Devenirs du rayonnement solaire

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Annales corrigées
Classe(s) : 1re Générale | Thème(s) : Rayonnement solaire
Type : Exercice | Année : 2020 | Académie : Inédit


Le Soleil, notre source d’énergie

Devenirs du rayonnement solaire

1 heure

10 points

Intérêt du sujet • À l’heure où tous s’accordent sur l’urgence de limiter notre impact sur le réchauffement climatique et de trouver des solutions douces pour nous y adapter, citoyens, ingénieurs et chercheurs s’emparent du sujet sous ses différents aspects.

 

Partie 1 • Végétaliser les villes

Document 1Le devenir de l’énergie reçue en ville

La thermographie infrarouge permet d’étudier l’impact de la couverture végétale en zone urbaine sur le climat local.

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Doc. svol.cz

Figure 1. Personne au pied d’un arbre

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Doc. svol.cz

Figure 2. Personnes sur un parking

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Doc. svol.cz

Figure 3. Vue d’en haut de Třeboň un jour ensoleillé d’été

Un parasol et un arbre réfléchissent environ 20 % du rayonnement solaire. Mais un grand arbre transpire des centaines de litres d’eau, en utilisant 0,7 kWh/L pour convertir l’eau liquide en vapeur. Celle-ci se condense lorsqu’elle rencontre des surfaces fraîches, ce qui restitue de la chaleur à l’air. Un parc d’1 ha (hectare) a un pouvoir de rafraîchissement comparable à 1 000 appareils à air conditionné.

D’après : « How trees cool down towns in summer », Jan Pokorny, Czech Republic, et Urška Ratajc, Slovenia.

Document 2L’îlot de chaleur urbain

Les espaces urbains constituent des îlots de chaleur, particulièrement marqués lors des minimums de températures, la nuit. Combinés à des températures caniculaires, ils engendrent une surmortalité comme lors de l’été 2003 à Paris.

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Figure 4. Thermographie de Paris le 9 août 2003 (moyennes entre 4 h-7 h).

Source : Dousset et coll. (2011), Int. J. Climatol., 31, 313-323.

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Ph © yilmazsavaskandag / iStock Editorial / Getty Images Plus Turkey

Figure 5. Bilan des échanges radiatifs en ville

Le bilan radiatif au niveau de la surface urbaine résulte :

du rayonnement global (Rg) dont une partie est réfléchie par la surface (albédo « a ») ;

de la différence entre rayonnement thermique émis par l’atmosphère (Ra) et rayonnement thermique émis par la surface de la terre (Rt).

Le bilan radioatif, appelé rayonnement net (Rn) :

Rn = Rg(1 – a) + RaRt

représente la puissance disponible au niveau d’une surface donnée.

Plusieurs processus concourent à générer le phénomène d’îlot de chaleur urbain :

la faiblesse en milieu bâti de l’évaporation. Lorsqu’elle est faible, l’énergie qui n’est pas utilisée pour vaporiser l’eau contribue à réchauffer les surfaces, donc l’atmosphère ;

le faible albédo de nombreux matériaux urbains ;

un bien meilleur stockage de chaleur par les matériaux urbains (bâtiments, revêtements…) ;

l’existence de sources de chaleur interne à la ville (circulation, climatisation, industrie, etc.) ;

enfin, des vents plus faibles en moyenne à l’échelle de la ville, modérant les échanges thermiques avec l’atmosphère.

Source : Impact de la végétation sur le microclimat urbain et la qualité de l’air, Yves Brunet

À partir de vos connaissances et des informations apportées par les documents 1 et 2, répondre aux questions suivantes.

1. Expliquer sur quel principe physique repose la thermographie infrarouge.

2. La puissance surfacique moyenne du rayonnement solaire au sommet de l’atmosphère est égale à 342 W ∙ m–2. Sachant que l’albédo terrestre moyen est égal à 30 %, calculer la puissance surfacique du rayonnement incident moyen parvenant au sol.

3. La puissance surfacique moyenne émise par l’atmosphère est égale à 417 W ∙ m–2 et celle du sol est égale à 391 W ∙ m–2. Calculer la puissance nette moyenne disponible au niveau d’une surface donnée. Expliquer pourquoi cette puissance nette augmente fortement en été.

4. À l’aide des informations extraites de l’ensemble des documents, montrer que les arbres sont un atout contre les canicules d’été et expliquer leur action rafraîchissante.

Partie 2 • maîtriser l’énergie solaire

Document 3Efficacité d’un panneau solaire en fonction de l’angle d’incidence du rayonnement

Des panneaux photovoltaïques ont été installés dans une centrale dans les environs d’une ville située à une latitude de 45 oN. Leur efficacité est mesurée en fonction de l’angle d’inclinaison avec lequel ils sont positionnés.

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Document 4Rayonnement reçu par la Terre

B désigne la ville où sont installés les panneaux.

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À partir de vos connaissances et des informations apportées par les documents, répondre aux questions suivantes.

5. a) Compléter le schéma donné ci-dessous à l’équinoxe, en y faisant figurer la ville B, la ligne d’équateur, l’axe de rotation de la Terre ainsi que la direction des rayons solaires.

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b) Donner l’inclinaison des panneaux pour laquelle leur efficacité est maximale lors des équinoxes. Justifier.

6. a) Donner la saison représentée sur le document 4.

b) Trouver, en justifiant, les angles L et α figurant sur le document 4.

c) Déduire de la réponse précédente l’angle d’inclinaison des panneaux pour une efficacité maximale en été.

 

Les clés du sujet

Comprendre les documents

Tableau de 4 lignes, 2 colonnes ;Corps du tableau de 4 lignes ;Ligne 1 : Document 1 •Le devenir de l’énergie reçue en ville; Il présente des photographies prises avec une caméra thermique (infrarouge) de lieux urbains et explique le rôle de climatiseur naturel d’un arbre.Exploitez ces figures en comparant les zones urbaines et arborées (donnez des valeurs chiffrées).; Ligne 2 : Document 2 •L’îlot de chaleur urbain; Il présente les échanges thermiques (puissances reçue, perdue et stockée) au niveau d’une surface.Utilisez ces données pour répondre à la question 3. Faites correspondre les termes étudiés en cours avec ceux de l’article (puissance solaire incidente, puissance thermique liée à l’effet de serre).; Ligne 3 : Document 3 •Efficacité d’un panneau solaire; Il fournit l’angle d’inclinaison à donner à un panneau photovoltaïque pour que son efficacité soit maximale.Portez attention au fait que l’inclinaison est un angle et qu’elle s’exprime donc en degrés.; Ligne 4 : Document 4 •Rayonnement reçu par la Terre; Il montre la position de la Terre lorsqu’elle reçoit des rayons solaires en tenant compte de l’inclinaison de son axe de rotation.Observez tous les angles qui interviennent et cherchez les relations mathématiques qui les lient entre eux.;

Répondre aux questions

Coups de pouce

1. Répondez brièvement, mais avec précision, c’est une question de cours. Il s’agit d’expliquer l’origine des rayons infrarouges émis par les différentes composantes terrestres.

2. Vous devez connaître les définitions des termes employés et savoir faire ce calcul.

3. Utilisez le résultat du calcul précédent et cherchez quel facteur est modifié en été.

5. a) Inspirez-vous du schéma du document 4.

b) Utilisez le schéma de la question précédente et vos connaissances en mathématiques. Cherchez ensuite la relation entre les données du document 3 et le printemps.

6. b) et c) Dans ces deux questions vous devez déterminer différents angles sur le schéma du document 4 pour pouvoir répondre. Nommez ces angles et écrivez des relations mathématiques entre eux pour être clair et précis, puis reliez-les à l’inclinaison des panneaux.

Aide à la résolution de la question 4

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