Le soleil est la principale source d’énergie du système climatique de la Terre.

L’énergie du soleil alimente le système climatique

Le soleil réchauffe la planète, entraîne le cycle hydrologique et rend la vie sur Terre possible. La quantité de lumière solaire reçue à la surface de la Terre est affectée par la réflectivité de la surface, l’angle du soleil, la puissance du soleil et les variations cycliques de l’orbite de la Terre autour du soleil.

La science de base de l’énergie solaire et le rôle qu’elle joue pour le climat de la Terre peuvent être compris par les élèves du collège, mais les complexités du bilan énergétique de la Terre restent un domaine de recherche scientifique active. Ainsi, ce sujet est à la fois élémentaire et complexe.

Ce principe est lié au principe 2 de la maîtrise de l’énergie : les processus physiques sur Terre sont le résultat du flux d’énergie à travers le système terrestre.

Montrer aux élèves la mécanique de base du système climatique

Comprendre le rôle du rayonnement solaire dans le système climatique de la Terre peut nous aider à saisir des concepts importants tels que :

Les causes des saisons.

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Cette figure montre l’inclinaison de l’axe de la Terre, qui provoque les saisons. (Note : la distance et le diamètre ne sont pas à l’échelle.)

Les saisons sont causées par l’inclinaison de l’axe de la Terre. L’inclinaison de l’axe signifie que les parties nord et sud de la Terre ne reçoivent pas les mêmes quantités de rayonnement solaire (énergie par unité de surface). Lorsque l’hémisphère sud est incliné vers le soleil, c’est l’été dans l’hémisphère sud et l’hiver dans l’hémisphère nord. (Principe 1c)

Les raisons pour lesquelles les périodes glaciaires se produisent.

Les périodes glaciaires ont été causées par des changements dans la distribution du rayonnement solaire reçu sur la surface de la Terre. La trajectoire de l’orbite de la Terre n’est pas constante. Les variations de la trajectoire orbitale de la Terre entraînent une modification du rayonnement solaire atteignant tout point de la surface terrestre. (Principe 1d)

Comment la quantité d’énergie émise par le soleil (luminosité du soleil) change avec le temps.

La production du soleil n’est pas constante. Sa luminosité (énergie totale émise par le soleil) a augmenté au cours des temps géologiques, et varie légèrement sur des échelles de temps plus courtes.

Pourquoi le réchauffement climatique récent n’a pas été causé par des augmentations de la production d’énergie du soleil.

La production d’énergie du soleil n’a pas suffisamment changé au cours des dernières décennies pour expliquer les augmentations de températures qui ont été observées pendant cette même période. (Principe 1e)

La plupart des formes d’énergie que les humains utilisent sont dérivées de l’énergie solaire.

De nombreuses formes d’énergie que les humains utilisent dérivent en fin de compte du rayonnement solaire, comme la nourriture, les hydrocarbures (comme le pétrole et le gaz naturel), l’énergie éolienne, l’énergie hydroélectrique et, bien sûr, l’énergie solaire.

Aider les élèves à comprendre ces idées

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Cette figure montre une vue sur 1 000 000 d’années des variations de l’orbite de la Terre (appelées cycles de Milankovitch), et l’effet qui en résulte sur le forçage solaire. La courbe du bas montre les cycles des périodes glaciaires récentes.

Dans la plupart des programmes et normes d’enseignement des sciences, le rôle du soleil dans la fourniture d’énergie au système terrestre est inclus, mais souvent de manière décousue. Les saisons et leur importance dans le pilotage des régimes climatiques saisonniers et de la migration des animaux peuvent être enseignées à l’école primaire, puis ne pas être revues pendant de nombreuses années, voire pas du tout.

De plus, les étudiants de tous âges, y compris les collégiens et les adultes, ont des difficultés à comprendre ce qui cause les saisons. Outre l’inclinaison axiale, les facteurs qui entrent en jeu dans les modèles mentaux des gens comprennent la croyance que la Terre tourne autour du soleil selon une trajectoire elliptique allongée, la confusion concernant la taille, le mouvement et la distance relatifs de la Terre par rapport au soleil, la façon dont la lumière voyage, la longueur de la révolution de la Terre autour du soleil et même la période de rotation. Une stratégie pour atténuer cette idée fausse courante est de s’assurer que les  » raisons des saisons  » sont abordées de manière adéquate à l’école secondaire, lorsque les élèves ont suffisamment de connaissances en géométrie et en physique pour saisir les concepts (McCaffrey & Buhr, 2008).

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La quantité d’énergie solaire reçue par la Terre a suivi le cycle naturel de 11 ans du Soleil, fait de petits hauts et de bas, sans augmentation nette depuis les années 1950. Au cours de la même période, la température mondiale a augmenté de façon marquée. Il est donc extrêmement improbable que le Soleil soit à l’origine de la tendance au réchauffement de la température mondiale observée au cours du dernier demi-siècle. Image de la NASA.

Une idée fausse persistante est que notre récent réchauffement climatique est dû à des changements dans l’énergie entrante du soleil, plutôt qu’à une augmentation des émissions de gaz à effet de serre. On peut y remédier en examinant les enregistrements de la production solaire et en les comparant aux enregistrements des températures mondiales. Les données montrent clairement que l’irradiation du soleil n’est pas corrélée à la température de la Terre.

On peut trouver d’excellentes explications à ce sujet sur le site Skeptical Science : Soleil et climat : Moving in Opposite Directions et avec un graphique de Bloomberg : What’s Really Warming the World ? Ce graphique engageant est réalisé avec les données de la NASA et les sorties de modèles.

Apporter ces idées dans votre classe

Le rayonnement solaire est l’énergie fondamentale qui conduit notre système climatique, et presque tous les processus climatiques et biologiques sur Terre dépendent de l’apport solaire. L’énergie du soleil est essentielle pour de nombreux processus sur Terre, notamment le réchauffement de la surface, l’évaporation, la photosynthèse et la circulation atmosphérique. Ainsi, l’examen de la façon dont le soleil alimente différents processus sur Terre peut faire partie de nombreux types de cours de sciences. De nombreux concepts scientifiques liés à ce principe peuvent être abordés en encourageant les observations saisonnières, en participant à des programmes de science citoyenne avec des étudiants (comme GLOBE) et en réexaminant périodiquement les bases de la façon dont la quantité et l’intensité de l’énergie solaire affectent le climat de la Terre.

Les façons dont l’énergie du Soleil alimente le système climatique peuvent être enseignées à partir d’un niveau très basique vers le haut jusqu’aux approches scientifiques les plus sophistiquées.

Intégrer des solutions – Les concepts scientifiques qui se rapportent au rayonnement solaire peuvent être élargis pour inclure l’ingénierie et la technologie de l’énergie solaire, y compris les fours solaires, la conception solaire passive, l’énergie solaire thermique et l’électricité solaire. Cela peut contribuer à sensibiliser aux alternatives à l’utilisation des combustibles fossiles et à créer un forum de discussion sur les solutions au changement climatique que notre société peut adopter.

Matériel pédagogique de la collection CLEAN

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Cette figure montre comment la glace blanche reflète la lumière du soleil alors que l’eau de l’océan, plus sombre, l’absorbe. C’est ce qu’on appelle l’albédo, ou réflectivité.

Moyen d’études

• Des globes et d’autres modèles physiques peuvent être utilisés pour montrer l’inclinaison de l’axe de la Terre et comment cela affecte la distribution de la lumière du soleil pendant les différentes saisons, comme dans Mon angle de refroidissement : Effets de la distance et de l’inclinaison.
• Introduction au climat de la Terre – Cette leçon est une introduction au climat de la Terre et couvre les principes clés concernant le climat unique de la Terre, l’atmosphère et les différences climatiques régionales et temporelles.
• Feeling adventuresome ? Amazing Albedo est une activité pratique qui consiste à mesurer la température de différentes surfaces colorées.

High school

• The Climate : A Balancing Act permet aux élèves d’ajuster les paramètres qui affectent l’équilibre énergétique de la Terre : le rayonnement solaire entrant, l’effet albédo, l’effet de serre et le rayonnement sortant.
• Les élèves peuvent apprendre comment les cycles orbitaux et les périodes glaciaires sont bien corrélés avec l’applet Climat des cycles de Milankovitch.
• Cet outil de visualisation interactif des saisons peut devenir la base d’une exploration ouverte de la façon dont le rayonnement solaire varie selon le lieu et la saison.
• L’influence solaire : Climate Change de la National Academies peut aider à renforcer les preuves que l’activité solaire ne cause pas le réchauffement climatique.

Collège

• Le budget thermique de la Terre est une activité pratique de laboratoire qui étudie les effets de la distance et de l’angle sur l’entrée du rayonnement solaire, l’albédo, la capacité thermique de la terre et de l’eau, et comment ceux-ci causent les saisons.
• Le laboratoire des mouvements du soleil utilise un simulateur animé pour permettre aux élèves de manipuler des variables afin de comprendre le mouvement apparent du soleil dans le ciel.
• Observez les changements de l’orbite de la Terre qui contribuent au changement climatique – Cette visualisation animée des cycles de Milankovitch peut préparer le terrain pour une discussion plus avancée sur les forçages climatiques.
• Une approche quantitative peut être utilisée avec cette introduction étape par étape à un modèle simple STELLA : Modélisation du bilan énergétique de la Terre.
• Modéliser le climat de la Terre primitive avec GEEBITT aide les élèves à se familiariser avec les processus physiques qui ont rendu le climat primitif de la Terre si différent de celui d’aujourd’hui.