Utiliser le rayonnement thermique et comprendre l'effet de serre | Terminale Bac Pro ICCER | Physique-Chimie
Capacités et connaissances du programme :
C1 – Identifier le spectre du rayonnement thermique (infrarouge)
C2 – Appliquer la loi de Stefan-Boltzmann (\(P = \varepsilon\sigma T^4\))
C3 – Expliquer l'effet de serre (absorption/réémission IR)
C4 – Calculer le bilan radiatif simplifié de la Terre
C5 – Lier émissions de GES et réchauffement climatique
C1 — Identifier le spectre du rayonnement thermique
Tout corps chaud rayonne dans l'infrarouge (IR). Plus le corps est chaud, plus le rayonnement est intense et décalé vers les courtes longueurs d'onde.
Spectre électromagnétique (ordre croissant d'énergie) : ondes radio → micro-ondes → IR → visible → UV → rayons X → gamma.
Exercice 1
Classer les rayonnements suivants par longueur d'onde décroissante : ultraviolet (UV), infrarouge (IR), lumière visible, micro-ondes.
Par longueur d'onde décroissante (du plus long au plus court) : Micro-ondes > Infrarouge > Visible > Ultraviolet
(les micro-ondes ont des longueurs d'onde de l'ordre du cm à mm, les IR de 0,7 à 1 000 µm, le visible de 0,4 à 0,7 µm, les UV en dessous de 0,4 µm).
Exercice 2
Un technicien de maintenance énergétique utilise une caméra thermique pour détecter les déperditions de chaleur d'un bâtiment. Dans quel domaine du spectre cette caméra fonctionne-t-elle ? Pourquoi ?
La caméra thermique capte le rayonnement infrarouge (IR) émis par les surfaces du bâtiment. Les parois chaudes rayonnent dans l'IR. Les zones de fuite thermique (ponts thermiques, fenêtres mal isolées) apparaissent plus brillantes sur l'image car elles émettent plus de rayonnement IR.
Exercice 3
Le Soleil (T ≈ 5 800 K) rayonne principalement dans le visible. La Terre (T ≈ 288 K) rayonne principalement dans l'IR. Expliquer qualitativement pourquoi.
Plus un corps est chaud, plus la longueur d'onde de son rayonnement maximal est courte (loi de Wien). Le Soleil, très chaud (5 800 K), rayonne dans le visible. La Terre, beaucoup plus froide (288 K), rayonne à des longueurs d'onde bien plus grandes, dans l'infrarouge thermique.
On double la température absolue d'un corps (de \(T\) à \(2T\)). Par quel facteur la puissance rayonnée est-elle multipliée ?
\(P \propto T^4\). Si \(T \to 2T\), alors \(P \to (2T)^4 = 2^4 \times T^4 = 16\,T^4\).
La puissance est multipliée par 16. Le rayonnement thermique est extrêmement sensible à la température.
C3 — Expliquer l'effet de serre
L'atmosphère est transparente au rayonnement solaire (visible) mais absorbe une partie du rayonnement IR émis par la Terre. Les gaz à effet de serre (GES) réémettent ce rayonnement IR vers la Terre, la réchauffant davantage.
Exercice 1
Décrire les deux étapes de l'effet de serre naturel : absorption du rayonnement solaire par la Terre, puis réémission par l'atmosphère.
Étape 1 – Absorption solaire : Le Soleil émet un rayonnement principalement visible qui traverse l'atmosphère et est absorbé par la surface terrestre, la réchauffant. Étape 2 – Réémission IR et piégeage : La Terre, réchauffée, réémet un rayonnement infrarouge. Les gaz à effet de serre (vapeur d'eau H₂O, CO₂, CH₄…) absorbent ce rayonnement IR et le réémettent dans toutes les directions, dont une partie vers la Terre. Ce retour d'énergie réchauffe la surface au-delà de ce que le seul rayonnement solaire produirait.
Exercice 2
Citer trois gaz à effet de serre et préciser leurs sources principales dans le secteur du chauffage et de l'énergie.
1. CO₂ (dioxyde de carbone) : combustion des énergies fossiles (gaz naturel, fioul) dans les chaudières et les centrales électriques.
2. CH₄ (méthane) : fuites de gaz naturel dans les réseaux de distribution, décomposition anaérobie.
3. HFC (hydrofluorocarbures) : fluides frigorigènes utilisés dans les pompes à chaleur et climatiseurs, dangereux en cas de fuite.
Exercice 3
Expliquer pourquoi les vitres d'une serre agricole produisent un effet similaire à l'effet de serre atmosphérique.
Le verre laisse entrer le rayonnement solaire (visible) mais est opaque au rayonnement infrarouge émis par les plantes et le sol. L'IR ne peut pas ressortir, ce qui piège la chaleur à l'intérieur de la serre. Ce phénomène est analogue au rôle des gaz à effet de serre dans l'atmosphère (transparents au visible, absorbants pour l'IR).
C4 — Calculer le bilan radiatif simplifié de la Terre
Bilan radiatif simplifié : à l'équilibre, la puissance solaire absorbée = la puissance IR réémise.
Puissance solaire reçue : \(P_{\text{abs}} = (1-A) \times \dfrac{P_{\odot}}{4}\) (W/m²)
\(A\) : albédo (≈ 0,30) — \(P_{\odot}\) : constante solaire ≈ 1 361 W/m²
Exercice 1
La constante solaire est \(P_{\odot} = 1\,361\) W/m² et l'albédo de la Terre est \(A = 0{,}30\). Calculer la puissance solaire moyenne absorbée par m² de surface terrestre.
\[P_{\text{abs}} = (1 - 0{,}30) \times \frac{1\,361}{4} = 0{,}70 \times 340{,}25 \approx 238 \text{ W/m}^2\]
P_abs ≈ 238 W/m² en moyenne sur toute la surface terrestre.
Exercice 2
À l'équilibre climatique, la Terre réémet autant qu'elle reçoit. Utiliser la loi de Stefan-Boltzmann (\(P = \sigma T^4\) pour un corps noir, \(\varepsilon = 1\)) pour estimer la température d'équilibre de la Terre si \(P_{\text{abs}} = 238\) W/m².
\[P_{\text{abs}} = \sigma T^4 \Rightarrow T^4 = \frac{P_{\text{abs}}}{\sigma} = \frac{238}{5{,}67 \times 10^{-8}} \approx 4{,}20 \times 10^9\]
\[T = (4{,}20 \times 10^9)^{1/4} \approx 254 \text{ K} \approx -19°C\]
Sans effet de serre, la Terre serait à −19°C. L'effet de serre naturel élève la température réelle à +15°C en moyenne : il apporte environ +34°C.
Exercice 3
Si l'albédo diminue de 0,30 à 0,28 (fonte des glaces polaires), recalculer \(P_{\text{abs}}\) et expliquer la conséquence sur la température.
\[P_{\text{abs}} = (1 - 0{,}28) \times \frac{1\,361}{4} = 0{,}72 \times 340{,}25 \approx 245 \text{ W/m}^2\]
La puissance absorbée augmente de 238 à 245 W/m², soit +7 W/m². La Terre absorbe plus d'énergie et doit augmenter sa température d'équilibre pour réémettre davantage. Ce mécanisme amplifie le réchauffement climatique (rétroaction positive).
C5 — Lier émissions de GES et réchauffement climatique
Augmenter la concentration de GES dans l'atmosphère → plus d'absorption de l'IR terrestre → plus d'énergie renvoyée vers la Terre → température d'équilibre plus élevée → réchauffement climatique.
Exercice 1
Depuis la révolution industrielle, la concentration de CO₂ est passée de 280 ppm à plus de 420 ppm. Expliquer le lien avec le réchauffement observé (+1,1°C en moyenne).
L'augmentation de CO₂ accroît l'effet de serre : l'atmosphère absorbe davantage de rayonnement IR terrestre et en renvoie plus vers la surface. L'équilibre radiatif est rompu : la Terre absorbe plus qu'elle n'émet. Pour retrouver l'équilibre, la température de surface augmente jusqu'à ce que l'émission IR soit suffisante. Le réchauffement observé (+1,1°C) est cohérent avec l'augmentation de 50 % de la concentration de CO₂.
Exercice 2
Un technicien chauffagiste remplace une vieille chaudière fioul par une pompe à chaleur air/eau. Expliquer en quoi ce remplacement contribue à réduire les émissions de GES.
La chaudière fioul brûle un combustible fossile et émet directement du CO₂. La PAC prélève de l'énergie dans l'air extérieur (énergie renouvelable) et consomme de l'électricité, qui peut être produite à partir de sources bas carbone (nucléaire, éolien, solaire). Le bilan carbone est donc nettement amélioré. De plus, la PAC consomme 2 à 4 fois moins d'énergie primaire pour produire la même quantité de chaleur (COP élevé).
Exercice 3
Le méthane (CH₄) a un potentiel de réchauffement global (PRG) 28 fois supérieur à celui du CO₂ sur 100 ans. Une fuite de gaz de 10 kg de CH₄ est équivalente à combien de kg de CO₂ en termes d'effet sur le réchauffement ?
\[\text{Équivalent CO}_2 = 10 \times 28 = 280 \text{ kg de CO}_2\]
Une fuite de 10 kg de méthane équivaut à émettre 280 kg de CO₂. Cela illustre l'importance de détecter et réparer rapidement toute fuite dans les installations au gaz naturel.