Origine et caractéristiques

En bref : Seulement un quart de l’énergie solaire atteint la surface de la Terre. En effet, au contact des molécules et des particules de l’atmosphère, les rayons solaires sont soit réfléchis dans l’espace, soit absorbés par le sol avec stockage d’énergie, soit renvoyés par la surface terrestre sous forme de rayons infrarouges donc de chaleur. Ces derniers diffusent dans l’atmosphère et sont piégés en partie par les poussières et certains gaz, puis renvoyés vers la Terre. Le réchauffement qui en résulte, appelé effet de serre, est indispensable à la vie.

Rayonnement solaire : un apport d’énergie

La température est d’environ 6 000 °K à la surface du soleil, l’énergie issue du noyau est transformée en rayonnement. Les photons — « particules » qui transportent l’énergie lumineuse — partent dans toutes les directions de cette région appelée photosphère. Malgré quelques variations, cet apport énergétique est considéré comme constant quand il aborde l’atmosphère :
À la surface terrestre l’énergie d’origine interne (énergie géothermique) est négligeable face à celle d’origine externe, venue du Soleil. Cet apport énergétique est considéré comme constant quand il aborde l’atmosphère : sa puissance d’environ 1 370 W/m2 s’appelle la constante solaire. Les rayonnements ou radiations, phénomènes ondulatoires, se propagent en dessinant une succession d’ondulations ou ondes caractérisées par des paramètres liés entre eux :

(L) longueur d’onde : Périodicité spatiale de l’onde (distance qui sépare deux crêtes successives d’une onde). La vitesse, distance parcourue par une onde en une seconde. La fréquence, nombre d’ondes qui passent en un point P pendant une seconde. La Terre, distante de 150 106 km du Soleil, ne reçoit qu’une infime part de l’énergie solaire soit tout de même 175 000 millions de mégawatts ce qui correspond à 10 000 fois la consommation humaine d’énergie au niveau mondial. En raison de sa forme sphérique et de son enveloppe gazeuse, le rayonnement solaire dont l’ensemble forme le spectre électromagnétique solaire touchent la surface de la Terre sous des incidences différentes. Ainsi la puissance moyenne de l’énergie solaire arrivant au sol est voisine de 340 W/m2 mais en réalité la valeur réellement observée varie selon les lieux et les saisons. L’apport énergétique solaire parvient sur la Terre porté par des rayonnements multiples dont l’ensemble forme le spectre électromagnétique solaire. Tout corps émet de multiples rayonnements de longueur d’onde différente dont l’ensemble constitue sa luminescence spectrale. On nomme spectre électromagnétique de ce corps l’ensemble de ces rayonnement. Les rayonnements compris entre 0,2 et 3,2 µm portent 99 % de l’énergie solaire. Le Soleil ayant une température externe voisine de 6 000 °K émet le plus d’énergie par son rayonnement de longueur d’onde 0,480 µm visible par l’œil humain. La Terre, dont la température de surface est d’environ 300 °K, émet le plus d’énergie par son rayonnement de longueur d’onde 9,60 µm, rayonnement infrarouge invisible par l’œil humain.

Courbes électromagnétiques du Soleil et de la Terre

Devenir du rayonnement solaire

Toute l’énergie solaire n’atteint pas la surface de la terre, la radiation solaire, en particulier les infrarouges subissent toutes sortes d’interactions avec les molécules, les poussières et les aérosols présents dans l’atmosphère.

Réflexion, réfraction, diffusion de la lumière

La diffusion explique, par exemple, pourquoi le ciel nous parait bleu : L’ozone stratosphérique, en interceptant les rayons ultraviolets (invisibles) de très courte longueur d’onde, les diffuse en rayons de longueur d’onde un peu plus grande donnant une couleur bleue au ciel (courte longueur d’onde du spectre visible). Une partie de l’énergie est également stockée puis réémis ultérieurement en général sous forme d’infrarouge donc de chaleur. Le pourcentage d’énergie réfléchie (E. R.) nommé albédo dépend des propriétés physico-chimiques telles que la surface réfléchissante, sa couleur, sa rugosité.

Valeur de l’albédo

Nuages dans l’atmosphère
Quelques corps
Cumulo-nimbus
90 %
Neige 80 à 90 %
Strato-cumulus
60 %
Sol sableux (1) 20 à 45 %
Cirrus
40 à 50 %
Pierres (1) 15 à 25 %
  Herbes, cultures 12 à 25 %

Forêt tropicale

7 à 15 %
Sol noir (1) 5 à 15 %
Mer (2) 3 à 20 %
(1) À la surface de la terre la capacité d’absorber les rayonnements et de retenir la chaleur dépend pour ces corps de leur contenu en eau et de leurs caractéristiques physiques (nature, couleur… )
(2) Cette variation dépend de l’énergie incidente, de l’agitation de la surface, de la hauteur du soleil au dessus de l’horizon.
Source : Pech, P. et Regnauld H., Géographie physique, PUF, 1992.

La quantité d’énergie liée aux rayonnement solaire dépend de plusieurs facteurs :
– Leur angle d’incidence par rapport à la surface de la Terre. Lorsque le soleil est au zénith, les rayons arrivent verticalement, leur cheminement atmosphérique est minimal, l’énergie reçue est maximale.
– Leur longueur d’onde : la partie visible du spectre solaire qui n’est pratiquement arrêté que par les nuages apporte la plus grande partie de l’énergie , les UV n’en apportant que 5 %.
– L’ interception partielle des infrarouges par le dioxyde de carbone, l’ozone, les aérosols, l’eau sous forme de vapeur et de gouttelettes entraîne un réchauffement des nuages qui émettent à leur tour un rayonnement infrarouge dont une partie atteint la Terre.

Notons que les océans absorbent plus difficilement la chaleur que les surfaces continentales mais ils l’emmagasinent mieux, en effet le brassage de l’eau la répartit sur une plus grande épaisseur : en hiver les mers sont souvent plus chaudes que les terres. La surface terrestre ne reçoit donc qu’une partie de l’énergie solaire :
- par radiations solaires incidentes directes de petites longueurs d’onde ;
- par radiations solaires incidentes diffuses de petites longueurs d’onde ;
- par rayonnement propre de l’atmosphère de grandes longueurs d’onde suite à son échauffement après absorption d’une partie du rayonnement solaire. La surface terrestre réfléchie en partie cette énergie.

Atmosphère : un piège à chaleur

À l’échelle de la planète, le bilan énergétique s’équilibre entre les gains et les pertes d’énergie, sinon, la Terre ne cesserait de se réchauffer ou de se refroidir.

Le budget énergétique de la Terre

Gains
Pertes
Interception par la stratosphère
3 %
Réflexion par l’albédo atmosphérique 21 %
Interception par la troposphère
15 %
Réflexion par l’albédo terrestre 4 %
Diffusion dans l’atmosphère
55 %
Rediffusion vers l’espace de l’énergie absorbée par l’atmosphère 6 %

- Jusqu’à la surface terrestre

21 % Émissions par les nuages vers l’espace 26 %
- Apport direct au sol
27 %

Émissions par la vapeur d’eau et le CO2 vers l’espace

37 %
- Apport total au sol : 21 + 27 %
48 % Émissions par la surface terrestre vers l’espace 6 %
Source : d’après Pech, P. et Regnauld H., Géographie physique, PUF, 1992.

L’énergie solaire reçue par la Terre représente en moyenne 340 W/m2. Les rayonnements solaires sont soumis à différents phénomènes comparables à ceux observés dans une verrière : Ils la traversent sans être absorbés mais le sol et les plantes renvoient de l’infrarouge qui, arrêté par la paroi de verre, se réfléchit vers le sol et les plantes ou peut être absorbé par l’atmosphère interne de la serre qui s’échauffe.

Sans atmosphère : PAS D’EFFET DE SERRE
(Exemple de la Lune et Mercure)

Effet de serre sans atmosphère

Avec atmosphère : EFFET DE SERRE

Effet de serre avec atmosphère
  Rayonnement solaire :
I (incident), R (réfléchi), A (absorbé)
  Rayonnement infrarouge :
E
(émis), R (renvoyé vers le sol), P(perdu dans l’espace)
  Échanges de chaleur non radiatif :
Flux d’énergie exprimé en W.m-2

Le réchauffement de la surface terrestre est dû :
– aux rayonnements de petites longueurs d’onde du spectre visible porteur de la quasi-totalité de l’énergie solaire ;
– aux rayonnements de grandes longueurs d’onde, les infrarouges qui fortement absorbés par les différents gaz à effet de serre, les poussières et les aérosols sont renvoyés soit vers l’espace soit vers la terre.

L’atmosphère constitue donc un piège partiel pour l’énergie solaire. La présence de nuages augmente l’efficacité de ce phénomène : leur base réfléchit vers le sol une partie du rayonnement terrestre et les gouttelettes d’eau qui les constituent retiennent cette énergie et freinent le refroidissement. Un air très riche en vapeur d’eau, conduit au même résultat même en absence de nuages. Grâce aux nuages et aux gaz, l’atmosphère terrestre est donc capable de retenir plus de 40 % du rayonnement émis par le sol. D’après l’équilibre radiatif de la planète la température de sa surface serait de – 18 °, les constituants de l’atmosphère responsables de l’effet de serre modifient cet équilibre radiatif qui se voit augmenté de 33 °C et porté à + 15 °C en moyenne à la surface du sol.

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