Déterminer l’albédo avec Mesurim2

par Philippe Cosentino

Défini comme étant le rapport entre la quantité d’énergie lumineuse renvoyée par un corps et la quantité d’énergie lumineuse incidente, l’albédo est une grandeur que l’on doit prendre en compte dès lors qu’on étudie le bilan radiatif terrestre (programme d’enseignement scientifique de 1ère) ou les climats (programme de spécialité de terminale).

Ainsi, l’intérêt de faire réaliser des mesures d’albédo par les élèves est pertinent.

Cependant, si l’on souhaite mesurer en toute rigueur cet albédo, le dispositif peut vite s’avérer complexe : il faut un radiomètre (qui prend en compte toute l’énergie du spectre) et non un luxmètre, et déterminer la quantité d’énergie incidente peut s’avérer quasiment impossible.

Bien heureusement, il n’est pas forcément nécessaire de connaître la valeur du flux d’énergie lumineuse incident pour déterminer l’albédo, étant donné qu’il s’agit d’un rapport.

 

Principe de la mesure

En utilisant une surface étalon, une feuille de papier blanche par exemple, on pourra en effet, en simplifiant les relations, se dispenser de cette grandeur et déterminer l’albédo à l’aide d’une simple photographie.

Le principe mathématique permettant d’estimer l’albédo devient alors le suivant.

Soit As et Ap l’albédo de la surface étudiée, et l’albédo de la feuille de papier que l’on définira comme égale à 0,7 (papier utilisé couramment, pour l’impression, la photocopie …).

On notera Ep et Es l’intensité lumineuse renvoyée par la feuille de papier ou la surface, et Ei l’intensité lumineuse incidente.

As = Es / Ei

Ap = Ep / Ei = 0,7

Ei étant identique dans les 2 cas, on peut le faire disparaître en faisant le rapport des albédos :

As / Ap = Es / Ep
As = Es / Ep . Ap

Comme on peut le voir, pour déterminer l’albédo de notre surface, il nous suffit de connaître l’intensité du flux lumineux réfléchi par la surface et par le papier, et d’en faire le rapport.

Cette intensité peut être déterminé par un radiomètre situé à même distance des 2 surfaces, ou estimé à l’aide d’un luxmètre.

Exemple de dispositif permettant de mesurer le flux lumineux renvoyé par une surface à l’aide d’un luxmètre ou d’un radiomètre

Elle peut également être estimée à partir d’une photographie, à l’aide du logiciel Mesurim2, comme le montre la vidéo suivante :

 

Ainsi, à l’aide d’un simple appareil photo (c’est à dire également d’un téléphone, d’une tablette ou d’une webcam), l’élève peut, simplement en prenant un cliché de la surface qu’il étudie avec une feuille de papier à côté, déterminer l’albédo d’une surface. Le logiciel va en fait calculer le rapport entre la luminance de la surface et celle du papier, et en tirer l’albédo.

Notons que cette mesure peut se faire facilement sur le terrain (dans la cour, lors d’une sortie), en salle de TP, mais également en classe entière (avec son téléphone ou sa tablette) ou à son domicile (enseignement distanciel ou hybride).

 

Proposition de scénario pédagogique

Le scénario suivant peut être mis en œuvre en enseignement scientifique de première (bilan radiatif) ou en terminale (climats), que ce soit en spécialité ou en enseignement scientifique.

En particulier, on peut lire dans le B.O. du programme de l’enseignement scientifique de terminale :

L’évolution de la température terrestre moyenne résulte de plusieurs effets amplificateurs (rétroaction positive), dont :
(…)- la décroissance de la surface couverte par les glaces et diminution de l’albédo terrestre ;

L’idée est de partir d’une affirmation partiellement fausse, émise par un enseignant (ce qui montre que l’argument d’autorité n’est pas infaillible, loin de là).

Lors d’une discussion entre collègues, un professeur affirme que la déforestation aggrave le réchauffement climatique en mettant à nu la roche mère.

On propose alors à l’élève de mettre au point une stratégie de résolution et de la mettre en œuvre afin de vérifier cette affirmation.

– Proposer une stratégie de résolution permettant de vérifier cette affirmation.
– Mettre en œuvre le protocole proposé par votre professeur, interpréter les résultats et conclure.

A minima, la stratégie de résolution attendue consiste à mesurer l’albédo d’une couverture végétale (par exemple des feuilles d’arbre) et d’une surface minérale (terre nue, sable). Si l’affirmation de l’enseignant est correcte, alors on doit mesurer un albédo plus faible pour la surface minérale.

Le protocole proposé devra permettre à l’élève de réaliser deux photographies, en fonction du matériel et du contexte de la séance. Sur chaque photo devra figurer côté à côte une feuille de papier blanche et la surface étudiée.

Exemple de photographie prise afin de déterminer l’albédo d’une pelouse.

On veillera à utiliser la même source de lumière (soleil, lampe etc.).

L’élève pourra ensuite calculer l’albédo à l’aide du logiciel Mesurim2, que ce soit sur un PC (application exécutable, ou dans un navigateur), une tablette (application Android), ou sur son téléphone (via un navigateur).

L’élève commence par ouvrir sa photo dans Mesurim2 à l’aide de l’onglet “Image/Ouvrir”.

Puis en allant dans l’onglet “Image/Analyser” puis “Pipette/Albédo”, il pourra effectuer des relevés sur sa photographie. Il commence par cliquer sur la feuille blanche, puis sur le bouton “Établir comme étalon”.

Pour relever l’albédo, il lui suffit alors de cliquer sur la surface qu’il souhaite étudier.

Capture d'écran du logiciel Mesurim2

Capture d’écran du logiciel Mesurim2

Si la zone pipetée est trop petite, de grandes variations peuvent apparaître d’une mesure à l’autre. Une solution consiste à augmenter la taille de la pipette, ou à faire plusieurs relevés et à en faire la moyenne.

Une aide technique expliquant pas à pas comment utiliser Mesurim2 pour mesurer l’albédo pourrait s’avérer nécessaire. Il est également possible de donner aux élèves le lien vers la capsule vidéo présente à la fin de cet article.

Une fois les albédos calculés, l’élève constatera que l’albédo des surfaces minérales est bien plus grand que celui de la surface végétale.

L’affirmation de l’enseignant est donc (en partie) invalide, après déforestation l’albédo de la surface a augmenté, ce qui signifie que cette surface absorbera moins d’énergie lumineuse et se réchauffera donc moins que la surface végétale.

Il est important alors d’expliquer aux élèves que cela ne signifie évidemment pas pour autant que la déforestation n’a pas d’impact sur le climat, mais que cet impact, réel, fait intervenir d’autres facteurs comme l’effet de serre.

 

Liens

Lien vers le logiciel Mesurim2

Capsule vidéo à donner aux élèves

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