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Connaissant la distance moyenne Soleil-Terre et le rayon de la Terre, il est possible de calculer la puissance du rayonnement solaire que reçoit la Terre. On a :
Etape 1 Exprimer la puissance solaire par unité de surfaceOn exprime la puissance solaire par unité de surface P_{\text{surfacique}} au niveau de la Terre, sachant que :
L'expression de la puissance solaire par unité de surface au niveau de la Terre est donc : P_{\text{surfacique}} = \dfrac{P_{\text{totale}}}{P_{\text{sphère}} } = \dfrac{P_{\text{totale}} }{4 \times \pi \times D^2 } Etape 2 Exprimer la puissance reçue par la TerreOn exprime la puissance reçue par la Terre P_{\text{reçue}} sachant que :
L'expression de la puissance reçue par la Terre est donc : P_{\text{reçue}} = P_{\text{surfacique}} \times S_{\text{disque}} = P_{\text{surfacique}} \times \pi \times R_T^2 Etape 3 Exprimer la puissance reçue par la Terre en fonction des donnéesOn peut alors exprimer la puissance reçue par la Terre en fonction des données (P_{\text{totale}}, D et R_T) : P_{\text{reçue}} = P_{\text{surfacique}} \times \pi \times R_T^2 Soit : P_{\text{reçue}} = \dfrac{P_{\text{totale}} }{4 \times \pi \times D^2 } \times \pi \times R_T^2 Et finalement : P_{\text{reçue}} = \dfrac{P_{\text{totale}} }{4 \times D^2 } \times R_T^2 P_{\text{reçue}} = \dfrac{ R_T^2 }{4 \times D^2 } \times P_{\text{totale}} Etape 4 Effectuer l'application numériqueOn effectue l'application numérique, en convertissant les distances données en mètres (m). P_{\text{reçue}} = \dfrac{(\text{6 370} \times 10^3)^2 }{4 \times (150 \times 10^9)^2 } \times 3{,}86 \times 10^{26} P_{\text{reçue}} = 1{,}74 \times 10^{17} \text{ W} I L'interaction entre la Terre et le rayonnement solaireL'essentiel de la puissance reçue par la Terre provient d'une partie des rayonnements émis par le Soleil. Une partie de ces rayonnements est réfléchie par la surface de la Terre, on appelle ce phénomène l'albédo terrestre. A Le rayonnement solaire reçu sur TerreL'essentiel de la puissance reçue par la Terre provient du Soleil. Celui-ci émet son rayonnement dans toutes les directions et une infime partie atteint la Terre. La proportion de la puissance totale émise par le Soleil et atteignant la Terre est déterminée par le rayon de celle-ci et sa distance au Soleil. En tenant compte de ces paramètres, on peut montrer que la puissance surfacique du rayonnement solaire au niveau du sol terrestre est en moyenne de 341 W·m–2. On exprime la puissance solaire par unité de surface P_{\text{surfacique}} au niveau de la Terre, sachant que :
Puissance solaire atteignant la surface terrestreL'expression de la puissance solaire par unité de surface au niveau de la Terre est donc : P_{\text{solaire surfacique}} = \dfrac{P_{\text{totale}}}{S_{\text{sphère}} } = \dfrac{P_{\text{totale}} }{4 \times \pi \times D^2 } Ensuite, on exprime la puissance reçue par la Terre P_{\text{reçue}}, sachant que :
L'expression de la puissance reçue par la Terre est donc : D'où : Ce qui peut aussi s'écrire : On effectue l'application numérique, sachant que :
Soit : Cette puissance reçue par la Terre se répartit sur l'ensemble de sa surface qui est donnée par la relation : La puissance surfacique moyenne atteignant le sol terrestre est donc : Dans la relation P_{\text{reçue}} = \dfrac{ R_T^2 }{4 \times D^2 } \times P_{\text{totale}}, le rapport \dfrac{ R_T^2 }{4 \times D^2 } est égal à \dfrac{(\text{6 370} \times 10^3)^2 }{4 \times (150 \times 10^9)^2 } = 4{,}5 \times 10^{–10} : la Terre reçoit donc moins de 0,00000005 % du rayonnement qu'émet le Soleil. B L'albédo terrestre : la réflexion du rayonnement solaireLorsque la surface d'un corps reçoit un rayonnement, une partie de celui-ci est réfléchie et l'autre partie est absorbée. Ainsi, lorsque la Terre reçoit la puissance solaire : une fraction est absorbée par l'atmosphère, les continents et les océans ; une fraction est réfléchie et diffusée vers l'espace. L'albédo désigne ce phénomène de réflexion du rayonnement solaire. AlbédoL'albédo A est le rapport de la puissance de rayonnement réfléchie P_\text{réfléchie} par une surface par la puissance de rayonnement reçue P_\text{reçue} : A = \dfrac{ P_{\text{réfléchie(W)}} }{ P_{\text{reçue(W)}} } L'albédo est un nombre sans unité, compris entre 0 et 1, qui peut être exprimé en pourcentage.
L'albédo terrestre dépend de la nature de la surface qui réfléchit le rayonnement (océan, glace, forêt, roches, etc.) et de la couverture nuageuse. L'albédo terrestre moyen est A = 30\text{ \%}. Influence du sol sur l'albédo
La puissance totale du rayonnement solaire reçu par le sol est la différence entre la puissance du rayonnement reçu et la puissance de rayonnement réfléchi. Elle peut être déterminée à partir de l'albédo terrestre moyen et de la puissance solaire qui atteint la Terre.
Puissance solaire reçue par le sol compte tenu de l'albédoLa puissance solaire reçue par le sol compte tenu de l'albédo A est donnée par la relation : Avec : Soit : En moyenne, l'albédo terrestre est de 30 %. La puissance solaire atteignant le sol est donc : II Le rôle de l'atmosphère dans l'absorption de l'énergie solaireL'atmosphère joue un rôle dans l'absorption du rayonnement terrestre sur Terre et donc sur la température à la surface de la planète. A L'effet de serreLe rayonnement solaire réfléchi par la Terre parvient en petite partie à l'espace : en effet, l'essentiel de l'énergie est piégé dans l'atmosphère à cause de l'effet de serre.
Effet de serreL'effet de serre est un phénomène naturel de réchauffement de la surface terrestre. Des gaz à effet de serre (dioxyde de carbone, méthane, vapeur d'eau, etc.) se trouvent dans l'atmosphère et capturent les rayons infrarouges : le sol terrestre et l'atmosphère échangent continuellement de l'énergie sous forme de rayonnement infrarouge. Effet de serreLa courbe d'absorption de l'atmosphère terrestre en fonction de la longueur d'onde du rayonnement montre que l'atmosphère absorbe une certaine proportion du rayonnement infrarouge émis par le sol. Le sol émet un rayonnement électromagnétique dans le domaine infrarouge de longueur d'onde \lambda\approx10\text{ µm} provoqué par les rayonnements qu'il absorbe. La puissance par unité de surface de ce rayonnement augmente avec la température. B L'équilibre dynamiqueL'équilibre dynamique de la Terre correspond à la constance de la température moyenne du sol, il est permis grâce à l'effet de serre. Sans effet de serre, la température moyenne à la surface de la Terre serait de –18 °C au lieu des +15 °C actuels. La température moyenne du sol est constante, car la puissance totale qu'il reçoit, provenant du Soleil et de l'atmosphère, est égale à la puissance moyenne qu'il émet. On parle alors d'équilibre dynamique. III La répartition de la puissance solaire reçueLa répartition de la puissance solaire reçue sur Terre correspond au bilan radiatif terrestre. Bilan radiatifLe bilan radiatif est la comparaison entre l'énergie parvenant au sol terrestre et l'énergie qui en part. La surface de la Terre reçoit :
Au total des entrées : 160 + 330 = 490 \text{ W.m}^{-2} Les rayonnements qui sortent sont :
Au total des sorties : 30 + 360 + 100 = 490 \text{ W.m}^{-2} La Terre reçoit sensiblement autant d'énergie qu'elle en perd, le bilan est équilibré, et la température sur Terre est théoriquement stable. Cependant, l'intensification de l'effet de serre due aux activités humaines entraîne un déplacement de cet équilibre et une augmentation de cette température moyenne. Comment calculer l'albédo de Vénus ?Considérons 1 watt arrivant du Soleil au niveau de Vénus. Il s'étale sur une certaine surface s de l'atmosphère. Celle-ci, avec son albédo de 0,66 ne laisse passer que la fraction 1 - 0,66 = 0,34. Donc, 1 W arrivant ne donnera que 0,34 W au sol.
Quelle est l'albédo de Vénus ?« L'Étoile du berger »
En raison de sa proximité et de son albédo élevé (0.65), la planète Vénus est très facile à repérer. Bien que circulant également à l'intérieur de l'orbite de la Terre, elle peut être observée bien plus facilement que Mercure : ses élongations maximales approchent les 48°.
Comment se calcule l'albédo ?Comme on peut le voir, pour déterminer l'albédo de notre surface, il nous suffit de connaître l'intensité du flux lumineux réfléchi par la surface et par le papier, et d'en faire le rapport. Cette intensité peut être déterminé par un radiomètre situé à même distance des 2 surfaces, ou estimé à l'aide d'un luxmètre.
Comment calculer la puissance solaire reçue par Vénus ?4. Le flux d'énergie rayonnée par le soleil reçu par la surface de Venus vaut : P = 210 W.m-2. Comme tout corps de température non nulle, Venus perd de l'énergie par rayonnement.
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