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L ’énergie externe, l'origine des courants d'air et des courants marins:

Cette partie permet d’expliquer l’origine des vents et des courants marins; c'est un petit rappel scientifique.

Pour aborder de manière simple les phénomènes à l’œuvre, on peut montrer aux élèves un schéma représentant la brise marine le jour et son opposé la nuit, le vent de terre : comment expliquer ces deux types de vents ?

La Terre dérive dans l’Univers et baigne dans un flux d’énergie solaire.

Ce flux est appelé constante solaire ou rayonnement incident.

Valeur :

  • 1368 W.m2 à la surface de l’atmosphère.
  • 350 W.m2 à la surface terrestre (1/4 car la Terre est ronde).
  • 7000 fois supérieur au flux de chaleur interne qui est donc négligeable dans le bilan énergétique interne.

Cette énergie solaire est le moteur de la géodynamique externe à savoir des mouvements des masses d’air et des masses d’eau.

Bilan global des échanges thermiques et de la géodynamique externe :

La surface terrestre reçoit en réalité 525 W.m2 après diffusion et émission atmosphérique soit 150% du rayonnement solaire.

Les 50% de trop représente l’effet de serre due à notre atmosphère :

  • La température d’équilibre de la Terre avec l’Univers devrait être de -18°C alors qu’elle est en réalité de +15°C ;
  • Les gaz à effet de serre absorbent une partie du rayonnement incident et en réémettent une partie sous forme d’infrarouges dans toutes les directions ;

Or la surface terrestre n’en restitue directement que 115% : elle devrait donc s’échauffer et ce n’est pas le cas.

Les 35% restants sont perdus par échanges de chaleur avec l’atmosphère :

  • Soit par conduction (contact direct comme la main sur une surface froide)
  • Soit par convection (air chaud du sol qui s’échauffe et monte ; l’eau chaude qui s’échauffe et qui peut devenir vapeur ou bien circuler vers des zones plus froides).

C’est ce qu’il faut dire si l’on veut expliquer l’origine des vents et des courants marins à un bon niveau scientifique.

Il faut rajouter que comme pour la diffusion d’énergie interne, la convection est le meilleur moyen de diffuser rapidement et efficacement de l’énergie.

Or, l’équateur reçoit plus d’énergie solaire par unité de surface que nulle autre région de la planète.

La cause ? La sphéricité de la Terre. Nulle autre cause ne doit être évoquée.

Schématisation des courants brises marines et vents de terre, de jour comme de nuit

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A partir de cette représentation on peut travailler sur une modélisation avec le batonnet d'encens et la boite à chaussure; n'oubliez pas de faire critiquer le modèle.

Puis on peut passer à l'échelle globale

Schéma représentant les grands types de vents à l'échelle de la planète

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 D'après Caron, "Comrpendre et enseigner la planète Terre"

 La carte des courants marins permet de faire la correlation entre vents et courants

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Cette partie traite de l'origine des climats et des saisons

Place dans les programmes de collège à vérifier; cycle 4 probablement, dans des attendus du style conditions de vie des êtres vivants ? 

 

Voici le texte écrit par un candidat au CAPES: Identifiez les erreurs présentes dans cette explications ayant pour titre "Climats et saisons"

"Il existe différents climats à la surface de la terre : continental, océanique, tempéré....
De plus, les saisons varient au cours de l'année mais ne sont pas les mêmes dans toutes les régions du globe.

Comment peut-on expliquer la diversité des climats et la variabilité des saisons ?

Le soleil n'éclaire pas uniformément la surface de la Terre= inclinaison de la terre
A l 'équateur, les rayons arrivent perpendiculaiment : une petite surface est éclairée par un maximum de soleil : chaleur
aux hémisphères nord et sud, les rayons frappent la Terre avec un angle d'incidence : la même quantité de chaleur arrive sur une plus grande surface= moins de chaleur

Il fait donc plus chaud à l'équateur qu'aux pôles.
Ce qui provoque le mouvement des masses d'air= l'air chaud montant et l'air froid descendant ce qui provoque des cellules de convection
Les mouvements athmosphériques permettant la répartition de la chaleur accumulée aux pôles se trouvent sous forme de cellules : les cellules de Hadley . Leurs mouvements sont inversés dans les 2 hémisphères (rotation de la Terre)

L'inclinaison de la Terre et la révolution qu'elle effectue autour du soleil sont à l'origine des saisons : l'inclinaison ne varie pas lors de la révolution ce qui permet aux différentes parties de la terre d'être tour à tour proche ou éloignées du soleil (équinoxe ou solstice). Malgré tout, certaines régions restent toujours plus ou moins éloignées du soleil . Les saisons ne sont pas identiques dans toutes les régions de la terre".

Voici le texte écrit par un autre candidat: faites le même travail d'analyse d'erreurs éventuelles.

"climats et saisons sur terre" cycle 4 niveau 5ème

Pour rappel, on a vu en 6ème que les saisons et leur cycle(hiver, printemps, été et l’automne) sont un changement des paramètre physiques tel que la température, l’humidité au cours de l’année. Ces changements ont pour conséquence des modifications de la biodiversité tel que les migration l’hibernation pour les animaux en hiver ou les bulbes en terre et les arbres qui perdent leur feuille.

Qu’est-ce que les climats ?
Il existe différents climats sur Terre : polaire, tempéré, tropical qui dépendent de la localisation sur Terre. Les conditions physiques (température, humidité) varient d’un lieu à l’autre.

Comment expliquer les saisons et les différents climats sur Terre ?

Plan
I- Les saisons

Comment expliquer les saisons sur Terre ?

Pour répondre à cette problématique j’aurais proposer une activité sur l’histoire des sciences, comment des scientifiques comme, Aristote, Coppernic et Foucault on découvert la forme et les mouvements de la Terre (observation lune étoile, le pendule etc) théorie héliocentrique et géocentique

En Bilan
La forme de la Terre est ronde, et elle effectue 2 mouvements
- elle tourne sur elle même ( alternance jour/nuit)
- elle tourne autour du soleil en 365,25 jours ce qui explique les saisons comme elle effectue une ellipse autour du soleil parfois elle est plus proche et parfois plus éloigné (aphélie, équinoxe...)

II-Les climats

Comment expliquer les climats sur Terre ?

Pour répondre à cette problématique j’aurais proposer une activité en 2 partie.
-1 partie documentaire où ils notent les différents climats et les conditions physiques (température et humidité moy) et leur localisation.

- 1 partie expérimentale de modélisation avec 1 Globe, 1 lampe. Les élèves aurait noter 3 différents rayons sur le globe au niveau :

- des pôles
- entre les pôles et l’équateur
- et enfin l’équateur.
Compléter avec un document sur le rayonnement solaire et l’inclinaison de la Terre

En Bilan
Les climats sont dû à la différence de rayonnement solaire perçu par la Terre qui n’est pas la même à cause de sa forme et son inclinaison.

 

Discussion sur ce thème et problématique:

 A mes élèves, je demanderai ce qu'ils connaissent des climats de la Terre; puis je leur ferai remarquer que ces climats ont une répartition latitudinale; comme d'habitude, je leur demanderai si ceci peut-être dû au hasard ; alors il faut chercher une explication latitudinale en relation avec le soleil, notre source de chaleur; 

Puis, je leur demanderai comment varient les saisons; l'idée de cycle annuel doit émerger; puis je leur demande ce que fait la Terre durant une année; une révolution autour du soleil; toujours la même question: les saisons sont-elle dû au hasard? Non; et où doit-on chercher l'explication? Dans la révolution que la Terre effectue autour du soleil...

D'où ma problématique: Comment les caractéristiques astronomiques de la Terre permettent-elles d'expliquer la répartition latitudinale des climats et l'alternance des saisons?

Voici le dessin que je propose pour expliquer la répartition latitudinale des climats; j'ai volontairement redressé la Terre pour bien montrer que l'axe incliné de rotation de la Terre n'a rien à voir dans le phénomène. D'autre part, les rayons du soleil sont parallèles entre eux car la dimension du soleil par rapport à la Terre est suffisamment grande; ainsi on comprend que c'est langle d'incidence qui fait tout: lorsque l'été, le soleil est au-dessus de nos têtes, c'est à dire perpendiculaire à nous, alors on a chaud. Nul besoin de chercher une autre explication, c'est aussi simple que cela.

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Sur ce dessin, on voit la Terre à 4 moments de sa rotation autrou du soleil

Origine des saisons

Sur ce dessin, j'ai maintenant incliné l'axe de rotation de la Terre afin de pouvoir expliquer les saisons; on y découvre alors que la France en été se situe, vis-à-vis du soleil comme si elle était au niveau des Tropiques, et le Tropique Nord se situe alors au niveau de l'équateur; (Une erreur de ma part est de ne pas utiliser la même orientation pour l'axe de rotation que sur la représentation précédente); six mois plus tard, c'est exactement l'inverse; et 3 mois plus tard, tout se passe comme si la Terre n'était pas inclinée, autrement dit les rayons frappent l'équateur perpendiculairement et non un des Tropiques.

Campbell20200508

Conclusion:

Avec cette leçon, il faut les faire rêver: "Nous sommes abord de notre vaisseau spatial, la Terre! Nous voyageons à la vitesse de 30 km à la seconde soit 2,5 millions de km par jour!"

Cette leçon fait partie des leçons dont notre esprit a dû mal à en réaliser les enjeux et pourtant ils sont grands; nous flottons littéralement dans l'espace; notre vaisseau spatial est en équilibre entre deux forces: centripète dû à l'attraction solaire (nous devrions théoriement aller nous écraser sur le soleil) et centrifuge, que nous devons, heureusement, à la vitesse de rotation de la terre autour du soleil (l'effet tourniquet);

Tout ce qui touche à la Terre dans son ensemble nous dépasse en général; Marc twain disait quelque chose comme ça : " What gets us into trouble is not what we don't know, it's what we know for sur that just ain't so" ; cela vaut aussi bien pour la conception géocentrique du système solaire que pour le réchauffement climatique ou bien le déplacement des plaques tectoniques... Wegener a probabelement dû se dire un jour avant de mourir "Et pourtant, elles bougent!".

Données pour calculer la vitesse de révolution de la terre:

distance terre - soleil : environ 150 000 000 de km représente le rayon de son orbite

circonférence de l'orbite terretre : 2xPixr

Vitesse : (2xPixr)/temps

Calcul de la vitesse à laquelle la Terre tourne autour du Soleil

" Bonjour, voulant faire calculer à mes élèves la vitesse avec laquelle la Terre tourne autour du soleil, j'aurais besoin de connaître la distance exacte de l'orbite terrestre autour du Soleil...Merci d'avance. " La distance Terre-Soleil écrite dans toutes les encyclopédies, et aussi dans tous les livres de seconde, sur notre site est de 150 000 000 de km en moyenne.

https://planet-terre.ens-lyon.fr