Lycée · 1ʳᵉ · Enseignement scientifique
Le Soleil, notre source d'énergie
Rayonnement solaire, bilan radiatif terrestre et enjeux climatiques — programme d'Enseignement scientifique de 1re générale
À propos de cette page
Le Soleil, une étoile productrice d'énergie
Le Soleil est une étoile de type G située à environ 150 millions de km de la Terre (1 unité astronomique, UA). Il représente 99,8 % de la masse du Système solaire.
$$E = \Delta m \cdot c^2$$
où $\Delta m$ est le défaut de masse et $c = 3 \times 10^8$ m/s la vitesse de la lumière.
La puissance totale rayonnée par le Soleil (appelée luminosité solaire) est :
$$L_\odot \approx 3{,}85 \times 10^{26} \text{ W}$$
Cette énergie se propage dans l'espace sous forme de rayonnement électromagnétique, qui atteint la Terre en environ 8 minutes.
Le spectre électromagnétique du rayonnement solaire
Le rayonnement solaire est un rayonnement électromagnétique composé d'un large spectre de longueurs d'onde $\lambda$.
| Domaine | Longueur d'onde $\lambda$ | Fraction solaire |
|---|---|---|
| Ultraviolet (UV) | $< 400$ nm | ≈ 9 % |
| Visible | 400 – 700 nm | ≈ 44 % |
| Infrarouge (IR) | $> 700$ nm | ≈ 47 % |
Le pic d'émission du Soleil se situe dans le visible (autour de 500 nm, lumière verte-jaune), conformément à la loi de Wien :
$$\lambda_{\max} = \frac{b}{T}$$
avec $b = 2{,}898 \times 10^{-3}$ m·K et $T$ la température de surface de l'étoile (≈ 5 800 K pour le Soleil).
La constante solaire et la puissance reçue par la Terre
Loin de toute atmosphère, la puissance solaire reçue par unité de surface perpendiculaire aux rayons est appelée constante solaire :
Cette valeur est mesurée par des satellites à environ 1 UA du Soleil.
La puissance totale interceptée par la Terre (sphère de rayon $R_T \approx 6{,}37 \times 10^6$ m) correspond à la puissance passant à travers le disque de section $\pi R_T^2$ :
$$P_{\text{interceptée}} = S_0 \cdot \pi R_T^2 \approx 1{,}74 \times 10^{17} \text{ W}$$
En ramenant cette puissance à la surface totale de la sphère terrestre ($4\pi R_T^2$), on obtient la puissance moyenne par m² reçue :
$$\overline{E} = \frac{S_0}{4} \approx 340 \text{ W/m}^2$$
L'albédo : fraction de l'énergie renvoyée
La Terre ne conserve pas toute l'énergie solaire qu'elle reçoit : une partie est réfléchie directement vers l'espace.
$$a = \frac{\text{énergie réfléchie}}{\text{énergie incidente}}$$
L'albédo planétaire moyen de la Terre est $a \approx 0{,}30$ (30 % de l'énergie solaire est réfléchie).
L'albédo dépend de la nature des surfaces :
| Surface | Albédo approximatif |
|---|---|
| Neige / glace | 0,80 – 0,95 |
| Nuages | 0,40 – 0,80 |
| Désert sableux | 0,30 – 0,40 |
| Forêt | 0,10 – 0,20 |
| Océan | 0,05 – 0,10 |
La puissance absorbée par la Terre est donc :
$$P_{\text{absorbée}} = S_0 \cdot \pi R_T^2 \cdot (1 - a)$$
Le bilan radiatif de la Terre
Le bilan radiatif décrit la comptabilité des flux d'énergie entrant et sortant du système Terre-atmosphère.
$$P_{\text{absorbée}} = P_{\text{réémise}}$$
La puissance réémise par unité de surface est donnée par la loi de Stefan-Boltzmann :
$$P = \sigma T^4$$
avec $\sigma = 5{,}67 \times 10^{-8}$ W/m²/K⁴ (constante de Stefan-Boltzmann) et $T$ la température de surface.
Le bilan moyen à l'échelle planétaire, exprimé par unité de surface :
| Flux | Valeur (W/m²) |
|---|---|
| Rayonnement solaire incident | 340 |
| Réfléchi (albédo) | 102 |
| Absorbé | 238 |
| Réémis vers l'espace (IR) | 238 |
L'effet de serre et les gaz à effet de serre
L'atmosphère terrestre contient des gaz à effet de serre (GES) qui modifient le bilan radiatif en absorbant une partie du rayonnement infrarouge émis par la surface.
Principaux gaz à effet de serre et leur pouvoir radiatif :
| Gaz | Formule | Source principale |
|---|---|---|
| Vapeur d'eau | H₂O | Évaporation océans/lacs |
| Dioxyde de carbone | CO₂ | Combustion fossile, respiration |
| Méthane | CH₄ | Agriculture, élevage, décharges |
| Protoxyde d'azote | N₂O | Agriculture, industrie |
Température d'équilibre et température réelle de la Terre
On peut calculer la température d'équilibre $T_e$ d'une planète sans effet de serre, en écrivant l'équilibre énergétique :
$$\frac{S_0 \cdot \pi R_T^2 \cdot (1-a)}{4\pi R_T^2} = \sigma T_e^4$$
Soit :
$$T_e = \left(\frac{S_0(1-a)}{4\sigma}\right)^{1/4}$$
$$T_e = \left(\frac{1361 \times 0{,}70}{4 \times 5{,}67 \times 10^{-8}}\right)^{1/4} \approx 255 \text{ K} = -18\text{ °C}$$
La température réelle de la surface terrestre est $T_r \approx 288$ K ($+15$ °C). L'écart :
$$\Delta T = T_r - T_e \approx +33 \text{ °C}$$
représente le réchauffement dû à l'effet de serre naturel.
Enjeux : énergie solaire et changement climatique
Le rayonnement solaire est à l'origine de la quasi-totalité des sources d'énergie disponibles sur Terre :
- Directe : panneaux solaires photovoltaïques, chauffe-eau solaires.
- Indirecte : vent (inégalité de chauffage de l'atmosphère), hydroélectricité (cycle de l'eau), biomasse (photosynthèse), combustibles fossiles (énergie solaire stockée sur des millions d'années).
L'augmentation des GES due aux activités humaines (effet de serre renforcé) entraîne un déséquilibre du bilan radiatif : plus d'énergie est retenue, provoquant un réchauffement global.
Retenir : Soleil → rayonnement → bilan radiatif → équilibre thermique → perturbation par GES → changement climatique.
- Le Soleil produit son énergie par fusion nucléaire ($E = \Delta m c^2$) et rayonne $L_\odot \approx 3{,}85 \times 10^{26}$ W.
- La constante solaire $S_0 \approx 1361$ W/m² ; la puissance moyenne reçue par m² de surface terrestre est $S_0/4 \approx 340$ W/m².
- L'albédo $a \approx 0{,}30$ : 30 % du rayonnement est réfléchi ; 70 % est absorbé.
- La température d'équilibre sans effet de serre : $T_e \approx 255$ K (−18 °C).
- L'effet de serre naturel (+33 °C) maintient la Terre à +15 °C en moyenne, grâce aux GES (H₂O, CO₂, CH₄…).
- Le renforcement anthropique de l'effet de serre déséquilibre le bilan radiatif → changement climatique.
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