Presque toute l’énergie disponible à la surface de la Terre vient du Soleil. D’où vient cette énergie, comment voyage-t-elle jusqu’à nous et que devient-elle une fois arrivée ? Le bilan radiatif de la Terre répond à ces questions et explique sa température moyenne.
Une question sur ce cours ?
ULU, le tuteur d’ULUMINE, t’aide à partir de ce cours.
Objectifs
- Relier la puissance rayonnée par le Soleil à sa perte de masse (E = mc²)
- Utiliser la loi de Wien pour relier spectre et température
- Calculer la puissance solaire reçue et expliquer ses variations (distance, latitude, saisons)
- Établir un bilan radiatif simple avec l’albédo et l’effet de serre
1. L’énergie du Soleil
Au cœur du Soleil, des réactions de fusion transforment l’hydrogène en hélium. La masse des produits est légèrement inférieure à celle des réactifs : cette masse perdue est convertie en énergie.
E = Δm × c²
Perte de masse du Soleil
Le Soleil rayonne une puissance P ≈ 3,8 × 10²⁶ W, soit 3,8 × 10²⁶ J chaque seconde.
- Δm = =
- Δm ≈ 4,2 × 10⁹ kg
Le Soleil perd environ 4 millions de tonnes de masse par seconde.
2. Le spectre du rayonnement solaire
Un corps chaud émet un rayonnement dont le spectre est continu. Plus il est chaud, plus le maximum d’émission se décale vers les courtes longueurs d’onde.
λmax × T = 2,90 × 10⁻³ m·K
Température de surface du Soleil
Le spectre solaire présente un maximum vers λmax ≈ 500 nm.
- T =
- T ≈ 5 800 K
La surface du Soleil est à environ 5 800 K.
3. La puissance solaire reçue par la Terre
La puissance rayonnée par le Soleil se répartit sur des sphères de plus en plus grandes : la puissance reçue par mètre carré diminue comme le carré de la distance. À la distance Terre-Soleil (d ≈ 1,5 × 10¹¹ m), on reçoit environ 1 360 W/m² sur une surface perpendiculaire aux rayons (« constante solaire »).
puissance par m² =
La Terre intercepte le rayonnement sur un disque de surface πR², mais sa surface totale est 4πR². En moyenne sur toute la surface et sur l’année, chaque mètre carré reçoit donc ≈ 340 W/m².
- Latitude : aux pôles, les rayons arrivent rasants et se répartissent sur une plus grande surface : la puissance reçue par m² est plus faible qu’à l’équateur.
- Saisons : l’axe de rotation de la Terre est incliné d’environ 23,4° par rapport à la perpendiculaire au plan de son orbite. Selon la position sur l’orbite, un hémisphère reçoit les rayons plus directement (été) et plus longtemps.
4. Albédo, effet de serre et bilan radiatif
Albédo : Fraction de la puissance solaire reçue qui est réfléchie ou diffusée vers l’espace. Albédo = , nombre entre 0 et 1. L’albédo moyen de la Terre vaut environ 0,30.
| Surface | Albédo (ordre de grandeur) |
|---|---|
| Neige fraîche | 0,8 à 0,9 |
| Désert de sable | ≈ 0,3 à 0,4 |
| Forêt | ≈ 0,1 à 0,2 |
| Océan | ≈ 0,05 à 0,1 |
Bilan moyen par m²
- Puissance reçue : 340 W/m²
- Puissance réfléchie : 0,30 × 340 ≈ 100 W/m²
- Puissance absorbée par le système Terre-atmosphère : 340 − 100 = 240 W/m²
À l’équilibre, la Terre renvoie vers l’espace, sous forme d’infrarouge, autant de puissance qu’elle en absorbe (≈ 240 W/m²).
Effet de serre : Certains gaz de l’atmosphère (vapeur d’eau H₂O, dioxyde de carbone CO₂, méthane CH₄…) absorbent une partie du rayonnement infrarouge émis par le sol et en réémettent une partie vers le sol, qui se réchauffe davantage.
Sans effet de serre, la température moyenne de surface serait d’environ −18 °C ; avec lui, elle est d’environ +15 °C. L’augmentation de la concentration en gaz à effet de serre renforce ce phénomène.
À retenir
- Le Soleil rayonne grâce à la fusion de l’hydrogène ; E = Δm × c².
- Loi de Wien : λmax × T = 2,90 × 10⁻³ m·K (Soleil ≈ 5 800 K, visible ; Terre ≈ 288 K, infrarouge).
- Constante solaire ≈ 1 360 W/m² ; moyenne sur la surface terrestre ≈ 340 W/m².
- Albédo moyen ≈ 0,30 : environ 240 W/m² sont absorbés.
- L’effet de serre porte la température moyenne de surface d’environ −18 °C à +15 °C.
Et maintenant, à toi !
Vérifie que tu as compris avec les exercices, puis révise avec la fiche.