Le rayonnement solaire est une énergie radiante (électromagnétique) provenant du soleil. Il fournit de la lumière et de la chaleur à la Terre et de l’énergie pour la photosynthèse. Cette énergie rayonnante est nécessaire au métabolisme de l’environnement et de ses habitants
Principes de base :
Chaque endroit de la Terre reçoit la lumière du soleil au moins une partie de l’année. La quantité de rayonnement solaire qui atteint un point donné de la surface de la Terre varie en fonction de :
- La situation géographique
- L’heure de la journée
- La saison
- Paysage local
- Temps local.
La Terre étant ronde, le soleil frappe la surface à des angles différents, allant de 0° (juste au-dessus de l’horizon) à 90° (directement au-dessus de la tête). Lorsque les rayons du soleil sont verticaux, la surface de la Terre reçoit toute l’énergie possible. Plus les rayons du soleil sont inclinés, plus ils traversent l’atmosphère, devenant ainsi plus dispersés et diffus. Comme la Terre est ronde, les régions polaires glaciales ne reçoivent jamais un soleil haut et, en raison de l’inclinaison de l’axe de rotation, ces régions ne reçoivent pas de soleil du tout pendant une partie de l’année.
La Terre tourne autour du soleil sur une orbite elliptique et est plus proche du soleil pendant une partie de l’année. Lorsque le soleil est plus proche de la Terre, la surface de la Terre reçoit un peu plus d’énergie solaire. La Terre est plus proche du soleil lorsque c’est l’été dans l’hémisphère sud et l’hiver dans l’hémisphère nord. Toutefois, la présence de vastes océans tempère les étés plus chauds et les hivers plus froids que l’on pourrait s’attendre à voir dans l’hémisphère sud en raison de cette différence.
Que se passe-t-il au niveau du rayonnement solaire entrant ?
Le rayonnement solaire que reçoit la Terre est principalement constitué de longueurs d’onde plus courtes de la lumière visible. Comme l’explique la loi de Wein, la température élevée du soleil émet un rayonnement solaire dont la plupart des longueurs d’onde sont plus courtes. Ce rayonnement solaire entrant peut être diffusé, réfléchi ou absorbé.
- La diffusion :
La diffusion du rayonnement solaire se produit lorsque le rayonnement frappe de très petits objets dans l’atmosphère terrestre, tels que des molécules d’air, de minuscules gouttelettes d’eau, des cristaux de glace ou des aérosols (minuscules particules en suspension dans l’air), qui dispersent le rayonnement solaire dans toutes les directions. Les molécules d’air et les aérosols dispersent le rayonnement solaire dans l’atmosphère. Les molécules d’air sont beaucoup plus petites que les longueurs d’onde de la lumière visible qui les frappe. Par conséquent, les longueurs d’onde de la lumière bleue, plus courtes, sont davantage diffusées que les longueurs d’onde de la lumière rouge, plus longues. C’est la raison pour laquelle le ciel apparaît bleu pendant la journée. Les gouttelettes d’eau et les cristaux de glace qui composent les nuages diffusent la lumière de manière égale à toutes les longueurs d’onde et apparaissent donc blancs.
- La réflexion
La réflexion du rayonnement solaire se produit lorsque le rayonnement est envoyé directement vers l’arrière à partir d’une surface. La fraction (ou le pourcentage) du rayonnement réfléchi est appelée albédo.
- L’absorption
L’absorption est différente de la diffusion et de la réflexion, car l’absorption implique plus qu’un changement de direction du rayonnement. L’absorption du rayonnement implique la conversion du rayonnement électromagnétique en énergie thermique.
Comment calculer le bilan de rayonnement global de la Terre ?
Le bilan énergétique de la Terre désigne l’équilibre entre la quantité de rayonnement solaire entrant et le rayonnement terrestre sortant. Sur une période d’un an, le flux moyen global d’énergie entrant et sortant de la Terre doit s’équilibrer, sinon la température moyenne globale de la Terre changerait. Les éléments suivants décrivent comment les rayonnements entrants et sortants s’équilibrent. La quantité moyenne d’énergie solaire qui tombe sur un mètre carré de surface plane en dehors de l’atmosphère terrestre est d’environ 342 watts. Un watt est une unité de puissance égale à un joule d’énergie par seconde. L’intensité du rayonnement est donc le taux de flux d’énergie (joules par seconde) par mètre carré.
Que sont un joule et un newton ?
Un joule (J) est une unité d’énergie ou de travail équivalente à l’énergie dépensée lorsqu’on applique une force de 1 newton (N) pour déplacer un objet d’un mètre. Un joule s’exprime mathématiquement par 1 kilogramme (kg) × mètre2 (m2) ÷ seconde2 (s2). Un newton est défini comme une unité de force égale à la force nécessaire pour accélérer 1 kg de masse de 1 mètre par seconde.