Une modélisation de l’absorption des IR par la vapeur d’eau

Une proposition de TP pour construire la notion d’effet de serre en modélisant l’absorption des IR par la vapeur d’eau.
Auteur : Céline ELALAOUI

1. Partie du programme de seconde concernée

2. Situation de la séance dans une progression pédagogique

3. Démarche pédagogique

4. Matériel nécessaire par binôme

5. Préparations à effectuer par le professeur avant la séance

6. Evaluations possibles

7. Déroulement de la séance de TP


Partie du programme de seconde concernée

Thème : La planète Terre et son environnement

Notion à construire : L’effet de serre résulte comme sur Mars et Vénus de la présence d’une atmosphère.


Situation de la séance dans une progression pédagogique

Problématique : comment expliquer les températures moyennes de surface des planètes ?

Dans le cadre de cette problématique, une première séance de TP permettra de montrer que la température de surface des planètes dépend de leur distance au Soleil.
Au cours de ce premier TP, les relations suivantes doivent être établies pour pouvoir faire le TP présenté dans ce document : relation entre énergie reçue et distance au Soleil, relation entre énergie et température avec notamment la démonstration pratique qu’un corps chaud émet des IR, relation entre IR et température. Puis la séance de TP présentée dans cet article peut avoir lieu.


Démarche pédagogique

1. Observations

• Constat d’une différence entre les températures moyennes de surface calculées en tenant compte uniquement de la distance au soleil, et les températures moyennes de surface réellement mesurées.
• Constat d’une différence de température entre la Lune et la Terre alors qu’elles sont à égale distance du Soleil.
• Relation établie : plus la pression atmosphérique est élevée, plus la différence entre les températures théoriques et les températures mesurées est élevée.

Travail_maison_avant_TP

2. Formulation du problème : Comment expliquer la relation entre la pression atmosphérique et les écarts températures théoriques/températures mesurées ?

La formulation du problème peut différer selon les propositions des élèves et le niveau général de la clase. Un autre problème peut être formulé : comment expliquer la différence de température entre la Terre et la Lune alors que ces deux corps célestes sont à égale distance du Soleil ?

3. Proposition d’une hypothèse à partir de l’exploitation des spectres en longueur d’onde de la lumière émise par l’atmosphère vers l’espace et d’un corps noir à la température de la Terre dans le domaine des IR : on suppose que ce sont les gaz présents dans l’atmosphère qui absorbent les IR émis par les surfaces planétaires et en émettent à leur tour vers la surface de la planète.

Consignes_TP

4. Conception du protocole pour tester l’hypothèse d’une absorption des IR par la vapeur d’eau

Conception et exécution du protocole expérimental pour tester l’hypothèse.
Fiches pour la conception du protocole :

Fiches_protocole

5. Exécution du protocole, mesures, mise en commun des résultats et exploitation des résultats

Enregistrement des photographies avec le logiciel PAINT ; mesure d’intensité lumineuse avec Mesurim, correction de l’exploitation des résultats

6. Conclusion

Retour sur le spectre de lumière émise par l’atmosphère vers l’espace pour attribuer à chaque pic d’absorption la molécule absorbante. Validation de l’hypothèse. Conclure.


Matériel nécessaire par binôme

- une lampe de poche avec un cache noir percé d’un petit trou d’environ 3 m de diamètre
- une télécommande, du scotch
- deux petites boîtes en plastique servant à stocker les lamelles, attention il ne faut pas qu’elles soient rayées, la boîte contenant de l’eau doit être préparée avant le début du tp.
- Deux filtres polarisants ou deux carrés de négatifs de films photo argentiques insérés dans un support diapo, le professeur doit les scotcher perpendiculairement pour ne pas laisser passer la lumière visible, il seront scotchés par les élèves sur la webcam ou une cale qui sera posée devant la webcam. Les filtres peuvent aussi être maintenus sur un ½ bouchon en liège fendu.
- Une webcam (le modèle premier prix à 5 euros est suffisant)
- Des cales ou des boîtes pour installer le matériel à la bonne hauteur
- Un ordinateur avec les logiciels PAINT (ou word) et MESURIM avec leurs fiches techniques


Préparations à effectuer par le professeur avant la séance

- Faire le trou dans chaque cache noir
- Scotcher les deux filtres polarisants ou insérés dans un support diapo les deux carrés de négatif, le professeur doit les scotcher perpendiculairement pour ne pas laisser passer la lumière, il seront scotchés par les élèves sur la webcam ou sur une cale.
- Faire un essai pour connaître la distance adéquate entre vos webcam et vos lampes de poches afin que la tâche visible sur l’écran ne soit pas trop concentrée et assez grosse pour effectuer les mesures avec Mesurim. En effet, si la tâche est trop concentrée l’absorption ne sera pas mise en évidence.

Par exemple :

Ici la distance entre la lampe et la webcam est trop petite et la mise au point de la webcam est à changer : il faut éloigner un peu la lampe de la webcam, puis régler l’objectif pour que la tâche soit moins lumineuse (moins blanche, plus bleue). Les tâches doivent être bleutées. Les meilleures résultats sont obtenus quand, sans boîte, l’intensité lumineuse est comprise entre 50% et 40%.
- Fouiller dans le labo pour trouver tout ce qui peut permettre que le trou du cache noir de la lampe, les boîtes, les filtres et l’objectif de la webcam soient sur la même ligne horizontale.
La préparation des lampes, des filtres et des cales demandent du temps mais tout ce matériel une fois trouvé peut-être stocké et réutilisé l’année prochaine.


Evaluations possibles

Si des protocoles ont déjà été conçu, celui-ci peut-être noté.
Si les logiciels ont déjà été utilisés, les mesures effectuées peuvent être évaluées en demandant aux élèves d’enregistrer leur fichier dans le dossier « restitution des devoirs » du réseau pédagogique. On peut leur demander de faire un schéma fonctionnel montrant le rôle de l’atmosphère sur la température d’une planète en guise de conclusion et si un schéma fonctionnel a déjà été fait, il peut être noté.


Déroulement de la séance de TP

- Correction de l’activité faite à la maison
- Observations :
Vénus, Terre et Mars ont une température moyenne de surface mesurée supérieure à la température moyenne de surface théorique. Il y a une différence de +448°C pour Vénus, +32°C pour la Terre et +2°C pour Mars.
La Terre et la Lune ont une température de surface moyenne mesurée différente de 33°C en faveur de la Terre alors qu’elles sont placées à égale distance du Soleil.
Vénus, Terre et Mars possèdent une atmosphère gazeuse plus ou moins importante : très épaisse pour Vénus et ténue pour Mars.
Les différences de température entre les valeurs calculées et les valeurs mesurées concernent uniquement les planètes ayant une atmosphère. Plus la pression atmosphérique est importante, plus la différence constatée est importante.

- Problème posé :
Comment expliquer la relation entre la pression atmosphérique et les écarts entre les températures théoriques et mesurées ?

Le professeur distribue les consignes du TP sans donner le tableau et demande aux élèves de suivre la consigne 1

Correction de la consigne 1 : Exploitation des spectres

Certaines radiations IR émises par la surface de la Terre ne sont pas émises par l’atmosphère vers l’espace.
Hypothèse formulée : on suppose que ce sont les gaz présents dans l’atmosphère qui absorbent les IR émis par les surfaces planétaires et en émettent vers la surface de la planète.

Le professeur demande aux élèves de suivre la consigne 2, d’ouvrir leur session sur l’ordinateur, puis d’ouvrir le logiciel de la webcam.

Le professeur fait la présentation des filtres polarisants et de la webcam même si cela déjà été fait dans le tp précédent lorsque l’on montre qu’un corps chaud émet des infrarouges :

1. Demander aux élèves d’observer la diode d’une télécommande en appuyant sur un bouton : les élèves ne voient rien. Donc : l’œil humain ne voit pas les infrarouges.
2. Demander aux élèves de diriger la télécommande vers la webcam et d’appuyer sur un bouton : la lumière IR émise par la télécommande est visible sur l’écran de l’ordinateur. Donc : la webcam permet d’observer les IR.
3. Demander aux élèves d’observer la lampe allumée sur votre paillasse avec un œil devant lequel ils auront placé les deux filtres polarisants (préalablement scotchés perpendiculairement par le professeur) : les élèves ne voient rien. Donc les filtres polarisants placés perpendiculairement ne laissent pas passer la lumière visible.

Correction de la consigne 2 : Conception du protocole expérimental pour tester l’hypothèse

Les élèves proposent les analogies suivantes :
Planète = lampe de poche munie d’un cache noir percé d’un petit trou.
Atmosphère = boîte en plastique servant à stocker les lamelles
Dispositif pour visualiser uniquement les IR = webcam + filtres polarisants + écran de l’ordinateur

Le professeur vérifie le dispositif de chaque binôme et règle l’objectif de chaque webcam pour que la tâche soit assez diffuse c’est-à-dire qu’elle ne soit pas trop blanche.

Protocole expérimental proposé :

Phénomène étudié : effet des gaz atmosphériques sur la température moyenne de surface d’une planète
Modélisation du phénomène : comportement de la vapeur d’eau vis à vis du rayonnement IR

Principe de l’expérience :
• Facteur variable : teneur en vapeur d’eau du milieu devant la source d’IR
• Facteurs constants : flux des IR émis
• Paramètre observé : intensité lumineuse de la tâche proportionnelle à l’intensité des IR transmis
Utilisation du matériel
• Outil de maîtrise de la teneur en vapeur d’eau : boîtes en plastique, avec une boîte contenant de l’air enrichi en vapeur d’eau en mettant au fond de la boîte un peu d’eau.
• Le témoin est la mesure effectuée avec la boîte vide.
• Outil de maîtrise du flux de IR émis : allumer la lampe et attendre 5 minutes avant de faire l’expérience.
• Précautions à prendre : déplacer délicatement la boîte contenant l’eau, placer les boîtes dans le même sens, respecter une distance d’environ 15 cm entre la lampe et la webcam.
• Outil de mesure : l’outil de mesure de lumière sur un rectangle du logiciel MESURIM. Il s’agit de mesurer l’intensité lumineuse des tâches visibles sur l’écran de l’ordinateur grâce au dispositif webcam+filtre.

Procédure :
1. Poser devant la lampe de poche allumée la petite boîte en plastique vide, prendre 1 photographie puis enlever la boîte.
2. Poser devant la lampe de poche allumée la petite boîte contenant de l’eau, prendre 1 photographie
3. Copier les deux photos dans un fichier PAINT et enregistrer le fichier et mesurer l’intensité lumineuse des deux tâches avec l’outil de mesure de lumière sur un rectangle du logiciel MESURIM.

Le professeur demande aux élève d’exécuter le protocole expérimentale élaboré et d’exploiter leurs résultats de mesures

Correction de la consigne 3 : enregistrement des images, mesures avec le logiciel Mesurim

Vous pouvez prévoir un document de secours sous la forme d’un fichier contenant ces deux images. Le fichier peut-être placé dans le dossier de la classe dans le réseau pédagogique.

• Exécution du protocole
On peut éventuellement demander aux élèves les plus rapides de prendre plusieurs photos avec la boîte vide et de mesurer l’intensité de la lumière sur la tâche, ainsi ils déterminent l’ordre de grandeur de l’incertitude de la mesure.

• Enregistrement des deux photographies dans un fichier PAINT.

• Mesure de l’intensité lumineuse des tâches avec le logiciel MESURIM
Indiquer que l’incertitude d la mesure est de l’ordre de 0,1% d’après mes propres essais. Donc une différence d’intensité même de 2 % est significative.


Le professeur passe de binôme en binôme, demande aux élèves de venir écrire leurs résultats de mesures au tableau et d’exploiter leurs résultats personnels.

Correction de la consigne 4 : Exploitation des résultats

Observation : l’intensité lumineuse de la tâche diminue de 15,3% lorsque l’air est enrichi en vapeur d’eau.
Déduction : la vapeur d’eau absorbe une partie des IR émis par l’ampoule.
Analogie avec la réalité : la vapeur d’eau présente dans l’atmosphère des planètes absorbe les IR émis par la surface des planètes. Si elle en absorbe, elle en émet dans toutes les directions, notamment vers la surface de la planète.
Critiques : la teneur en vapeur d’eau non quantifiable, les longueurs d’ondes des infrarouges émis par la lampe de poche ne sont pas connues.

Le professeur distribue le tableau et demande de suivre la consigne 5

Correction de la consigne 5 : Conclusion

Les atmosphères des planètes contiennent des gaz qui absorbent une partie des IR émis par la surface des planètes. Les gaz atmosphériques émettent ces IR dans toutes les directions et notamment vers la surface de la planète. Donc une planète possédant une atmosphère reçoit de l’énergie du soleil mais également de son atmosphère ce qui explique les différences entre les températures mesurées et les températures calculées en tenant compte uniquement de la distance au Soleil. Plus l’atmosphère contient de gaz à effet de serre, plus la planète recevra d’énergie venant de l’atmosphère.

Remarques : Lorsque j’ai élaboré le dispositif chez moi, j’ai utilisé ma télécommande TNT qui émet des infrarouges en continu. Une télécommande est plus pratique pour mettre en place l’ensemble du matériel car cela nécessite moins de cales. Malheureusement, la plupart des télécommandes émettent des IR de façon discontinue donc la capture de l’image n’est pas rigoureuse du tout. Donc si vous pouvez avoir 9 télécommandes TNT, utilisez-les, sinon nous sommes obligés d’utiliser une lampe de poche. Ce qui n’est pas très grave car c’est un corps chaud qui émet des IR.
Les petites cales que j’utilise sont des chutes de tasseaux que j’ai utilisés pour faire des maquettes pour la tectonique en première S, mais vous pouvez utiliser les petites boîtes en carton de stockage des lames .

Auteur : Céline ELALAOUI

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