Enseignement scientifique première
Durée 1h – 10 points – Thème « Le Soleil, notre source d’énergie »
La Terre reçoit l’essentiel de son énergie du soleil. Cette énergie conditionne sa température de surface.
1 – Préciser le phénomène physique à l’origine de l’énergie dégagée par le soleil.
Une étoile est le siège de fussions nucléaires. Des atomes d’hydrogène fusionnent pour former de l’hélium. Cette réaction s’accompagne d’une grande libération d’énergie notamment sous forme de lumière.
2 – Calculer la masse solaire transformée chaque seconde en énergie, sachant que la puissance rayonnée par le soleil a pour valeur 3,9×1026 W.
Donnée : vitesse de la lumière dans le vide c = 3,0×108 m·s–1
E=∆m×c2
∆m×c2=E
∆m=E/c2
Remarque : 1 W = 1 J.s-1
∆m=(3,9×1026×3600)/(3,0×108)2
∆m=4,3×109 kg.s-1
L’étude du spectre du rayonnement émis par le Soleil, que l’on peut modéliser comme un spectre de corps noir, permet de déterminer la température de la surface du Soleil.
À l’aide du document 1 fourni sur la page ci-après, répondre aux questions suivantes :
3-a- Déterminer les longueurs d’ondes correspondant au maximum d’émission pour les températures de 4000, 5000 et 6000 K. Décrire qualitativement l’évolution de la longueur d’onde au maximum d’émission en fonction de la température du corps.
| Températures (K) | Longueurs d’ondes correspondant au maximum d’émission (nm) |
| 4000 | 700 |
| 5000 | 580 |
| 6000 | 480 |
Lorsque la température du corps augmente, la longueur d’onde au maximum d’émission diminue.
3-b- Justifier à partir de la valeur de la longueur d’onde d’émission maximale du spectre solaire que la température du Soleil est comprise entre 5500 K et 6000 K.
Pour le Soleil, λmax=500 nm. Cette longueur d’onde au maximum d’émission est comprise entre celle de la courbe pour 5500 K et 6000 K. Ainsi, la température du Soleil est comprise entre 5500 K et 6000 K.
3-c- La température de surface du Soleil peut être déterminée plus précisément à partir de la loi de Wien. Cette loi permet de déterminer la température d’un corps noir à partir de la longueur d’onde λmax de son maximum d’émission par la relation :
λmax = k/T
avec :
T : température du corps noir, en kelvins (K)
k : constante égale à 2,898×10-3 m·K
En considérant que le Soleil se comporte comme un corps noir, déterminer sa température de surface T à partir de la loi de Wien.
λmax = k/T
T=k/λmax
T=(2,89×10-3)/(500××10-9)
T=5780 K
Document 1 : spectres d’émission
4-a- Sachant que l’albedo terrestre est en moyenne égal à 0,30 et que la puissance surfacique transportée par la lumière solaire vers la Terre est en moyenne de 342 W·m-2, calculer la puissance surfacique solaire moyenne absorbée par le sol terrestre.
PS,absorbée=PS×(1-AlbédoTerre )
PS,absorbée=342×(1-0,3)
PS,absorbée=239 W.m-2
4-b- Préciser, en justifiant la réponse, si une augmentation de l’albedo terrestre conduirait à une augmentation ou une diminution de la température moyenne à la surface de la Terre.
Une augmentation de l’albédo terrestre conduirait à une diminution de la puissance surfacique solaire moyenne absorbée par le sol terrestre.
Ainsi, une augmentation de l’albédo terrestre conduirait à une diminution de la température moyenne à la surface de la Terre.