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Le projet Ice911 contre le réchauffement climatique

Le Soleil, notre source d'énergie

Le projet Ice911 contre le réchauffement climatique

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10 points

Intérêt du sujet • Limiter la fonte des glaces constitue un enjeu majeur dans la lutte contre le réchauffement climatique et ses impacts. Comment les scientifiques collaborent-ils pour étudier la fonte de la banquise arctique et chercher des solutions ?

 

La géo-ingénierie désigne les interventions à grande échelle sur l'environnement destinées à contrer le réchauffement climatique. Deux types de recherches existent : l'extraction et la séquestration du CO2, et la gestion du rayonnement solaire. Le projet Ice911, créé en 2006, vise la préservation du bouclier thermique Arctique.

Partie 1 • La banquise, un bouclier thermique

Document 1Le principe du projet Ice911

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Ice911 s'est donné pour mission de stabiliser et d'augmenter la surface de la banquise pérenne, année après année. Comment ? En recouvrant les premières glaces d'hiver dans certaines zones stratégiques de la banquise par des microsphères de silice (verre) creuses, un matériau flottant et réfléchissant.

Au cours des dernières années, le projet a été testé avec succès sur plusieurs lacs, dont un de 4 000 m2 au bord de la mer des Tchouktches en Alaska, une zone avec des vents puissants. Le sable siliceux s'est fixé à la surface de la glace et a limité l'ampleur de la fonte. Quand une partie de la glace a fondu, il s'est intégré aux sédiments des rives.

L'équipe vise maintenant à mettre en application ses techniques en affrétant des navires pour traiter certaines zones clés comme la mer de Beaufort.

Source : www.meteofrance.fr, 6 novembre 2019

Document 2Albédo en Arctique en 1980 et en 2010

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Au cours des quarante dernières années, l'élévation de la température de la région arctique a été 2 à 3 fois plus importante que pour le reste de la planète. La superficie de la banquise pérenne, surface minimale de glace qui persiste après la fonte estivale, a diminué de moitié et s'est considérablement amincie. La banquise saisonnière, mince, se forme durant l'hiver lorsque l'eau de mer gèle en surface et fond au cours de l'été. Les physiciens de l'Institut Alfred Wegener, pour la recherche polaire et marine, ont effectué des mesures en Arctique. Les figures a et b représentent la banquise, en un même lieu, à deux époques différentes.

En 1980 (figure a), on a de la glace vieille, épaisse (3 m), la banquise pérenne est majoritaire.

En 2010 (figure b), on a de la glace jeune, mince (quelques dizaines de cm), c'est une banquise saisonnière avec des étangs de fusion dont le fond est tapissé de poussières sombres.

Source : lewebpedagogique.com

Document 3Études sur le matériau K1 du projet Ice911

Le matériau K1 est constitué de billes creuses de silice blanche réfléchissante, de 65 μm de diamètre en moyenne. C'est une sorte de sable blanc très fin, qui adhère à la glace humide et permet de blanchir les surfaces traitées.

La silice est le constituant majoritaire des roches de la croûte terrestre, c'est donc un matériau bon marché.

Le matériau K1 a été testé par un laboratoire de tests environnementaux sur différentes espèces marines : aucun effet néfaste n'a été observé. Des tests sur différents étangs ont démontré un gain de réflectivité de 15 à 20 %, une partie de la glace des zones testées a été préservée de la fonte.

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

1. Donner l'albédo de la glace ancienne et montrer que l'albédo de la banquise arctique diminue avec la fonte des glaces (document 2).

2. Expliquer la ou les raison(s) de cette variation.

3. À l'aide du tableau suivant et des informations extraites des documents, indiquer les critères utilisés pour choisir le matériaux K1.

Tableau de 2 lignes, 2 colonnes ;Tetière de 1 lignes ;Ligne 1 : Type de surface;Albédo;Corps du tableau de 1 lignes ;Ligne 1 : Neige fraiche, soleil hautNeige fraiche, soleil basVieille neigeSableHerbeTerre humideTerre sècheForêtEau, soleil horizontalEau, soleil au zénithNuage épaisNuage mince; 0,80-0,850,90-0,950,50-0,600,20-0,300,20-0,250,100,15-0,250,05-0,100,50-0,800,03-0,050,70-0,800,25-0,50;

Albédo de quelques types de surface

Source : Villeneuve et Richard, Vivre pour l'avenir, Réagir pour l'avenir, éd. Multimonde, 2007

4. Expliquer pourquoi la banquise arctique est considérée comme un « bouclier thermique » pour la planète. Expliquer aussi comment les ingénieurs de Ice911 se sont appuyés sur les travaux des chercheurs pour imaginer leur solution afin de préserver ce bouclier thermique arctique.

Partie 2 • Effet de serre et température des planètes

Document 4La température des planètes

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Source : peda-go.fr

Document 5L'atmosphère des planètes telluriques

Tableau de 5 lignes, 5 colonnes ;Tetière de 1 lignes ;Ligne 1 : ;N2;O2;CO2;Pression atmosphérique;Corps du tableau de 4 lignes ;Ligne 1 : Mercure; ; ; ; nulle; Ligne 2 : Vénus; 4,5 %; ; 95,5 %; élevée; Ligne 3 : Terre; 78 %; 21 %; < 1 %; moyenne; Ligne 4 : Mars; 2,7 %; ; 95,32 %; faible;

Document 6Vénus

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La deuxième planète du système solaire, Vénus, évolue à une distance D = 108 × 106 km du Soleil. Son rayon, semblable à celui de la Terre, mesure R = 6 052 km.

Cette planète, comme toutes les autres, n'intercepte qu'une partie de la puissance solaire qui est de P= 3,86 × 1026 W.

Vénus réfléchit 2,27 × 1017 W de la puissance solaire reçue.

Les réponses aux questions suivantes s'appuieront sur vos connaissances et sur les informations apportées par les documents.

 5. a) Donner l'expression de la puissance solaire reçue par Vénus, PV, à l'aide du document 6 et démontrer qu'elle peut s'écrire sous la forme :

PV = Ps4 × RD2

b) Calculer PV puis l'albédo AV de Vénus.

6. La température d'équilibre d'une planète est la température théorique de sa surface (si on suppose cette température uniforme) en l'absence d'atmosphère. C'est une grandeur théorique qui n'a pas vocation à être mesurée, contrairement à la température effective.

Pour calculer la température effective TV de Vénus on l'assimile à un corps noir dont la longueur d'onde, correspondant au maximum d'intensité lumineuse émise, est λm = 3,48 μm.

a) Calculer la température effective de Vénus à l'aide de la loi de Wien.

b) Calculer la température d'équilibre de Vénus à l'aide de la relation suivante :

Te = 280 × 1AD214

avec A, l'albédo de la planète, et D, la distance entre la planète et le Soleil en U.A.

c) Expliquer l'écart trouvé entre TV et Te pour Vénus que l'on constate également dans le document 4 et dire pourquoi on n'observe pas un tel écart pour Mars.

 

Les clés du sujet

Comprendre les documents

Tableau de 6 lignes, 2 colonnes ;Corps du tableau de 6 lignes ;Ligne 1 : Document 1Le principe du projet Ice911; Il présente le projet et donne un aperçu de l'état de la banquise.Notez les zones dont la glaciation reprend difficilement.; Ligne 2 : Document 2Albédo en Arctique en 1980 et en 2010; Il décrit l'évolution du comportement de la banquise face au rayonnement solaire incident.Identifiez dans chaque situation les parts de la puissance solaire absorbée, transmise et réfléchie.; Ligne 3 : Document 3Études sur le matériau K1 du projet Ice911; Il présente les caractéristiques des billes siliceuses K1.Prenez en compte les effets secondaires possibles des billes sur l'environnement.; Ligne 4 : Document 4La température des planètes; Il présente les températures réelles, mesurées des planètes du système solaire, et leurs températures théoriques liées à leur distance au Soleil.Repérez les planètes pour lesquelles les deux valeurs ne concordent pas.; Ligne 5 : Document 5L'atmosphère des planètes telluriques; Il présente la composition et l'épaisseur de l'atmosphère des planètes telluriques.Vous devez connaître les principaux gaz à effet de serre pour l'analyser.; Ligne 6 : Document 6Vénus; Il présente le comportement de Vénus face à la lumière solaire.Utilisez les formules données.;

Répondre aux questions

Coups de pouce

1. Identifiez l'albédo sur les schémas et expliquez les différences constatées entre 1980 et 2010 à l'aide du document 2.

3. Identifiez quel élément naturel on a cherché à imiter pour fabriquer les billes du matériau K1 et identifiez les contraintes nécessaires pour réussir leur déploiement sur une grande échelle.

5. a) à 6. b) Il s'agit de calculs, faites attention à bien présenter un calcul littéral avant de passer à l'application numérique.

6. c) Votre réponse doit être argumentée : comparez les caractéristiques de Mars et de Vénus puis identifiez leur principale différence.

Aide à la résolution de la question 4

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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 Avieille glace = 62 % (ou 0,62).

Pour la glace jeune, on constate, par le même raisonnement, que Ajeune 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.

à noter

Des nanoparticules de silice auraient été problématiques car elles pénètrent les barrières physiologiques des organismes vivants. La taille de billes K1 est suffisamment élevée pour ne pas induire ces effets secondaires problématiques.

4.

Le conseil de méthode

Recensez au brouillon l'ensemble des données établies par les études scientifiques. Utilisez aussi les réponses précédentes.

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

Le conseil de méthode

La puissance reçue par une planète n'est qu'une portion de la puissance que le Soleil diffuse autour de lui. Vénus ne reçoit qu'une portion SS de la puissance solaire PS.

Tenez-en compte pour écrire l'expression de PV.

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 :

Psurfacique solaire = PSS

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 (PV) a donc pour expression :

PV = Psurfacique solaire × S

PV = PS× SS = PS × πR24πD2 = Ps4 × RD2

D'où, en effet, PV = PS4 × RD2

b) PV = 3,86×10264 × 6 052108×1062 = 3,03 × 1017 W

à noter

Cette puissance s'exprime en W et n'est pas une puissance par unité de surface.

AVPréfléchiePV2,27×10173,03×1017  = 0,75

L'albédo de Vénus est de 75 %.

mot-clé

Dans la loi de Wien, la température s'exprime en kelvins. Les degrés Celsius et les kelvins sont reliés par la formule suivante : T(K) = T(°C) + 273

6. a) D'après la loi de Wien :

TV = 2,90×103λmax  = 735 K

TV = 735 – 273 = 462 oC

La température moyenne de Vénus est 462 oC.

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

à noter

En utilisant cette relation il faut laisser les distances en U.A.

b) Te = 280 × 1AD214 = 257 K

Te = 257 – 273 = – 16 oC

c) On constate qu'il y a un très grand écart entre la température effective de Vénus et celle calculée : TVTe = 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.

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