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Lycée International Jean-Mermoz enseignement scientifique 1 ere Année scolaire

Lycée International Jean-Mermoz enseignement scientifique 1 ere Année scolaire 2021-2022 Chapitre 4 : Le rayonnement solaire I. Le Soleil : source d’énergie I.1 – Le Soleil, siège de la fusion nucléaire Le Soleil est le siège de réactions de fusion nucléaire qui consomme deux noyaux d’hydrogène pour produire un noyau d’hélium (voir partie 1, chapitre 1). Cette réaction s’accompagne de la libération d’une très grande quantité d’énergie. Elle permet au Soleil de conserver des températures très élevées (Fig. 1). Exemple : La température à la surface du Soleil est d’environ 5 700 °C mais elle peut atteindre plusieurs millions de degrés au centre de l’étoile ou dans les couches les plus hautes de la couronne solaire. Au début du XXe siècle, les physiciens Henri Poincaré et Albert Einstein établissent une équivalence entre masse et énergie : L’énergie et la masse vérifient donc une relation de proportionnalité car la célérité est une constante : C= 3,00 x 108 m · s–1. L’énergie libérée par les réactions de fusion nucléaire s’accompagne donc d’une diminution de la masse du Soleil au cours du temps. Exemple : La fusion des noyaux d’hydrogène dans le Soleil produit une puissance rayonnée d’environ 4 × 1026 W. Cette puissance émise s’accompagne donc toutes les secondes d’une diminution Δm de la masse du Soleil : soit 4 millions de tonnes par seconde. I.2 – Le Soleil, source d’ondes électromagnétiques Le Soleil émet des rayonnements sur la totalité du spectre électromagnétique. Ces rayonnements sont étudiés à partir de spectres représentant l’énergie rayonnée par le Soleil en fonction de la longueur d’onde (Fig. 2). L’analyse de ces profils spectraux est réalisée dans le cadre du modèle du corps noir qui indique que l’allure des spectres ne dépend que de la température. Dans le cadre du modèle du corps noir, le spectre du rayonnement émis par le Soleil dépend uniquement de la valeur de la température à sa surface. Tous les spectres présentent un maximum d’énergie rayonnée pour une certaine valeur λ de la longueur d’onde. À la fin du XIXe siècle, le physicien allemand Wilhelm Wien montra la relation suivante. M. YAO S. Page 1 of 3 Lycée International Jean-Mermoz enseignement scientifique 1 ere Année scolaire 2021-2022 Loi de Wien : λ · T = constante où T est la température exprimée en kelvin. La valeur expérimentale de cette constante est 2,8978 x10–3 m · K. Dans le cadre du modèle du corps noir, la température de la surface du Soleil est inversement proportionnelle à la longueur d’onde d’émission maximale λmax. Exemple : La température de surface du Soleil est d’environ 6 000 K, son λmax vaut environ 500 nm. II. Énergie solaire reçue sur Terre II.1 – Constante solaire L’énergie solaire reçue par la Terre est évaluée par la constante solaire. La constante solaire est la puissance que reçoit une surface plane de la Terre perpendiculaire aux rayons du Soleil et de surface 1 m2. Elle s’exprime en watt par mètre carré (W · m−2) et vaut 342 W · m–2 (Fig. 3). Pour une surface plane perpendiculaire aux rayons du Soleil, la puissance solaire reçue est proportionnelle à l’aire de la surface. II.2 – Mouvements de la Terre et inégale répartition de l’énergie La Terre est animée de deux mouvements appelés révolution et rotation : • La révolution correspond au déplacement de la Terre autour du Soleil. Ce mouvement se fait dans un plan appelé plan de l’écliptique. • La rotation de la Terre sur elle-même se fait autour d’un axe qui joindrait les pôles Nord et Sud. Cet axe est incliné par rapport au plan de l’écliptique. Ces deux mouvements modifient l’angle avec lequel le rayonnement solaire atteint la surface de la Terre et donc la quantité d’énergie qu’elle reçoit. La puissance reçue du Soleil dépend de l’angle entre la normale à la surface et la direction du Soleil. Cette configuration explique les variations de température, de saisons et de climats que l’on observe sur Terre. M. YAO S. Page 2 of 3 Lycée International Jean-Mermoz enseignement scientifique 1 ere Année scolaire 2021-2022 II.3 – Conséquences de l’inégale répartition de l’énergie La puissance reçue du Soleil par unité de surface dépend du moment de la journée, du jour de l’année (saisons) et de l’emplacement sur Terre (latitude). (Fig.4) Différents phénomènes expliquent la variation de la puissance solaire reçue : M. YAO S. Page 3 of 3 uploads/Geographie/ ch4-le-rayonnement-solaire.pdf