Énergie Solaire
Le rayonnement solaire n'atteint pas la surface de la Terre exactement comme il est émis par le Soleil. Au cours de son voyage vers la Terre et de son passage dans l'atmosphère, l'énergie solaire subit divers phénomènes physiques qui modifient son intensité, sa direction et sa composition spectrale.
Ces processus déterminent la quantité d'énergie disponible dans chaque lieu de la planète et sont responsables de phénomènes quotidiens tels que la couleur bleue du ciel, la formation d'ombres ou les différences d'insolation entre différentes régions.
Le voyage du rayonnement solaire vers la Terre
Le Soleil émet de l'énergie sous forme de rayonnement électromagnétique sur une large gamme de longueurs d'onde, des rayons ultraviolets aux rayons infrarouges.
À la limite supérieure de l'atmosphère terrestre, l'irradiance solaire moyenne est d'environ 1 361 W/m², une valeur connue sous le nom de constante solaire. Cependant, toute cette énergie n'atteint pas la surface de la Terre en raison de l'interaction avec l'atmosphère.
Lorsque les rayons du soleil traversent les différentes couches atmosphériques, une partie de l'énergie est réfléchie, absorbée ou dispersée par les gaz atmosphériques, les nuages et les particules en suspension.
L'atmosphère comme filtre naturel
L'atmosphère terrestre agit comme un filtre qui régule la quantité et le type de rayonnement atteignant le sol.
Ce filtrage est essentiel à la vie, car il élimine une grande partie des radiations les plus énergétiques et potentiellement nocives du Soleil.
Les principaux processus qui affectent la propagation du rayonnement solaire sont :
- Réflexion.
- Absorption.
- Dispersion.
La combinaison de ces phénomènes détermine le bilan énergétique de la Terre et le rayonnement finalement disponible à la surface.
Réflexion du rayonnement solaire
La réflexion se produit lorsqu'une partie du rayonnement incident rebondit sur une surface sans être absorbée.
Ce phénomène se produit à la fois dans l'atmosphère et à la surface de la Terre. Les nuages sont l'un des éléments qui réfléchissent le plus de rayonnement vers l'espace, bien que les aérosols atmosphériques, la neige, la glace et certaines surfaces lumineuses y contribuent également.
La capacité d'une surface à réfléchir le rayonnement solaire est exprimée par l'albédo.
La Terre a un albédo moyen proche de 30 %, ce qui signifie qu'environ un tiers de l'énergie solaire reçue est renvoyée dans l'espace.
Absorption du rayonnement solaire
Une partie de l'énergie solaire est absorbée par les gaz atmosphériques et par la surface de la Terre.
L'absorption dépend de la longueur d'onde du rayonnement et des propriétés des matériaux qui le reçoivent.
Voici quelques exemples importants :
- La couche d'ozone absorbe une grande partie des rayons ultraviolets.
- La vapeur d'eau absorbe certaines bandes infrarouges.
- Le dioxyde de carbone et d'autres gaz à effet de serre absorbent le rayonnement thermique.
L'énergie absorbée est principalement transformée en chaleur, contribuant au réchauffement de l'atmosphère, des océans et des continents.
Diffusion du rayonnement solaire
Toute la lumière solaire qui pénètre dans l'atmosphère n'atteint pas directement la surface de la Terre. Au cours de son parcours, une partie du rayonnement interagit avec les molécules d'air, les gouttelettes d'eau et les particules en suspension présentes dans l'atmosphère. Lorsque cela se produit, les rayons du soleil changent de direction et la lumière est répartie dans plusieurs directions, un phénomène appelé diffusion.
Bien qu'elle passe inaperçue dans notre vie quotidienne, la dispersion est responsable de certains des spectacles naturels les plus connus. Grâce à cela, le ciel acquiert sa couleur bleue caractéristique pendant la journée et les levers et couchers de soleil sont teintés de tons rougeâtres et orangés. Cela explique aussi pourquoi l'éclairage naturel existe même dans des endroits qui ne reçoivent pas de lumière directe au soleil.
L'un des mécanismes les plus importants est la diffusion de Rayleigh, qui se produit lorsque la lumière interagit avec les molécules dans l'air. Ce phénomène affecte les longueurs d'onde plus courtes, correspondant aux couleurs bleu et violet du spectre visible, avec une plus grande intensité. Comme nos yeux sont plus sensibles au bleu et qu'une partie de la lumière violette est absorbée par l'atmosphère, le résultat est la couleur bleue que nous observons en regardant le ciel par temps clair.
Rayonnement direct et rayonnement diffus
En raison des processus atmosphériques, le rayonnement qui atteint la surface de la Terre peut être classé en deux composantes principales.
Rayonnement direct
C'est le rayonnement qui arrive du disque solaire sans avoir subi de changements significatifs de direction.
Il représente la fraction la plus concentrée d'énergie et génère des ombres bien définies lors des journées claires.
Rayonnement diffus
C'est le rayonnement qui a été diffusé par l'atmosphère avant d'atteindre le sol.
Bien qu'elle provienne de plusieurs directions, elle fournit néanmoins une quantité significative d'énergie, surtout lors des journées nuageuses ou avec une forte concentration de particules atmosphériques.
Radiation globale
La somme du rayonnement direct et diffus est appelée rayonnement global.
C'est le rayonnement total disponible sur une surface exposée au Soleil.
Influence de l'angle d'incidence
La quantité d'énergie solaire reçue dépend également de l'angle auquel les rayons du soleil atteignent une surface.
Lorsque le rayonnement frappe perpendiculairement, l'énergie est concentrée sur une surface plus petite et l'intensité est maximale.
Au contraire, lorsque la foudre frappe à une forte inclinaison, la même énergie est répartie sur une surface plus grande et doit également traverser une plus grande quantité d'atmosphère.
Ce phénomène explique de nombreux aspects du comportement du rayonnement solaire sur Terre. Par exemple
- L'alternance entre le jour et la nuit se produit parce que la rotation de la Terre modifie continuellement l'angle auquel les rayons du soleil atteignent chaque point de la planète.
- Les saisons de l'année sont une conséquence de l'inclinaison de l'axe de la Terre, qui fait que la même région reçoit les rayons du soleil plus ou moins perpendiculairement selon la période de l'année.
- Les différences climatiques entre les latitudes sont dues au fait que les zones proches de l'équateur reçoivent un rayonnement plus direct et concentré que les régions polaires.
- La variation quotidienne du rayonnement solaire.
Facteurs qui influencent la propagation du rayonnement solaire
La quantité de radiation qui finit par atteindre la surface de la Terre dépend de nombreux facteurs :
- Latitude.
- La période de l'année.
- L'heure de la journée.
- L'altitude.
- Couverture nuageuse.
- L'humidité atmosphérique.
- La concentration d'aérosols et de particules.
- Pollution de l'air.
Pour cette raison, deux endroits situés à la même latitude peuvent recevoir des quantités très différentes de rayonnement solaire.