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 1 - Le principe du projet Ice911

7577d9c0-4596-4f05-9928-db1b50e665a7

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 2 - Albédo en Arctique en 1980 et en 2010

89d33038-19f6-41d9-8bf4-805e9a7d11e6

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 3 - Études 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 matériau K₁.

60ed67e4-5234-460a-b499-2335f44e5ea2

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 4 - La température des planètes

3051d9e9-9507-49cc-b375-6be98ba49564

Source : peda-go.fr

Document 5 - L’atmosphère des planètes telluriques

2595c77d-98f4-4bcc-a02d-348dbde6167c

Document 6 - Vénus

41504a3e-9b4c-470b-be0e-7a1ce0c07fd0

La deuxième planète du système solaire, Vénus, évolue à une distance $D=108 \times 10^{6}$ 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 $P_{\text{s}}=3,86 \times 10^{26}$ W.

Vénus réfléchit $2,27 \times 10^{17}$ 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, $P_{\text{V}}$, à l’aide du document 6 et démontrer qu’elle peut s’écrire sous la forme :

$P_{\text{V}}=\dfrac{P_{\text{s}}}{4} \times (\dfrac{R}{D})^{2}$

b) Calculer $P_{\text{V}}$ puis l’albédo $A_{\text{V}}$ 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 $T_{\text{V}}$ de Vénus on l’assimile à un corps noir dont la longueur d’onde, correspondant au maximum d’intensité lumineuse émise, est $λ_{m}=3,48$ 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 :

$T_{\text{e}}=280 \times (\dfrac{1-A}{D^{2}}^{\dfrac{1}{4}}$

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 $T_{\text{V}}$ et $T_{\text{e}}$ 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

5421e5d9-af02-40d3-b359-87ff48d90c06

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 $K_{1}$ 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

d61f3917-9571-4bff-9392-768b79439958

Correction

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 $A_{\text{veille glace}}=62$ %$~(\text{ou}~0,62)$.

Pour la glace jeune, on constate, par le même raisonnement, que $A_{\text{jeune glace}}=37$ %$~(\text{ou} ~0,37)$. 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 $K_{1}$ 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 $K_{1}$ 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 retrouve 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 $K_{1}$ 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 $K_{1}$ 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 $\dfrac{S'}{S}$ de la puissance solaire $P_{\text{S}}$.
Tenez-en compte pour écrire l’expression de $P_{\text{V}}$.

▶ 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 :

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

D’autre part, seule une fraction $S′$ du rayonnement, et donc de la puissance surfacique solaire, atteint Vénus. Avec $S^\prime=\pi R^{2}$ (où $R$ est le rayon du disque $S^\prime$ et celui de la planète), la puissance reçue par la planète ($P_{\text{V}}$) a donc pour expression :

$P_{\text{V}}=P_\text{surfacique solaire} \times S^\prime$

$P_{\text{V}}=P_{\text{S}} \times \dfrac{S^\prime}{\text{S}}=P_{\text{S}} \times \dfrac{\pi R^{2}}{4\pi D^{2}}=\dfrac{P_{s}}{4} \times (\dfrac{R}{D})^{2}$

D’où, en effet, $P_{\text{V}}=\dfrac{P_{\text{S}}}{4} \times (\dfrac{R}{D})^{2}$

b) $P_{\text{V}}= \dfrac{3,86 \times 10^{26}}{4} \times (\dfrac{6~052}{108 \times 10^6})^{2}=3,03 \times 10^{17}$ W

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

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

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 : $T(\text{K})=T~$(°C)$+273$

▶ 6.

a) D’après la loi de Wien :

$T_{\text{V}}= \dfrac{2,90 \times 10^{-3}}{\lambda_{max}}=735$ K

$T_{\text{V}}=735-273=462$ °C

La température moyenne de Vénus est $462$ °C.

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) $T_{\text{e}}=280 \times (\dfrac{1−A}{D^2})^\dfrac{1}{4}=257$ K

$T_{\text{e}}=257-273=-16$ °C

c) On constate qu’il y a un très grand écart entre la température effective de Vénus et celle calculée : $T_{\text{V}}-T_{\text{e}}=462+16=478$ °C

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 $CO_{2}$ (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.

Partie 1 • La banquise, un bouclier thermique

Document 1 - Le principe du projet Ice911

Document 2 - ﻿Albédo en Arctique en 1980 et en 2010

Document 3 - Études sur le matériau K1 du projet Ice911

Partie 2 • Effet de serre et température des planètes

Document 4 - La température des planètes

Document 5 - L’atmosphère des planètes telluriques

Document 6 - Vénus

Les clés du sujet

Comprendre les documents

Répondre aux questions

Coups de pouce

Aide à la résolution de la question 4

Correction

Partie 1 • La banquise, un bouclier thermique

Partie 2 • Effet de serre et température des planètes

Document 2 - Albédo en Arctique en 1980 et en 2010

Document 3 - Études sur le matériau K₁ du projet Ice911

Annales - Le projet Ice911 contre le réchauffement climatique : E3C sujet d'entraînement inédit corrigé (2020)