On peut se demander pourquoi il fait froid dans les régions polaires. L'idée principale est que la quasi-totalité de la chaleur reçue par la surface de la Terre provient du rayonnement solaire et que ce sont les régions polaires qui en reçoivent le moins, en raison d'un ensemble de plusieurs phénomènes que nous allons voir :

• des pertes d'énergie lors de la traversée de l'atmosphère,
• un étalement au sol du rayonnement solaire,
• l'existence de la nuit polaire,
• un fort albédo.

Comme on peut le voir sur le dessin, les rayons du soleil qui atteignent les pôles doivent parcourir une plus grande distance dans l'atmosphère que ceux de la région équatoriale, ce qui entraîne des pertes d'énergie plus importantes.

Les rayons du soleil ne frappent pas perpendiculairement le sol comme à l'équateur, mais au contraire d'une façon oblique. Un même rayon s'étale donc sur une plus grande surface aux pôles, en conséquence l'énergie reçue par unité de surface y est nettement inférieure.

• Accrocher la feuille de papier au mur et faire le noir dans la classe.
• Eclairer à faible distance la feuille et jouer sur l'angle du faisceau de la lampe (de perpendiculaire à oblique) pour visualiser l'étalement de la surface illuminée.

La durée de l'ensoleillement est un autre paramètre important. En effet, l'été polaire est caractérisé par l'absence ou la quasi-absence de nuit, alors que l'hiver l'obscurité dure plusieurs mois. L'énergie solaire arrive donc continuellement durant l'été, mais elle reste faible et ne compense pas l'hiver sans lumière. Le bilan saisonnier d'énergie est donc négatif dans les régions polaires.

• La balle de ping-pong représentera le globe terrestre.
• Percer la balle avec l'aiguille, elle symbolisera l'axe de rotation de la Terre.
• Mettre la balle dans le faisceau horizontal de la lampe torche qui sera le soleil.

La Terre tourne sur elle même, mais son axe est incliné par rapport à la verticale. Au cours de sa rotation autour du soleil, elle présente à tour de rôle vers celui-ci sa partie supérieure (21 juin) ou sa partie inférieure (21 décembre). C'est ce qui explique les saisons (et qu'elles sont opposées entre les deux hémisphères) car plus les rayons du soleil atteignent la Terre directement plus ils chauffent sa surface.

• Faire observer qu'en raison de l'inclinaison de la Terre, et malgré sa rotation sur elle même, durant l'hiver boréal le pôle nord n'est pas atteint par les rayons lumineux de la torche tout au long de la journée, alors qu'au pôle sud le jour dure 24 heures. Réaliser ensuite l'inverse.

Uniquement une partie de l'énergie solaire qui atteint le sol est absorbée, alors que le reste est réfléchi. En climatologie, la fraction entre le rayonnement solaire réfléchi et le rayonnement incident est appelée albédo, il est d'autant plus fort que les rayons sont réfléchis.

Au niveau du sol la proportion réfléchie dépend des propriétés optiques de la surface, essentiellement déterminées par sa teneur en eau et sa couleur. Or, la neige et la glace ont un très fort albédo, les régions polaires réfléchissent donc la plus grande partie des rayons lumineux qui les atteignent déjà difficilement. Il y a donc un auto-entretient des conditions froides.

• Peindre une plaque en noir, l'autre en blanc.
• Placer les deux plaques à l'extérieur, sur l'isolant thermique, à l'abris du vent.
• Mesurer à intervalle de temps régulier la température de chaque plaque. Pour cela placer la sonde du thermomètre électronique entre la plaque et l'isolant.
• Reporter les mesures dans un tableau.

Au soleil, les plaques vont absorber l'énergie lumineuse et vont s'échauffer jusqu'à atteindre une température d'équilibre presque constante. Cette température sera plus élevée pour la plaque noire qui réfléchie beaucoup moins les rayons du soleil.

On peut aussi faire le lien avec les vêtements et déterminer les couleurs les plus adaptées à l'été ou l'hiver.