Bilan thermique Terre-atmosphère : exercices corrigés de Terminale

Au sommet de l'atmosphère, le Soleil apporte en moyenne, sur une année, un flux d'environ $340\ \text{W/m}^2$ ⁴. L'albédo moyen du système Terre-atmosphère est de l'ordre de $0{,}3$ : cela signifie que 30 % de ce flux repartent vers l'espace, réfléchis sans changer de longueur d'onde ⁴.

Calcule le flux moyen absorbé par le système Terre-atmosphère, en $\text{W/m}^2$.

Sur les 100 W/m² réfléchis vers l'espace, 75 W/m² le sont par l'atmosphère et 25 W/m² par la surface terrestre ⁴.

Quel pourcentage du flux réfléchi est dû à l'atmosphère ?

Une partie de l'énergie reçue, 82 W/m², est absorbée par l'évaporation de l'eau et transférée vers l'atmosphère ⁴. On la compare au flux solaire moyen de $340\ \text{W/m}^2$ au sommet de l'atmosphère ⁴.

Exprime ce transfert en pourcentage de ce flux solaire, arrondi au dixième.

Le déséquilibre énergétique de la Terre est un indicateur de réchauffement. Si la planète reçoit plus qu'elle n'émet, elle accumule de l'énergie thermique ; si elle reçoit moins, elle en perd. On l'exprime en $\text{W/m}^2$ ⁴.

On suppose, pour un exercice, que le système absorbe $238\ \text{W/m}^2$ et renvoie $237{,}1\ \text{W/m}^2$ vers l'espace. Calcule le déséquilibre et dis si la planète se réchauffe ou se refroidit.

L'activité humaine modifie la composition de l'atmosphère, ce qui représente environ $460\ \text{TW}$, soit en moyenne $0{,}90\ \text{W/m}^2$ ⁴. On rappelle que $1\ \text{TW} = 10^{12}\ \text{W}$.

À partir de ces deux valeurs seulement, déduis la surface de la Terre, en unités de $10^{14}\ \text{m}^2$.

Le sol terrestre émet un rayonnement étalé sur presque tout le spectre. Seule la part située dans la fenêtre infrarouge, là où l'atmosphère laisse passer la lumière, part directement vers l'espace. Le reste est absorbé et échauffe l'atmosphère ⁴.

Explique avec tes mots le rôle de l'atmosphère dans ce bilan, puis dis dans quel sens se fait le transfert thermique entre le sol chaud et la basse atmosphère plus froide au départ.

Un morceau de sol, assimilé à un système incompressible, a une capacité thermique $C = 2{,}0 \times 10^{4}\ \text{J/K}$. Il reçoit, sur une surface de $1\ \text{m}^2$, un flux absorbé de $238\ \text{W/m}^2$ pendant $5$ minutes. On néglige toute perte et tout travail.

Calcule l'élévation de température du sol.

La surface terrestre est composée à 70 % d'océans ⁴. Supposons qu'un déséquilibre de $0{,}90\ \text{W/m}^2$ ⁴ soit entièrement absorbé par une couche d'eau océanique de $100\ \text{m}$ d'épaisseur. Pour $1\ \text{m}^2$ de surface, la masse d'eau vaut $m = 1{,}0 \times 10^{5}\ \text{kg}$ ; la capacité thermique massique de l'eau est $c = 4180\ \text{J/(kg·K)}$ ; une année dure $3{,}15 \times 10^{7}\ \text{s}$.

Calcule l'élévation de température de cette couche au bout d'un an.

Reprends les données de l'exercice précédent : couche d'eau de $m = 1{,}0 \times 10^{5}\ \text{kg}$ par mètre carré, $c = 4180\ \text{J/(kg·K)}$, déséquilibre constant de $0{,}90\ \text{W/m}^2$ ⁴, année de $3{,}15 \times 10^{7}\ \text{s}$.

Au bout de combien d'années cette couche aurait-elle gagné $1\ \text{K}$, si tout le déséquilibre lui était transféré ?