Partie 1 • La banquise, un bouclier thermique

▶ 1. L'albédo est le quotient du rayonnement réfléchi par celui reçu par une surface ou un matériau. D'après le document 2 la vieille glace réfléchit 62 % du rayonnement reçu, son albédo est donc A_{vieille glace} = 62 % (ou 0,62).

Pour la glace jeune, on constate, par le même raisonnement, que A_{jeune glace} = 37 % (ou 0,37). L'albédo de la glace jeune, épaisse de moins d'un mètre, souvent de première année (banquise hivernale) est donc bien plus faible que celui de la glace ancienne de la banquise permanente, épaisse de quelques mètres. Plus la banquise fond, plus son albédo diminue.

▶ 2. Le pourcentage du rayonnement transmis qui traverse la couche de glace est de 11 % pour la glace jeune et de 4 % pour une glace plus vieille. De plus, alors que seulement 34 % de l'énergie solaire est absorbée par la couche de glace ancienne, ce chiffre passe à 52 % pour de la glace jeune. En effet, la couche de glace jeune est riche en étangs sombres qui absorbent l'énergie solaire. Ainsi, la glace jeune de la banquise hivernale possède un albédo bien plus faible que la vieille glace.

▶ 3. Les billes creuses de silice K₁ ont des propriétés très similaires à celles de la neige : légères, blanches, réfléchissantes. Les ingénieurs auraient pu utiliser des billes qui ressemblent davantage à de la glace en utilisant de la silice transparente. Mais l'albédo de la neige fraîche, blanche et réfléchissante, est bien plus élevé que celui de la glace, même ancienne : 0,9 contre 0,6 pour cette dernière. Les ingénieurs se sont inspirés de la neige, le matériau naturel le plus réfléchissant connu.

Ces billes K₁ sont bon marché, la silice étant une matière première abondante, et elles ne sont pas toxiques pour les êtres vivants. En effet lors de la fonte estivale, même réduite par l'usage des billes, une partie d'entre elles se retrouvent dans l'eau. Il est important qu'elles n'induisent pas de désordre écologique. 

▶ 4.

Le réchauffement climatique a entraîné une fonte des glaces et donc une baisse de l'albédo de l'Arctique, engendrant un réchauffement deux à trois fois plus important que dans les autres régions du monde. Ainsi, plus le climat se réchauffe, plus l'albédo de la banquise diminue, entraînant alors un réchauffement supplémentaire et accéléré du climat…

L'albédo de la glace pluriannuelle (banquise pérenne) est bien plus efficace que celui de la glace hivernale qui l'a remplacée dans une partie de l'Arctique. C'est sur ce constat établi par les scientifiques, que repose la démarche d'Ice911 : le projet vise à reconstituer peu à peu la glace pluriannuelle, véritable bouclier thermique, afin de limiter le réchauffement des pôles et donc celui de la planète. De plus, pour des raisons matérielles, les ingénieurs ne peuvent pas appliquer leur poudre K₁ à l'ensemble de la banquise. Ils ciblent des zones stratégiques, telles que la mer de Beaufort. Les données scientifiques montrent en effet que la glace hivernale a plus de mal à se reformer dans ces endroits.

Ainsi les données scientifiques sur l'évolution de la banquise guident les choix des ingénieurs d'Ice911, que ce soit pour déterminer leur objectif, pour concevoir un produit imitant la neige et non toxique pour la biodiversité, mais aussi pour cibler leur action.

partie 2 • effet de serre et température des planètes

▶ 5. a) La puissance solaire est diffusée autour de l'astre sur une sphère de rayon D. La puissance surfacique ou la puissance par unité de surface est donc donnée par :

P_{surfacique solaire} = $\frac{P_{\text{S}}}{S}$

D'autre part, seule une fraction S′ du rayonnement, et donc de la puissance surfacique solaire, atteint Vénus. Avec S′ = πR² (où R est le rayon du disque S′ et celui de la planète), la puissance reçue par la planète (P_V) a donc pour expression :

P_V = P_{surfacique solaire} × S′

P_V = P_S× $\frac{S^{\prime }}{S}$ = P_S × $\frac{\text{π}{R}^2}{4\text{π}{D}^2}$ = $\frac{P_{\text{s}}}{4}$ × ${\left(\frac{R}{D}\right)}^2$

D'où, en effet, P_V = $\frac{P_{\text{S}}}{4}$ × ${\left(\frac{R}{D}\right)}^2$

b) P_V = $\frac{\mathrm{3,86}\times {10}^{26}}{4}$ × ${\left(\frac{6052}{108\times {10}^6}\right)}^2$ = 3,03 × 10¹⁷ W

A_V = $\frac{P_{\text{réfléchie}}}{P_{\text{V}}}$ = $\frac{\mathrm{2,27}\times {10}^{17}}{\mathrm{3,03}\times {10}^{17}}$ = 0,75

L'albédo de Vénus est de 75 %.

▶ 6. a) D'après la loi de Wien :

T_V = $\frac{\mathrm{2,90}\times {10}^{-3}}{{\text{λ}}_{\text{max}}}$ = 735 K

T_V = 735 – 273 = 462 ^oC

La température moyenne de Vénus est 462 ^oC.

Par comparaison, la température moyenne de la Terre est de 15 °C.

b) T_e = 280 × ${\left(\frac{1-A}{D^2}\right)}^{\frac{1}{4}}$ = 257 K

T_e = 257 – 273 = – 16 ^oC

c) On constate qu'il y a un très grand écart entre la température effective de Vénus et celle calculée : T_V – T_e = 462 + 16 = 478 ^oC

Cet écart est visible sur le graphique du document 4 également, tandis que, pour Mars, l'écart est très faible : de l'ordre d'une dizaine de degrés Celsius.

Le document 5 montre que les deux planètes ont un pourcentage de CO₂ (gaz à effet de serre) comparable (95 %) dans leur atmosphère respective ; en revanche, on observe une grande différence de pression atmosphérique. La pression atmosphérique de Vénus est élevée car son atmosphère est dense et épaisse, ce qui explique qu'elle donne lieu à un effet de serre très marqué, alors que Mars a une atmosphère très ténue (pression faible) qui ne permet pas l'existence d'un effet de serre notable.

L'effet de serre est à l'origine de la conservation de l'énergie thermique et plus il est important plus la température moyenne d'une planète augmente.