À propos de cette page
Ce cours de enseignement scientifique en première sur « Le Soleil, notre source d'énergie » suit le programme officiel de enseignement scientifique de première. Il présente les définitions, les propriétés et les méthodes essentielles, accompagnées d'exemples résolus pour bien comprendre. Au programme : Le Soleil, une étoile productrice d'énergie, Le spectre électromagnétique du rayonnement solaire, La constante solaire et la puissance reçue par la Terre, L'albédo : fraction de l'énergie renvoyée. Chaque notion est expliquée pas à pas, puis mise en pratique grâce à des exercices interactifs, un QCM et une évaluation corrigée. Idéal pour réviser à son rythme, combler ses lacunes et progresser, en autonomie ou avec un professeur. Cours rédigé par un professeur particulier à Marseille pour aider les élèves de première à réussir en enseignement scientifique.
Au programme
1 · Le Soleil, une étoile productrice d'énergie
2 · Le spectre électromagnétique du rayonnement solaire
3 · La constante solaire et la puissance reçue par la Terre
4 · L'albédo : fraction de l'énergie renvoyée
5 · Le bilan radiatif de la Terre
6 · L'effet de serre et les gaz à effet de serre
7 · Température d'équilibre et température réelle de la Terre
8 · Enjeux : énergie solaire et changement climatique
1Le 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.
Source d'énergie solaire. L'énergie du Soleil est produite au cœur de l'étoile par des réactions de fusion nucléaire : quatre noyaux d'hydrogène $\text{H}$ fusionnent pour former un noyau d'hélium $\text{He}$, avec libération d'énergie selon la relation d'Einstein :
$$E = \Delta m \cdot c^2$$
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 :
$$L_\odot \approx 3{,}85 \times 10^{26} \text{ W}$$
Exemple. Chaque seconde, le Soleil convertit environ $6 \times 10^{11}$ kg d'hydrogène en hélium, libérant une énergie colossale.
Cette énergie se propage dans l'espace sous forme de rayonnement électromagnétique, qui atteint la Terre en environ 8 minutes.
2Le spectre électromagnétique du rayonnement solaire
Le rayonnement solaire est un rayonnement électromagnétique composé d'un large spectre de longueurs d'onde $\lambda$.
Spectre électromagnétique. L'ensemble des rayonnements est classé par longueur d'onde croissante :
| 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).
Astuce. La Terre, bien plus froide (≈ 255 K), réémet un rayonnement infrarouge avec $\lambda_{\max} \approx 10$ µm : c'est le rayonnement thermique terrestre, invisible à l'œil nu.
3La 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 :
Constante solaire. $$S_0 \approx 1361 \text{ W/m}^2$$
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 :
$$\overline{E} = \frac{S_0}{4} \approx 340 \text{ W/m}^2$$
Attention ! La constante solaire n'est pas uniformément répartie sur la Terre. La division par 4 correspond à la moyenne géométrique entre le disque intercepteur et la sphère totale.
4L'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.
Albédo $a$. L'albédo est la fraction de l'énergie solaire incidente réfléchie par un corps :
$$a = \frac{\text{énergie réfléchie}}{\text{énergie incidente}}$$
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 :
$$P_{\text{absorbée}} = S_0 \cdot \pi R_T^2 \cdot (1 - a)$$
Exemple. Avec $S_0 = 1361$ W/m², $a = 0{,}30$ : $P_{\text{absorbée}} \approx 1{,}22 \times 10^{17}$ W.
5Le bilan radiatif de la Terre
Le bilan radiatif décrit la comptabilité des flux d'énergie entrant et sortant du système Terre-atmosphère.
Bilan radiatif. En régime stationnaire (température constante), la puissance absorbée est égale à la puissance réémise sous forme de rayonnement infrarouge :
$$P_{\text{absorbée}} = P_{\text{réémise}}$$
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 |
6L'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.
Effet de serre. Les GES (CO₂, H₂O, CH₄, N₂O, O₃…) absorbent le rayonnement infrarouge terrestre et en renvoient une partie vers la surface. Ce phénomène élève la température de surface au-dessus de ce qu'elle serait sans atmosphère.
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 |
Astuce. L'effet de serre naturel est indispensable à la vie : sans lui, la température moyenne serait −18 °C. C'est son renforcement par les activités humaines qui provoque le changement climatique actuel.
Attention ! La vapeur d'eau est le premier GES par son abondance, mais sa concentration est pilotée par la température (rétroaction). Le CO₂ est le GES de contrôle anthropique le plus important.
7Température 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 :
$$T_e = \left(\frac{S_0(1-a)}{4\sigma}\right)^{1/4}$$
Application numérique. Avec $S_0 = 1361$ W/m², $a = 0{,}30$, $\sigma = 5{,}67 \times 10^{-8}$ W/m²/K⁴ :
$$T_e = \left(\frac{1361 \times 0{,}70}{4 \times 5{,}67 \times 10^{-8}}\right)^{1/4} \approx 255 \text{ K} = -18\text{ °C}$$
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.
Conclusion. L'effet de serre naturel élève la température terrestre de +33 °C, rendant la planète habitable. Toute augmentation de la concentration des GES amplifie cet effet.
8Enjeux : 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.
Astuce. L'énergie solaire reçue par la Terre en une heure est supérieure à la consommation énergétique mondiale annuelle : exploiter l'énergie solaire est un enjeu majeur de la transition énergétique.
Retenir : Soleil → rayonnement → bilan radiatif → équilibre thermique → perturbation par GES → changement climatique.
★À retenir
En bref :
• 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.