Lycée MaintenonClasse de seconde

HYERES (Var ~ France)

9 avril 2014~ Université de Toulon et du Var

Qu’est-ce-que l’effet albédo ?Modélisation, effet de serre

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SommaireIntroduction : La Terre et le Soleil1/ Définition.2/ Les processus naturels qui jouent sur l’albédo terrestre. a/ Différentes représentations des surfaces terrestres. b/ Mesures. * longueurs d’onde. * angles d’incidence. * diffusion. c/ Interprétation.3/ Effet de serre. a/ Explication. b/ Maquette. c/ Interprétation.4/ Mesure lumière incidente – photomètre. a/ Particules atmosphériques. b/ Les nuages c/ Interprétation.Conclusion.

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La Terre et le soleilEvaluation de la puissance solaire reçue au sol

Un corps exposé à une source d'énergie s'échauffe. Cet apport d'énergie est directement lié à l'échauffement par la relation :

E = m . c (Tf-Ti),où Tf et Ti représentent les températures finale et initiale du corps, m la masse du

corps, c la chaleur massique = 418 J.Kg-1.K-1 pour la laiton ; E la quantité de chaleur reçue.

La puissance solaire au sol, appelée P, est l'énergie reçue par unité de temps et par unité de surface. Elle est liée à la quantité de chaleur par la relation : P = E/(∆t.S), où ∆t représente le temps d'exposition et S la section exposée, côté côté.

- Côté du corps : 45 mm.- Masse d'un bloc de laiton : 197 g.

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La Terre est une boule solide en rotation, entourée de gaz, recouverte d’eau sur 70 % de sa surface,

les 30 % émergeant étant très inégalement répartis sur la surface du globe, avec un relief varié.

La puissance reçue au sommet de l’atmosphère par le soleil est de 1 368 W/m2.

La puissance reçue par le soleil à la surface terrestre est de 342 W/m2 .

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1/ Définition : L’EFFET D’ALBEDO.

L’albédo est une valeur physique qui permet de connaître la quantité de lumière solaire incidente réfléchie par une surface. Concernant le climat, cette variable est importante car elle exprime la part de rayonnement solaire qui va être renvoyée par l’atmosphère et la surface terrestre vers l’espace et qui donc ne servira pas à chauffer la planète.

Le mot albédo dérive étymologiquement du latin albēdo qui signifie « blancheur », il a été introduit au XVIIIème siècle en optique et en astronomie par le mathématicien et astronome suisse Johann Heinrich Lambert.

Jean-Henri Lambert, lithographie de Godefroy Engelmann, 1829

britannica.com

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2/ Les processus naturels qui jouent sur l’albédo terrestre.

a/ Différentes représentations des surfaces terrestres.L’atmosphère et les surfaces déterminent l’albédo global de la planète: celui-ci est d’environ 30 %, c’est-à-dire que la Terre réfléchit 30 % des rayons solaires qu’elle reçoit.

Les conditions de mesures sont très variées. Elles concernent pour certaines la lumière, pour d'autres l'objet éclairé, ou pour d’autre encore les deux à la fois. Les principales sont les suivantes :

* La Lumière : longueur d'onde.

* La Lumière et objet éclairé : angle d'incidence, dimension relative de la source de lumière.

* Objet éclairé : diffusivité.

7Extrait CEA – septembre 2013 – n°182

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b/ Mesures

Notre montage : nous avons récréer en laboratoire différentes surfaces du globe terrestre, éclairé sous différents angles d’incidence, avec les longueurs d’onde différentes.

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* longueurs d’onde.

Chacun sait que la lumière n'est pas homogène, mais composée de radiations de longueurs d'ondes variées, qui ne sont elles-mêmes qu'une toute petite partie du très vaste spectre des ondes électromagnétiques : en allant des plus courtes aux plus longues.

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* angles d’incidence.

Au bord d'un lac limpide et tranquille, nous admirons de loin le reflet des arbres de l'autre rive, et celui-ci nous paraît presque aussi clair que les arbres eux-mêmes : c'est dire que pour une incidence faible, l'albédo de l'eau calme est très grande. Inversement, sur une photographie aérienne verticale, cette même eau paraît très foncée : pour un angle d'incidence fort, son albédo est très petit.

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* diffusion.

Un miroir, recevant un rayon de lumière, ne le réfléchit que dans une seule direction ; au contraire un plafond, éclairé par en dessous et par les côtés, la diffuse dans toutes les directions de l'hémisphère situé au-dessous. La diffusion n'est pas autre chose qu'une réflexion (ou plutôt plusieurs) dans des directions très variées. Une nappe d'eau limpide tranquille réfléchit presque toute la lumière, elle ne la diffuse presque pas.

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c/ Interprétation.

* Les nuages et les particules atmosphériques (comme les poussières du désert ou les panaches volcaniques) empêchent les rayons solaires d’atteindre la surface de la Terre, comme un parasol : leur albédo est fort.* Les surfaces terrestres (neige, forêt, montagne désert, …) sont plus ou moins réfléchissantes, selon qu’elles sont claires ou sombres. C’est pourquoi, par exemple, les océans, qui sont sombres, absorbent une large partie des rayons du Soleil : leur albédo est faible. Nous pouvons évoquer les glaciers qui eux au contraires ont un albédo compris entre 0.7 et 0.9(fort). Les glaciers jouent un rôle important sur notre albédo , si les glaciers fondent alors notre albédo augmentera et donc la température terrestre elle aussi augmentera.

Pour chacune de celles-ci, on peut définir un albédo (albédo spectrale ou mieux monochromatique). Nous avons fais les mesures des rayons incidents et réfléchis sur différentes surfaces de la vie quotidienne:

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écran blanc

30 °

angle d'incidence (Klux) angle réfléchi(Klux) Albédo0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

Series1Series2Series3

30 °

30 °

30 °

40 °50 °

40 °

40 °

50 °

50 °

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3/ Effet de serre. a/ Explication.L’atmosphère terrestre, comme une serre de jardin, laisse passer l’énergie qui nous arrivent du Soleil et piège, sous forme de chaleur, une partie de cette énergie réémise vers l’espace par la Terre.

ATMOSPHERE

RAYONNEMENT SOLAIRE

Energie provenant du

soleil et traversant l’atmosphère RAYONNEMENT

TERRESTRE

Une partie de l’énergie solaire est

réfléchie dans l’espace

Une partie de la chaleur de la terre est

renvoyée dans l’espace

Une partie de la chaleur est retenue par les gaz à effet de serre comme le

dioxyde de carbone

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b/ Maquette.

Nous avons essayer de modéliser ce phénomène d’effet de serre par une maquette . Nous avons placer une boîte recouverte d’une fine couche d’aluminium, représentant les matières réfléchissantes où l’on place un verre d’eau avec un thermomètre placé à l’intérieur. Par-dessus cette boîte nous avons tendu un film plastique transparent, qui représente les gaz à effet de serre. On constate lors du placement du montage au soleil, que la température de l’eau augmente plus que si le verre d’eau serait placé sans rien

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Résultats de l’expérience

t (min)0 2 4 6 8 10 12 14

T (°C)

5

10

15

20

25

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c/ Interprétation.

L’albédo et le réchauffement climatiqueL’albédo est modifié par le réchauffement climatique. Par exemple, la Terre se réchauffant, la banquise fond en Arctique, ce qui entraîne une diminution de sa surface réfléchissante. L’albédo local diminuant, la part des rayonnements réfléchis vers l’espace diminue. La conséquence est un réchauffement accru de la région qui amplifie à son tour la fonte des glaces. C’est un effet boule de neige.

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4/ Mesure lumière incidente – photomètre.

L’homme rejette des particules dans l’atmosphère (aérosols), ce qui a pour effet principal d’amplifier la réflexion des rayons vers l’espace.Ces particules peuvent se déposer sur des surfaces claires (neiges), les assombrissant, et donc diminuant localement l’albédo.L’aménagement des sols (jachère, déforestation, …) induit des changements des surfaces engendrant des modifications de l’albédo local.

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Les aérosols sont des suspensions sous forme de gaz de fines particules solides ou liquides.

Généralement d’une taille comprise entre 0,01µm et 10 µm

a/ Particules atmosphériques.

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aérosols

pluie

vent / poussières pollutions

Lumière incidente

Lumière réfléchie

Nuage (H2O)

Lumière transmise

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b/ Les nuages.

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Expérience avec une bombe désodorisante.

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c/ Interprétation.

Côté météo

Nos mesures à 12h02 (GMT)

AOT. Canal Vert. (505 nm) : 0.27

AOT Canal. Rouge. (625 nm) : 0.10

Côté photométrie

Il faut rappeler que le canal vert (505 nm) capte plutôt des aérosols de petites tailles tels que des fumées ou pollutions atmosphériques, alors que le canal rouge (625 nm) capte les aérosols de

grande taille tels que les poussières.

Nos mesures à 12h02 (GMT)

Belle journée, ciel sans nuage, peu de vent,température supérieure à 15 °C.

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Exploitation 1Comparaison avec les données

Nos mesures : 12 mars à 12h02 (GMT)

AOT. Canal Vert. (505 nm) : 0.27

AOT Canal. Rouge. (625nm) : 0.10

12 mars 2014

Relevé au Park Hôtel, 16 Avenue de Belgique 83400 HYERES (France)

Type : urbain ; Mise en service le : 21-04-2004 ; Altitude : 33 mètres à 10h00 (GMT)

Exploitation 2Comparaison avec les données d’

27272727

Toulon

Avignon

Marseille

Nice

Gap

2828

Toulon

Avignon

Marseille

Nice

Gap

29

Toulon

Avignon

Marseille

Nice

Gap

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Conclusion

L'albédo est un  élément de notre climat , l'albédo terrestre est de 30 %.

Suite à cet exposé nous pouvons expliquer que l'albédo est une constante d'un point de vue théorique. Nos expériences ont permis de différencier certains facteurs jouant sur l'albédo.

Nous savons que due aux particules polluantes l' albédo terrestre diminuera et de plus nous pouvons ajouter que la fonte des

glaces diminuera notre albédo. Ce qui entrainera une augmentation de la température.

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Pourquoi ne pas utiliser l’albédo des surfaces parfaitement blanches qui est de 100 % dans les villes et plus particulièrement sur les grands building.

Un bâtiment en plein soleil aura d’autant moins besoin d’être climatisé que son toit blanc reflétera les rayons et donc la chaleur, vers l’atmosphère. En limitant la formation d’îlots de chaleur qui transforme certains blocs d’immeubles en véritables fours l’été et en réduisant de 10 à 30 % les besoins en climatisation, cette solution pourrait contribuer à limiter les émissions de gaz à effet de serre de façon significative.

Plusieurs chercheurs ont calculé qu’un mètre carré de toiture blanchie réfléchirait suffisamment de lumière pour éviter l'émission de 64 kilogrammes de CO2, et 38 kilogrammes pour un mètre carré de trottoir.

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La classe de 2nd SL