Lorsqu’un rayon lumineux du soleil atteint la surface de la Terre, une partie du rayonnement est absorbée, une autre est réfléchie par la surface et renvoyée dans l’atmosphère. L’albédo d’une surface mesure l’importance avec laquelle une surface recevant de la lumière, réfléchit cette lumière. L’albédo A (calculé en %) est exprimé comme suit : A = (rayonnement réfléchi / rayonnement incident) x 100. Un albédo de 100 % va donc réfléchir la totalité de la lumière incidente. Un albédo de 0 % va absorber la totalité de la lumière incidente.
L’albédo dépend de la couleur et de la rugosité de la surface en question. La neige propre réfléchit une grande partie du rayonnement incident : elle a un albédo élevé. Les corps foncés absorbent une plus grande partie du rayonnement : ils ont un albédo faible.
Sur une année, l’énergie reçue sur Terre par le soleil est la plus importante à l’équateur et la plus faible aux pôles. Dans un système climatique en équilibre, les courants atmosphériques et océaniques transportent l’énergie accumulée aux tropiques vers les régions polaires. Aux pôles, la couverture neigeuse compense cet apport de chaleur, par le haut pouvoir réfléchissant de la neige (albédo élevé).
Cependant, dans un climat qui se réchauffe, l’étendue des différents types de glace diminue, laissant place à de l’eau, de la roche, ou de la végétation, surfaces dont l’albédo est plus faible que celui de la glace. Or, si l’albédo de la surface diminue, cette surface absorbera une plus grande partie du rayonnement incident, ce qui a pour conséquence de la réchauffer et d’augmenter la fonte de la glace/neige située juste à côté. En bref, la fonte de la glace due à l’effet de serre entraîne une amplification de l’absorption du rayonnement solaire par la surface de la Terre, ce qui va à son tour amplifier la fonte des glaces. Ce phénomène en boucle, dit de rétroaction positive, contribue à ce qu’on appelle l’amplification polaire : le réchauffement est deux à trois fois plus important aux pôles qu’en moyenne globale.
Source : Le dossier “Expériences sur les changements climatiques” a été réalisé par l’International Polar Foundation.
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Expérience : albédo et température
OBJECTIF
Comparer l’augmentation de température d’une surface blanche et d’une surface noire lorsqu’elles sont chauffées par une ampoule.
HYPOTHÈSE
La plaque noire absorbe plus et plus rapidement l’énergie que la plaque blanche. La plaque noire chauffera donc plus vite
MATÉRIEL
2 surfaces métalliques planes (une noire, l’autre blanche) collées sur du polystyrène
2 sources de chaleur (lampes halogènes ou incandescentes) d’égale puissance, dirigée chacune vers une des deux surfaces
2 thermomètres, dont le capteur est enfoncé dans le polystyrène, en dessous de chaque plaque métallique
Un tableau et des marqueurs
Un chronomètre
DEROULEMENT
Selon vous, des deux surfaces, laquelle se réchauffera le plus, une fois les lampes allumées et dirigées vers chacune d’entre elles ? Formulez votre hypothèse et indiquez-la dans la fiche de travail. Faites cela avant de commencer l’expérience ! Comment pouvez-vous expliquer cela ?
Mesurez la température des deux surfaces et inscrivez les valeurs au temps zéro dans un tableau divisé en trois colonnes (temps, température sur la surface blanche, température sur la surface noire).
Allumez les lampes situées au-dessus des surfaces blanche et noire.
Mesurez la température de chaque surface toutes les 30 secondes et ce, durant au moins 2,5 minutes. Indiquez les températures dans un tableau.
Analysez vos résultats, et préparez-vous à présenter vos résultats devant la classe.
ANALYSE
Le rayonnement lumineux (représentant ici le Soleil) est absorbé en partie par les plaques, sous forme d’énergie thermique. La hausse de température est plus rapide et plus importante pour la plaque noire que pour la plaque blanche, car la surface blanche réfléchit plus la lumière.
APPLICATIONS
Les ampoules à incandescence transforment une grande quantité de leur énergie en énergie thermique. La vitesse et l’intensité avec laquelle les plaques métalliques vont chauffer varie avec la puissance de l’ampoule : plus la puissance est élevée, plus la différence entre les deux surfaces se marquera.
Cette expérience peut difficilement être réalisée avec des ampoules économiques, car elles ne dissipent pas beaucoup de chaleur. Une ampoule économique de 20 W chauffera la plaque noire jusqu’à 21 ou 22 °C en 25 minutes d’éclairement. Pour un éclairage comparable, les ampoules économiques consomment 75 % d’électricité en moins que les ampoules à incandescence traditionnelles : elles sont en fait beaucoup plus efficaces pour transmettre l’énergie lumineuse. Les deux expériences sur l’albédo sont comparables, mais l’une fait une mesure indirecte (augmentation de la température), alors que l’autre mesure directement l’albédo (luxmètre).