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Un exemple d'activité TP

 

Niveau concerné : Spécialité S.V.T en termilale S.

 

Objectifs : montrer l'influence de chaque paramètre sur l'insolation et le contraste saisonnier ; simuler des situations du passé.

 

Sur la page 1 figurent les constantes, variables et les calculs utilisés pour déterminer la valeurs des paramètres étudiés. Cliquer sur le bouton lance.vensim.jpeg en haut (sous la barre de menu) pour lancer la simulation. Pour passer à la page suivante, il faut cliquer sur le bouton navigation_vensim.jpeg en bas (juste au-dessus de la barre de tâches). En rouge, figure la correction.

 

On pourra s'aider d'une maquette pour simuler les différentes positions de la Terre étudiées dans ce modèle. Pour fabriquer la maquette, cliquer ici.

 

 

I Evolution de l'insolation au cours de l'année (cette partie du TP peut être traitée par des élèves de seconde)

Passer à la page 2. Faire varier la latitude.

Questions :

  1. Quel est la période de l'année où le flux énergétique moyen reçu par la Terre est maximum pour l'hémisphère Nord, l'hémisphère Sud ? Vers le 21 juin pour l'HN et vers le 21 décembre pour l'HS.
  2. Quel phénomène naturel est ainsi mis en évidence ? Les saisons.
  3. A quelles latitudes les saisons sont-elles le plus marquées ? Aux fortes latitudes (65°N et 65°S).
  4. Le jour où le flux énergétique moyen reçu par la Terre est maximum, à quelle heure se couche le Soleil à l'Equateur? A la latitude 65°N ? A 18 h. A 22h30.
 

II Influence de l'excentricité sur l'insolation et le contraste saisonnier

Passer à la page 4. Fixer la latitude à 45° (c'est à peu près la latitude du lieu où nous nous trouvons) et faire varier l'excentricité e à l'aide du curseur. La longitude du périhélie et l'obliquité sont fixées à leurs valeurs actuelles.

Questions :

  1. Comment évolue le flux énergétique moyen reçu sur 1 an lorsque e passe de 0 à sa valeur maximale ? Calculer cette évolution (en %). Commenter la valeur obtenue. Il passe de 340 W.m-2 à 341 W.m-2 soit une augmentation de 0,3% (ce qui est très peu).
  2. Comment évolue le contraste saisonnier à cette latitude ? Justifier en utilisant la maquette. Si e augmente, le contraste saisonnier diminue.
  • Justification en utilisant la maquette :
Pour omega = 103° (situation actuelle), la Terre est pratiquement au périhélie au solstice d'hiver (pour l'hémisphère Nord) et à l'aphélie au solstice d'été. Si e augmente, la Terre est plus proche du Soleil en hiver et plus éloignée en été pour l'HN : le contraste saisonnier diminue.
 
  • Justification en utilisant la définition du contraste saisonnier et le graphique donnant le flux énergétique moyen reçu sur 24 h :
Le contraste saisonnier en un lieu donné est défini par : C=((INSOLATIONété-INSOLATIONhiver)/Io)*100. Ici, l'insolation en été correspond à l'énergie reçue en été (en J) par unité de surface à une latitude donnée, hors atmosphère, par unité de temps (s). L'été est ici défini comme la demi-année comprenant tous les jours recevant plus d'énergie que l'hiver (cela n'a rien à voir avec la période s'étendant du 21 juin au 21 septembre !). Io est la constante solaire (Io = 340 W.m-2). On remarque que, si e augmente, le flux énergétique moyen reçu sur 24 h diminue bien en été et augmente un peu en hiver. Donc, la valeur de INSOLATIONété-INSOLATIONhiver diminue et le contraste saisonnier aussi.
 
 

 

III Influence de l'obliquité sur l'insolation et le contraste saisonnier

Passer à la page 5. Cliquer sur le bouton zero_vensim.jpeg pour fixer l'excentricité e à sa valeur actuelle (sinon elle restera fixée à la valeur modifiée par le curseur page 3 !) Fixer la latitude à 45° et faire varier l'obliquité à l'aide du curseur. La longitude du périhélie est fixée à sa valeur actuelle.

 

Questions :

  1. Comment évolue le flux énergétique moyen reçu sur 1 an lorsque l'obliquité augmente ? Expliquer ce résultat à partir du graphique donnant le flux énergétique moyen reçu sur 24 h et à l'aide de la maquette. Le flux énergétique moyen reçu sur 1 an ne varie pas. D'après le graphique donnant le flux énergétique moyen reçu sur 24 h, si l'obliquité augmente, l'insolation augmente autant en été qu'elle diminue en hiver : la moyenne reste constante.
  2. Comment évolue le contraste saisonnier lorsque l'obliquité augmente ? L'évolution est-elle la même pour les deux hémisphères ? Le contraste saisonnier augmente pour les deux hémisphères. Il est plus marqué pour l'hémisphère Sud.
  3. Regarder page 2 le schéma illustrant l'obliquité. Quelle est la saison représentée pour l'hémisphère Nord ? Représenter le même schéma lorsque l'obliquité est maximale. C'est l'été.
  4. Sur le modèle du schéma précédent, représenter le Terre en position été pour l'hémisphère Sud.
  5. Faire varier la latitude. Quels sont les latitudes les plus sensibles aux variations de l'obliquité ? Les hautes latitudes.

 

IV Influence de la longitude du périhélie sur l'insolation et le contraste saisonnier

Passer à la page 6. Cliquer sur le bouton zero_vensim.jpeg pour fixer l'excentricité et l'obliquité à leurs valeurs actuelles. Fixer la latitude à 45° et faire varier omega à l'aide du curseur. 

 

Questions :

  1. Comment évolue le flux énergétique moyen reçu sur 1 an lorsque omega augmente ? Il ne varie pas.
  2. L'évolution du contraste saisonnier est-elle la même dans l'hémisphère Sud et dans l'hémisphère Nord ? Non, lorsqu'il est fort dans l'hémisphère Sud, il est faible dans l'hémisphère Nord et vice versa. Le contraste est identique pour omega = 0° et 180°.
  3. Dans l'hémisphère Nord, trouver les valeurs de omega correspondant à un contraste saisonnier minimal, maximal et représenter ces situations à l'aide de la maquette. Pour omega = 90°, le contraste saisonnier est minimal (en hiver pour l'H N, la Terre est au périhélie et en été elle est à l'aphélie : hiver doux et été modéré). Pour omega = 270°, il est maximal (été au périhélie pour l'H N et hiver à l'aphélie : été chaud et hiver froid).
  4. Le contraste est-il plus marqué pour de hautes latitudes ? Oui.
 

 

V Les données du passé

Passer à la page 7. Cliquer sur le bouton zero_vensim.jpeg pour fixer l'excentricité, l'obliquité et omega à leurs valeurs actuelles. 

 

Questions :

Lorsque le contraste saisonnier est fort à 65°N, l'insolation estivale est maximale. Elle est d'autant plus forte que l'obliquité est forte. Lorsqu'il est plus faible, il y a, aux fortes latitudes, un déficit d'insolation estivale. Lorsque le contraste saisonnier est fort à 25°N, on a une forte évaporation de l'eau aux Tropiques. Lorsqu'il est faible, l'eau s'évapore moins aux Tropiques.

  • Fixer les paramètres à leurs valeurs de -33700 BP et déterminer le contraste saisonnier pour une latitude de 65°N (cercle polaire) et pour une latitude de 25°N (tropique). Compléter le tableau.
  • Fixer les paramètres à leurs valeurs de -22500 BP et déterminer le contraste saisonnier pour une latitude de 65°N et pour une latitude de 25°N. Compléter le tableau.
  • Fixer les paramètres à leurs valeurs de -11500 BP et déterminer le contraste saisonnier pour une latitude de 65°N et pour une latitude de 25°N. Compléter le tableau.

 

  Contraste à 65°N        Contraste à 25°N     Flux énergétique
moyen sur 1an
Aujourd'hui 35,8 16 340,05
-11500 ans BP 38 18,5 340,05
-22500 ans BP 34,5 15 340,05
-33700 ans BP 35 17 340,05
  1. Expliquer pourquoi -33700 correspond au début d'un processus de glaciation (glaciation de Würm III). Modéliser cette situation à l'aide de la maquette. L'obliquité était minimale et omega valait 270°. On avait un contraste saisonnier de 35 % à une latitude de 65°N et de 17 % à une latitude de 25°N. Il naît au Nord, aux fortes latitudes, un déficit d'insolation estivale qui croît et se propage vers les latitudes moyennes tandis que l'insolation tropicale (latitude 25°) devient excédentaire. La neige s'accumule en hiver. La circulation d'air saturé d'eau accélère le développement de la calotte glaciaire qui progresse pour deux raisons (albédo élevé de la glace qui amplifie le contraste thermique et refroidissement des océans par l'intermédiaire des courants marins du fait de la calotte)
  2. Expliquer pourquoi -22500 correspond au début du retrait de la calotte glaciaire. Modéliser cette situation à l'aide de la maquette. L'obliquité était faible et omega valait 90°. A 65°N, le contraste saisonnier était de 34,5% et à 25°N, il valait 15 %. Le déficit d'insolation estivale au Nord atteint son maximum. L'eau s'évapore moins aux tropiques. Peu de neige s'accumule en hiver. Le retrait de la calotte s'amorce.
  3. Expliquer pourquoi -11500 correspond à une déglaciation qui s'achèvera en fait vers -7000. Modéliser cette situation à l'aide de la maquette. L'obliquité était forte et omega valait 270°. A 65°N, le contraste saisonnier était de 38% et à 25°N, il valait 18,5 %. L'insolation estivale est maximale. On était en pleine déglaciation.

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