par Philippe COSENTINO
Le programme d’enseignement scientifique (2023)de la classe de première aborde en détail la question de la répartition (dans l’espace et dans le temps) de l’énergie solaire sur Terre.
L’application “Origine des saisons” permet de faire varier différents paramètres astronomiques et d’en étudier les effets sur la réception de l’énergie solaire par notre planète.
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PLACE DANS LE PROGRAMME D’ENSEIGNEMENT SCIENTIFIQUE |
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| Niveau concerné | Première, enseignement scientifique |
| Détail du programme | 2.1 — Le rayonnement solaire
Connaissances : “La puissance radiative reçue du Soleil par une surface plane est proportionnelle à l’aire de la surface et dépend de l’angle entre la normale à la surface et la direction du Soleil. Capacités attitudes : “Sur un schéma, identifier les configurations pour lesquelles la puissance reçue par une surface est maximale ou minimale. “ |
| Mots-clés | puissance radiative, température, latitude, heures, saisons |
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PLACE DANS LE PROGRAMME DE SPECIALITE SVT |
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| Niveau concerné | Terminale, spécialité SVT |
| Détail du programme | 2.1 — Le rayonnement solaire
Connaissances : “Les rapports isotopiques montrent des variations cycliques coïncidant avec des variations périodiques des paramètres orbitaux de la Terre.” Capacités attitudes : “Mettre les variations temporelles des paramètres orbitaux, définis par Milankovitch, en relation avec les variations cycliques des températures au Quaternaire. “ |
| Mots-clés | cycles de Milankovitch, obliquité, précession |
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OBJECTIFS PÉDAGOGIQUES (PROPOSITIONS) |
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| Notions fondamentales mobilisées | Inégale répartition de l’énergie solaire, variation saisonnière, zonation climatique (enseignement scientifique).
Cycles de Milankovitch, paramètres orbitaux (obliquité, précession), |
| Compétences travaillées | Utiliser des outils numériques (Utiliser des logiciels d’acquisition, de simulation et de traitement de données). Pratiquer des démarches scientifiques (Comprendre le lien entre les phénomènes naturels et le langage mathématique. Comprendre qu’un effet peut avoir plusieurs causes.). |
Remarque sur l’utilisation de l’application
Idéalement l’application ne doit pas être utilisée “seule”, mais conjointement à d’autres supports, tels que des documents (schémas, données chiffrées, graphiques) ou des modélisations analogiques (globe terrestre, lampe torche etc.). Il est également envisageable de proposer l’utilisation de l’application dans l’optique d’une différenciation pédagogique (l’élève pouvant utiliser l’application en autonomie, y compris sur sa tablette ou à son domicile) voire en remédiation.
Description de l’application
L’interface de l’application se décompose en 4 quadrants.
Quadrant 1 : permet de faire varier les différents paramètres du logiciel (précession des équinoxes, obliquité de l’axe, date (période de l’année), latitude de l’observateur). Une case à cocher permet également d’arrêter l’écoulement automatique du temps.
Quadrant 2 : permet de visualiser la position de la Terre sur son orbite (périhélie et aphélie sont représentés par les lettres P et A). Les échelles ne sont bien entendu pas respectées. Il est possible d’incliner ou de faire pivoter librement la vue avec la souris (ou le doigt sur tablette).
Il est parfois nécessaire d’incliner la vue orbitale pour comprendre comment la Terre est éclairée, notamment à l’approche des équinoxes.
Quadrant 3 : permet de visualiser l’incidence des rayons solaires sur le globe, ainsi que la limite “jour/nuit” (appelée terminateur) selon les saisons et la latitude. Une option (case à cocher) permet de contraindre les rayons à arriver horizontalement (dans ce cas c’est le globe terrestre qui pivote pour rendre compte de l’incidence correcte).
Incidence des rayon solaires sur le globe le 21 décembre et le 21 juin ; le triangle représente la latitude 43°.
Quadrant 4 : permet de visualiser et de quantifier l’incidence des rayons solaires sur le sol. On se place cette fois-ci à l’échelle humaine (la courbure de la Terre n’est plus visible), ce qui permet d’envisager une meilleure visualisation des angles et des dimensions. La situation représentée est donnée pour une date et une latitude donnée. Est également figuré un faisceau de lumière cylindrique de 1m² de section, ainsi que la surface du disque correspondant à son intersection avec le plan du sol. La valeur de la constante solaire (pour la date choisie, car elle varie très légèrement entre le périhélie et l’aphélie) ainsi que sa définition sont données.
Incidence des rayons solaires le 21 septembre, à l’équateur, et à une latitude de 43°.
Pistes d’exploitation en enseignement scientifique (1ère)
L’enseignement scientifique, et particulièrement ce chapitre, est particulièrement pertinent, de par sa nature transversale, pour mettre en œuvre la compétence “Comprendre le lien entre les phénomènes naturels et le langage mathématique”. On peut ainsi imaginer des activités dans lesquelles l’élève collecte des données numériques dans le logiciel afin de les mettre en relation avec les variations saisonnières ou la zonation climatique.
Quelques pistes :
- déterminer la date du solstice d’été pour un observateur situé à +40° de latitude, et un autre à -40° de latitude,
- déterminer la puissance solaire reçue par 1m² au sol pour ces observateurs lors de leurs solstices d’été respectifs, et expliquer la différence observée,
- expliquer l’absence d’été et d’hiver pour les observateurs vivant à proximité de l’équateur,
- déterminer à partir de quelle latitude les rayons solaires n’éclairent plus le sol le 21 décembre, quelle que soit l’heure de la journée.
Il est bien entendu également possible de donner une consigne plus générale à l’élève, à condition cependant d’accompagner le logiciel d’autres documents ou modélisations (de préférence analogique pour varier). Par exemple : “Comment expliquer les variations d’ensoleillement observées tout le long de l’année par une personne vivant à Toulon (latitude 43°) ?”.
Utilisation en enseignement de spécialité (terminale)
Cette application peut également être utilisée en spécialité (SVT) de terminale, lors de l’étude des climats passés.
En effet, les cycles de Milankovitch y sont abordés, et l’élève doit pouvoir faire le lien entre variations des paramètres orbitaux et variation de l’ensoleillement.
Deux paramètres de ces cycles peuvent être étudiés : l’obliquité et la précession.
L’élève peut par exemple comparer les variations de la puissance surfacique (au sol) entre les 2 solstices, pour un observateur situé, par exemple, à 43° de latitude, et pour une obliquité valant 22° puis 24° (variation extrêmes), et présenter ses résultats dans un tableau, avant de les interpréter.
| Obliquité = 22,1° | Obliquité = 24° | |
| Puissance solaire le 21/12 |
1409 / 2,38 = 592 W.m-2 |
1409 / 2,56 = 550 W.m-2 |
| Puissance solaire le 21/06 |
1322 / 1,07 = 1235 W.m-2 |
1322 / 1,06 = 1247 W.m-2 |
| Ecart | 1235 – 592 = 643 Wm-2 |
1247 – 550 = 697 Wm-2 |
(exemple de tableau que l’élève peut remplir, on constate que l’écart d’ensoleillement entre l’été et l’hiver est plus fort quand l’obliquité est plus grande).
Il peut également faire le même relevé de mesure en faisant varier cette fois-ci la précession des équinoxes. Lorsque l’axe de la Terre aura tourné d’environ un demi-tour, le solstice d’été boréal tombera lors du périhélie. Pour l’hémisphère Nord, la puissance surfacique au sol, en hiver sera alors plus faible qu’actuellement (où l’hiver tombe lors du périhélie), et celle en été sera plus élevée (non seulement l’hémisphère Nord sera orienté face au soleil, mais ce sera le périhélie).
| Périhélie le 04/01 (actuel) | Périhélie le 21/06 | |
| Puissance solaire le 21/12 |
592 W.m-2 | 528 W.m-2 |
| Puissance solaire le 21/06 |
1247 W.m-2 | 1330 W.m-2 |
(exemple de tableau que l’élève peut compléter).
Bien entendu, ce logiciel a lui seul ne permet pas de comprendre l’impact des variations de ces paramètres sur les climats ! L’élève doit avoir à sa disposition d’autres documents et/ou d’autres modélisations, notamment analogiques, pour pouvoir comprendre le lien entre ces variations orbitales et les variations climatiques.
Liens vers l’application
Sur le serveur académique :
https://www.pedagogie.ac-nice.fr/svt/productions/saisons/
Sur le serveur de l’auteur (respecte la RGPD) :
https://cosphilog.fr/saisons/
Version exécutable:
https://cosphilog.fr/saisons/saisons.zip
