.) et jour le plus long (été, 21 Juin) –dates pour l’hémisphère nord

A partir des définitions des équinoxes et solstices, placez les équinoxes de printemps, d’automne et les solstices d’été et d’hiver sur

le schéma ci-contre

L’orbite de la Terre autour du soleil


➢ A l’équinoxe, chaque hémisphère reçoit la moitié de l’énergie solaire incidente totale WNeq=WSeq,

On note cette valeur : Wmoy = 1/2 Wtotale = 50% Wtotale

➢ Au solstice de décembre (hiver pour le Nord), avec l'obliquité α, on a :

Wmoy correspond a l’énergie reçue sur R, on a sinα=0,397WSud = Wete = Wmoy. (1+sinα) = 1,397.Wmoy ~ 70 % WtotaleWNord = Whiver=Wmoy (1-sinα) = 0,603.Wmoy ~ 30% Wtotale

➢ Les hémisphères ne reçoivent pas la même quantité d’énergie solaire selon la position de la planète sur son orbite => première origine des saisons

Correction


RAPPELS

Equinoxe (étymo : ‘nuit égale’): deux jours de l’année où le jour est de durée égale à la nuit

Solstice (étymo : ‘soleil fixe’): jour le plus court (Hiver, 21 déc.) et jour le plus long (été, 21 Juin) – dates pour l’hémisphère nord

L’orbite de la Terre autour du soleil


La température émise à la surface de la Terre, considérée comme un corps noir, est reliée à l’énergie incidente W par la loide Stefan-Boltzmann :

W = σ.T ⁴avec σ, la constante de Stefan (W/m².K⁴).

Activité 4: La température de la surface de la Terre en fonction des saisons

L’objectif est ici de quantifier l’influence des différences d’insolation de laTerre sur la température.On suppose dans un premier temps que la température moyenne d'unhémisphère terrestre dépend de l’énergie perçue le jour considéré.Considérons une température moyenne terrestre de 15°C1) Quelle est la température moyenne de chaque hémisphère à l’équinoxe?2) Quelle est la température moyenne de chaque hémisphère au solstice

d’hiver?

Rappel : un corps noir désigne un objet idéal qui absorbe parfaitement toute l'énergie électromagnétique (toute la lumière quelle que soit sa longueur d'onde) qu'il reçoit

➢ Rappel :Au solstice de décembre (hiver pour le Nord), avec l'obliquité α, on a :Wmoy correspond a l’énergie reçue sur R, on a sinα=0,397WSud = Wete = Wmoy. (1+sinα) = 1,397.Wmoy ~ 70 % WtotaleWNord = Whiver=Wmoy (1-sinα) = 0,603.Wmoy ~ 30% Wtotale

La température a la surface de la Terre, considérée comme uncorps noir, est reliée à l’énergie incidente W par la loide Stefan-Boltzmann :W = σ.T ⁴avec σ, la constante de Stefan (W/m².K⁴).

Q4- On suppose dans un premier temps que la températuremoyenne d'un hémisphère terrestre dépend de l’énergieperçue le jour considéré. En prenant une températuremoyenne terrestre de 15°C, calculez la température moyennede chaque hémisphère a l’équinoxe de mars et au solstice dedecembre.

Rappel : un corps noir désigne un objet idéal qui absorbeparfaitement toute l'énergie électromagnétique (toute la lumièrequelle que soit sa longueur d'onde) qu'il reçoit

➢ A l’équinoxe l’énergie est répartie de manière égale entre les hémisphères, TN = TS = 15°C,

on a donc Wmoy = σ.Tmoy⁴

Wmoy ~ 390 W/m²

Rappel : Conversion ° Kelvin en ° Celsius : -273,15

➢ Au solstice de décembre (été Hémisphère Sud, Hiver Hémisphère Nord:

Whiver = σ.Thiver⁴, soit 0,603 Wmoy = 0,603.σ.Tmoy⁴ = σ.Thiver⁴

soit Thiver = (0,603)1/4.Tmoy

De mêmeon a Tete = (1,397)1/4.Tmoy

Attention T en Kelvin ! Thiver ~ -19,5°C et Tete ~ 40,3°C

Détail:0,603.σ.Tmoy⁴ = σ.T hiver⁴0,603.Tmoy⁴ = T hiver⁴

(0,603)1/4.Tmoy= T hiver

Correction :

Ou racine quatrième de W/ σ

à la calculette…

Contraste de température

selon la saison!

Activité 4 : Les paramètres orbitaux de la Terre et leur influence sur l’insolation

L'orbite de la Terre autour du Soleil étant elliptique, la distance Terre-Soleil varie de part et d'autre de sa distance moyenne entre son périhélie (distance minimale , 147.10⁶ km) et son aphélie (distance maximale, 152.10⁶ km).

Le rayonnement a une géométrie sphériqueLa surface d’une sphère est 4πr²

L’énergie solaire incidente sur une surface donnée varie donc en fonction de sa distance au Soleil, selon la relation : Energie/r² = constante

1-Le périhélie est au 4 janvier : quelle saison dans

l’hémisphère Sud? Nord?

2- L’aphélie est au 4 juillet : quelle saison dans

l’hémisphère Sud? Nord?

3- Quelle période reçoit le plus d’énergie?4- Calculez la différence d’énergie incidente reçue entre périhélie et aphélie (en % de différence ou en °C)

Activité 5 : L’influence de la distance Terre-Soleil sur l’insolation

Variation de l’énergie incidente selon la distance Terre-Soleil

Wperi/147² = Wap/152²Wperi/Wap = 147²/152²Wperi = 0,935 Wap

Soit une différence de 6.5% d’énergie …ce qui correspond à environ 5°C d’écart

➢ La position de la planète sur son orbite amplifie les effets

saisonniers

Correction

Actuellement périhélie au 4 janvier:C’est l’hiver dans l’hémisphère nord et l’été dans l’hémisphère sud…Au moment de l’année où le plus d’énergie est reçue!A l’aphélie,C’est l’hiver au sud et l’été au nord : moins d’énergie reçue

Au Nord : contraste réduit (hiver plus chaud que la moyenne et été plus frais que la moyenne)Au sud : contraste augmenté (été plus chaud que la moyenne et hiver plus froid…)

Activité 5 : L’influence de la distance Terre-Soleil sur l’insolation

Bilan : origine des différents climats et des saisons

-L’insolation varie avec la latitude, du fait de l’obliquité du rayonnement solaire parrapport à la terre (incidence de l’insolation)-> origine des climats

-L’obliquité de l’axe de rotation de la Terre par rapport à l’écliptique implique que lasurface éclairée de chaque hémisphère varie au cours de la rotation de la terre autour dusoleil. De plus, l’incidence du rayonnement varie également avec la rotation de la terreautour du soleil -> origine des saisons-Les contrastes saisonniers sont plus ou moins renforcés selon la distance au soleil etl’obliquité.

-Les contrastes d’insolation latitudinaux gouvernent la dynamique des massesatmosphériques, qui redistribuent la chaleur à la surface de la Terre. Les sols, forêts etocéans jouent le rôle de tampon et affectent également la température de surface (pasdémontré ici).

Avant de se quitter :

-Expliquez la position des tropiques à la latitude de 23° et donnez une définition des tropiques

- Le mot Climat a pour étymologie le grec ‘Klima’ = ‘inclinaison’. En quoi l’étymologie du mot climat reflète-t-elle l’origine physique du climat?

Origine des différents biomes?

L’insolation varie selon la latitude

Les végétaux sont très sensibles à la température, la pluie, l’insolation

La distribution des végétaux au sein des biomes est donc un proxy des différents climats -cela reflète la distribution de l’insolation

L’étude des végétaux fossiles & des pollens, permet de reconstituer les climats passés

Carte globale de la végétation


Origine de la circulation atmosphérique?

Le contraste d’insolation latitudinal implique un contraste d’énergie reçue, qui est

redistribuée par les mouvements atmosphériques


La latitude des tropiques à 23° correspond à l’angle d’inclinaison de la Terre par rapport au plan de l’écliptique

Activité : Les paramètres orbitaux de la Terre et leur influence sur l’insolation

Définition du climat

➢Étymologie : du grec ‘Klima’ = ‘inclinaison’

➢Température et précipitation sont contrôlées par l’inclinaison de l’axe de rotation de la Terre par rapport au plan de l’écliptique (~23°)

➢L’inclinaison de la Terre contrôle la distribution de l’insolation à la surface de la Terre .

➢Insolation : flux d’énergie solaire par unité de surface

Unités : W.m-²

Rappel : le Watt désigne un flux d’énergie, cela correspond à des J/s

Le climat est lié aux paramètres astronomiques –

associés à la rotation de la Terre autour du Soleil

energie solaire, climat et saisons - wordpress.com · energie solaire, climat et saisons. objectifs...

Documents