Rayonnement solaire : caractéristiques, tableau des valeurs et consommation d’énergie

Le rayonnement solaire est l'énergie émise par le Soleil qui atteint la Terre. Cette énergie est essentielle à la vie, car elle stimule la photosynthèse, régule la température de la planète, génère le vent et le climat, et constitue la base de nombreuses technologies d'énergie renouvelable.

Importance du rayonnement solaire dans l'obtention d'énergie

La relation entre le rayonnement solaire et l'énergie solaire est directe d'un point de vue physique et technologique. Le rayonnement solaire est le flux d'énergie électromagnétique émis par le Soleil qui atteint la Terre sous forme de rayonnement ultraviolet, visible et infrarouge.

Cette énergie incidente est la principale ressource qui rend possible l'utilisation de l'énergie solaire. En d'autres termes, le rayonnement solaire représente la source naturelle d'énergie, tandis que l'énergie solaire résulte de sa capture, de sa transformation et de son utilisation à travers différentes technologies.

L'utilisation technique de ce rayonnement dépend de la capacité à le convertir en énergie utile.

Dans les systèmes photovoltaïques, le rayonnement solaire est directement transformé en électricité par l'effet photovoltaïque généré dans les matériaux semi-conducteurs. Dans les systèmes solaires thermiques et solaires, le rayonnement est absorbé et converti en énergie thermique pour produire de la chaleur ou générer de l'électricité.

Ainsi, des paramètres tels que l'irradiance, la durée d'exposition au soleil, l'angle d'incidence de la foudre et les conditions atmosphériques influencent à la fois la quantité de rayonnement reçue par une surface et le rendement énergétique final de toute installation solaire.

Origine du rayonnement solaire

Les réactions de fusion nucléaire ont lieu dans le noyau du Soleil, où les atomes d'hydrogène se combinent pour former de l'hélium, libérant de grandes quantités d'énergie. Cette énergie est transformée en rayonnement électromagnétique, qui se propage dans l'espace à la vitesse de la lumière (environ 299 792 km/s).

La constante solaire représente la puissance moyenne du rayonnement solaire reçu par unité de surface à la limite supérieure de l'atmosphère terrestre, sur un plan perpendiculaire aux rayons solaires. Sa valeur moyenne acceptée est d'environ 1361 W/m², bien qu'elle présente de petites variations associées à l'activité solaire.

Types de rayonnement solaire

Le rayonnement solaire n'est pas uniforme et se répartit en plusieurs types principaux :

• Rayons infrarouges (IR) : Ils représentent environ 49 % du rayonnement total et sont responsables de la chaleur que nous ressentons du Soleil.
• Lumière visible (VI) : environ 43 %, responsable de la lumière que nous percevons et qui permet la vision humaine.
• Rayonnement ultraviolet (UV) : environ 7 %, ce qui a des effets importants sur la santé et les processus biologiques.
• Autres types de rayonnement : moins de 1 %, y compris les rayons X et les rayons gamma en très petites quantités.

Sous-types de rayonnement ultraviolet

• UVA (315–400 nm) : traverse facilement l'atmosphère et atteint toute la surface de la Terre. Elle peut entraîner un vieillissement prématuré de la peau, des lésions oculaires et un affaiblissement du système immunitaire.
• UVB (280–315 nm) : longueur d'onde plus courte, partiellement absorbée par l'atmosphère. Elle est la plus intense dans la zone équatoriale et peut provoquer des coups de soleil, un assombrissement de la peau et un cancer de la peau.
• UVC (100–280 nm) : n'atteint pas la surface de la Terre car il est absorbé par la couche d'ozone. Il est utilisé de manière contrôlée en médecine pour désinfecter ou traiter certaines maladies de la peau, telles que le psoriasis ou le vitiligo.

Spectre et caractéristiques physiques

Le rayonnement solaire possède un large spectre, similaire à celui d'un corps noir, ce qui signifie que l'énergie est répartie sur plusieurs longueurs d'onde, sans se concentrer sur une seule.

• Le rayonnement maximal se situe dans la bande de lumière visible, avec un pic d'environ 500 nm, ce qui correspond à la couleur vert-cyan.
• Le rayonnement photosynthétiquement actif (PAR), utilisé par les plantes pour la photosynthèse, varie de 400 à 700 nm, représentant environ 41 % du rayonnement total.
  • Bleu-violet : 400–490 nm
  • Vert : 490–560 nm
  • Jaune : 560–590 nm
  • Rouge-orange : 590–700 nm

Variation spatiale et saisonnière du rayonnement solaire

La quantité de rayonnement solaire atteignant la surface de la Terre n'est pas homogène, mais varie considérablement selon la latitude, la saison de l'année et les conditions atmosphériques locales. Ces différences sont principalement dues à l'inclinaison de l'axe de la Terre, qui modifie l'angle d'incidence des rayons solaires et la durée de la journée tout au long de l'année, ainsi que par des facteurs tels que la nuagesse, l'altitude et la transparence atmosphérique.

En conséquence, chaque région de la planète possède un régime d'irradiation caractéristique qui conditionne à la fois ses processus climatiques et son potentiel d'utilisation énergétique.

Voici un tableau comparatif avec des valeurs moyennes approximatives de l'irradiation solaire globale horizontale (GHI) dans différentes zones géographiques et saisons de l'année.

Tableau : Irradiance solaire moyenne par zones géographiques et stations (kWh/m²/jour)

Vous pouvez consulter des données plus précises  dans votre pays ou région dans l'Atlas solaire mondial (Solargis / Banque mondiale), qui propose des cartes mondiales de l'irradiance solaire horizontale avec une haute résolution spatiale (≈250 m).

Exemples de rayonnement solaire

Rayonnement solaire par temps clair à midi :
Dans des conditions de ciel clair et avec le Soleil proche du zénith, le rayonnement solaire atteint son intensité maximale à la surface de la Terre. Dans ces conditions, l'irradiance peut atteindre 1000 W/m², ce qui représente le rayonnement direct maximal disponible pour les processus physiques et les systèmes d'énergie solaire.

Rayonnement solaire diffus lors des journées nuageuses :
Lorsque l'atmosphère est recouverte de nuages, une grande partie du rayonnement solaire est diffusée dans plusieurs directions. Bien que le rayonnement direct diminue considérablement, l'énergie atteint toujours la surface sous forme de rayonnement diffus, suffisant pour éclairer l'environnement et permettre, par exemple, le fonctionnement partiel des systèmes photovoltaïques.

Rayonnement solaire aux latitudes équatoriales :
Dans les régions proches de l'équateur, le rayonnement solaire reste relativement constant toute l'année en raison de la faible variation de l'angle solaire. Cela génère des niveaux élevés d'irradiation annuelle, favorisant à la fois les processus biologiques et le fort potentiel de production d'énergie solaire.

Rayonnement solaire dans les zones polaires :
Dans les régions polaires, le rayonnement solaire est très saisonnier. Pendant l'été polaire, il peut y avoir une lumière solaire continue pendant 24 heures, tandis qu'en hiver la radiation est pratiquement nulle, ce qui provoque de forts contrastes énergétiques et climatiques.

Rayonnement solaire dans les systèmes photovoltaïques :
Un exemple appliqué est la conversion du rayonnement solaire en électricité au moyen de panneaux solaires. Le rayonnement incident sur les cellules photovoltaïques en silicium excite les électrons, générant un courant électrique qui peut être utilisé dans les foyers, les industries ou les installations isolées.

Rayonnement solaire en photosynthèse :
Les plantes utilisent un rayonnement solaire compris entre 400 et 700 nm (PAR) pour transformer le CO₂ et l'eau en glucose. Ce processus convertit l'énergie solaire en énergie chimique, à la base de la chaîne alimentaire terrestre.

L'influence de l'atmosphère terrestre

Avant d'atteindre la surface de la Terre, le rayonnement solaire traverse l'atmosphère, où il subit divers processus physiques qui modifient son intensité, sa composition spectrale et sa direction de propagation. Pour cette raison, l'atmosphère terrestre agit comme un filtre naturel qui régule la quantité et le type de rayonnement qui atteint finalement le sol.

Les principaux phénomènes atmosphériques impliqués dans ce processus sont :

• Absorption : certains gaz atmosphériques absorbent une partie du rayonnement solaire. La couche d'ozone absorbe presque tout le rayonnement UVC et une fraction significative de l'UVB, tandis que la vapeur d'eau, le dioxyde de carbone et d'autres gaz absorbent principalement le rayonnement dans la gamme infrarouge.
• Réflexion et diffusion : Les nuages, aérosols et particules en suspension réfléchissent et diffusent une partie du rayonnement incident dans plusieurs directions. En conséquence, ce qu'on appelle un rayonnement diffus est généré, qui atteint la surface même lorsque le rayonnement direct est partiellement bloqué.
• Réfraction : lorsqu'elle traverse des couches atmosphériques de densités différentes, le rayonnement solaire subit de petites déviations dans sa trajectoire. Ce phénomène modifie légèrement l'angle d'incidence des rayons du soleil et affecte la distribution de l'énergie à la surface de la Terre.

La combinaison de ces processus détermine la proportion de rayonnement direct, diffus et réfléchi que chaque région de la planète reçoit. Son intensité varie selon des facteurs tels que la latitude, l'altitude, l'heure de la journée, la saison de l'année et les conditions météorologiques, conditionnant à la fois le climat terrestre et le potentiel d'utilisation de l'énergie solaire.

Importance du rayonnement solaire

Le rayonnement solaire est la principale source d'énergie du système terrestre et joue un rôle essentiel dans les processus physiques, biologiques et climatiques de la planète. Son influence va du maintien de la vie à la régulation du climat et au fonctionnement du système énergétique terrestre.

Ses fonctions les plus pertinentes incluent :

Photosynthèse : le rayonnement solaire fournit l'énergie nécessaire aux plantes, aux algues et à certains micro-organismes pour transformer le dioxyde de carbone et l'eau en matière organique par photosynthèse. Ce processus constitue la base de la chaîne alimentaire et contribue à la production d'oxygène dans l'atmosphère.

Climat et régulation atmosphérique : Le réchauffement inégal de la surface terrestre dû au rayonnement solaire génère des gradients thermiques qui favorisent la circulation atmosphérique et océanique. Ce mécanisme engendre des vents, des courants océaniques et des systèmes météorologiques qui déterminent le climat mondial.

Cycle de l'eau : L'énergie solaire est le principal moteur du cycle de l'eau, car elle provoque l'évaporation de l'eau des océans, des rivières et des sols. Par la suite, cette vapeur se condense, formant des nuages et des précipitations, fermant ainsi le cycle hydrologique qui soutient les écosystèmes terrestres.

Bilan énergétique de la Terre : le rayonnement solaire entrant, combiné au rayonnement infrarouge émis par la Terre, détermine le bilan énergétique de la planète. Cet équilibre permet de maintenir la température moyenne mondiale dans des plages compatibles avec la vie et de comprendre des phénomènes tels que l'effet de serre.

Source d'énergie renouvelable : le rayonnement solaire peut être transformé en énergie utile grâce aux technologies photovoltaïques, solaires thermiques et hybrides. Son utilisation permet de produire de l'électricité et de la chaleur de manière durable, réduisant ainsi la dépendance aux combustibles fossiles.

Effets sur la santé

Les rayons ultraviolets peuvent avoir divers effets sur la peau humaine selon leur intensité et la longueur de ses ondes.

Les radiations UVA peuvent provoquer un vieillissement prématuré de la peau et un cancer de la peau. Elle peut également provoquer des problèmes oculaires et immunitaires. 

Les rayons UVB provoquent des coups de soleil, un assombrissement et un épaississement de la couche externe de la peau, ainsi que des mélanomes et d'autres types de cancers de la peau. Elle peut également provoquer des problèmes oculaires et immunitaires.

La couche d'ozone empêche la plupart des rayons UVC d'atteindre la Terre. Dans le domaine médical, le rayonnement UVC peut également provenir de lampes spéciales ou d'un faisceau laser et est utilisé pour tuer les germes ou aider à guérir les plaies. Il est également utilisé pour traiter certaines affections cutanées telles que le psoriasis, le vitiligo et les nodules cutanés responsables du lymphome cutané des lymphomes T.