2-1 Le rayonnement solaire

A la fin de la séance je sais :

❑ que la puissance radiative reçue du Soleil par une surface plane est proportionnelle à l’aire de la surface et dépend de l’angle entre la normale à la surface et la direction du Soleil.

❑ que  la puissance solaire reçue par unité de surface terrestre dépend :

•  de l’heure (variation diurne) ;
• du moment de l’année (variation saisonnière) ;
• de la latitude (zonation climatique)
• du rayon et sa distance au Soleil.

❑ identifier des configurations pour lesquelles la puissance reçue par une surface est maximale ou minimale.

Au cours de l’année, la Terre se  déplace sur son orbite au cours de sa rotation toujours parallèle à lui-même. Reçoit-on toujours le même rayonnement solaire suivant le moment de l’année considérée, de l’heure ou de sa situation géographique  ?

Mots à placer : les 4 saisons : été, printemps, hiver, automne

Schéma présentant la position de la planète Terre au cours de l’année

La Terre tourne sur elle-même en un jour et autour du Soleil en une année.

Le plan de l’équateur terrestre est incliné de 23° par rapport au plan de révolution de la Terre autour du Soleil. La Terre, au cours de sa rotation annuelle, incline donc tantôt son pôle nord, tantôt son pôle sud vers le soleil. Cette orientation différente du globe terrestre au long de l’année entraîne donc des déséquilibres  de températures tantôt vers le pôle nord, tantôt vers le pôle sud. L’alternance des saisons en Europe est une conséquence de l’inclinaison de l’axe de rotation de la Terre par rapport au plan de révolution autour du Soleil.

Livre p72-73

Comment l’énergie solaire reçue par la Terre varie-t-elle dans l’espace et dans le temps ?

Activité 1 : L’ensoleillement terrestre au cours de l’année selon la latitude

L’évolution de la température au cours de l’année peut être mesurée et dépend des conditions météorologiques.

Tracer le graphique qui représente les variations de température moyenne au cours de l’année de ces trois villes de l’hémisphère nord.

Évolution des températures moyennes au cours de l’année de trois villes de l’hémisphère nord.

Ville           Mois		Janv	Févr	Mars	Avril	Mai	Juin	Juil	Août	Sept	Oct	Nov	Dec
Copenhague Danemark 55°N		1	1	3	7	12	16	18	18	14	10	4	3
Nouk     Groenland 64°N		-8	-8	-8	-4	2	5	7	7	4	0	-3	-6
Dakar Sénégal 14°N		22	22	22	23	24	26	27	27	27	28	27	24

Question 1

Le climat d’un lieu s’étudie à partir de l’analyse de température moyenne temporelle de température. Évaluer les températures moyennes à Dakar, à Copenhague et à Nouk au cours de l’année, à partir des températures maximale et minimale. Tmoy = Tmin + T max/2

Question 2

Expliquer les variations de température en fonction du mois pour les trois villes. 

 

Activité 2 : la puissance solaire reçue par m2 

Le rayonnement solaire diffuse dans toutes les directions de l’espace. Son énergie est constante à une distance donnée. La puissance solaire reçue représente l’énergie solaire reçue sur chaque mètre carré en 1 seconde. Elle s’exprime en j W.m2. Elle est en moyenne de 1400 W/m2 sur la Terre). L’énergie solaire reçue par une planète dépend de la distance planète – soleil.   

Bilan :

Les rayons du Soleil arrivent perpendiculairement à la surface de la Terre :

• au niveau de l’équateur lors de l’équinoxe ;
• au niveau du tropique lors du solstice d’été (tropique du Cancer le 21 juin, du Capricorne le 21 décembre)

Entre le tropique et le cercle polaire, donc en zone tempérée, les rayons du Soleil arrivent au sol avec un angle compris entre 90° (au tropique en été) et 0° (au cercle polaire en hiver). Au delà du cercle polaire, les rayons du Soleil ne parviennent pas au sol pendant une période variant d’une nuit (au cercle polaire) à 6 mois (au pôle) : c’est la nuit permanente (et dans l’autre hémisphère, le soleil de minuit à voir sur cette vidéo de 2′ prise au pôle sud).

Ainsi, la puissance radiative reçue du Soleil par une surface plane est proportionnelle à l’aire de la surface (plus cette aire est grande, plus la puissance radiative se répartit sur une grande surface donc diminue par unité de surface) et dépend de l’angle entre la normale à la surface et la direction du Soleil :

• des rayons perpendiculaires se concentrent sur une faible surface donc la puissance est élevée,
• des rayons obliques s’étalent sur une grande surface donc la puissance est faible.

Identifiez les trois facteurs temporels et géographiques qui déterminent l’ensoleillement reçu par un lieu sur Terre 

Bilan activité 1 et 2

La puissance solaire reçue par m² dépend donc

• de la latitude : au niveau du sol, un m² de surface reçoit beaucoup plus d’énergie solaire à l’équateur qu’au pôle (zonation climatique). La distribution inégale de l’énergie solaire à la surface de la terre est à l’origine d’une répartition des climats selon la latitude.

• du moment de l’année considéré : au niveau du sol, un m² de surface reçoit beaucoup plus d’énergie solaire en été qu’en hiver (variation saisonnière)
• de l’heure de la journée (variation diurne sur une période de 24h)

Je vérifie si j’ai compris

• exercices 7p78 hauteur du soleil dans le ciel, 6p78 inclinaison d’un panneau solaire
• Exercice auto correctif en ligne
• Livre p82-83
• Exercice LearningApps : D’où viennent les saisons ?

1. 0 :26. Pourquoi fait-il plus froid l’hiver ?
2. Quelle est la forme de l’orbite terrestre ?
3. 0 :57. Pourquoi la distance Terre-Soleil ne peut être à l’origine des saisons ?
4. Quelle est la distance Terre Soleil ?
5. De combien varie-t elle entre l’été et l’hiver ?
6. 1 :40. Quelles seraient les dimensions de la Terre, sa distance au Soleil si celui-ci était représenté par un ballon de foot ?
7. Au niveau de l’équateur, la surface éclairée par les mêmes rayons que la France est-elle plus grande ou plus petite ?
8. 2 :21. Comment expliquer l’alternance des jours et des nuits ?
9. Pourquoi l’inclinaison de la Terre par rapport au soleil change-t-elle ?
10. 3 :14. En quelle saison en France, l’axe est-il incliné du côté du Soleil ?
11. 3 :25. Comment se réparti en hiver la lumière qui éclaire la France l’été ?
12. 4 :23. Quels sont les deux types de saison ?

Activité 3 : Le rayonnement solaire reçu par la Terre 

TP Distance au Soleil

La proportion de la puissance totale, émise par le Soleil et atteignant la Terre, est déterminée par

• son rayon (plus r est grand, plus la planète intercepte d’énergie)
• et sa distance au Soleil (plus d est grande, moins la planète reçoit d’énergie)

Tableau comparatif de la puissance reçue par les planètes.(doc5 page 83)

Bilan

Le rayonnement solaire intercepté par une planète dépend de la distance Soleil-planète : plus la planète est loin du Soleil, plus l’énergie solaire par unité de surface au niveau de la planète est faible. Il dépend aussi du rayon de la planète : plus le rayon est grand, plus la planète intercepte le rayonnement solaire.

 

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Il faut 3H pour cette séance

Savoir

La puissance radiative reçue du Soleil par une surface plane est proportionnelle à l’aire de la surface et dépend de l’angle entre la normale à la surface et la direction du Soleil.
De ce fait, la puissance solaire reçue par unité de surface terrestre dépend :

•  de l’heure (variation diurne) ;
• du moment de l’année (variation saisonnière) ;
• de la latitude (zonation climatique)

• du rayon et sa distance au Soleil.

Savoir faire

• Sur un schéma, identifier les configurations pour lesquelles la puissance reçue par une surface est maximale ou minimale.
• Analyser, interpréter et représenter graphiquement des données de températures. Calculer des moyennes temporelles de températures.
• Étudier des effets liés à l’exposition des êtres humains au rayonnement solaire.

Bilan activité 1 :

les trois facteurs temporels et géographiques qui déterminent l’ensoleillement reçu par un lieu sur Terre sont :

– facteurs temporels : année (plus chaud en été qu’en hiver) , jour ( l’ensoleillement est maximal à midi heure solaire)

– facteurs géographiques :  la latitude (plus elle est élevée, c’est-à-dire plus on est proche des pôles, plus l’ensoleillement est faible)

Bilan activité 2

–facteur  temporel  : l’année –  la saison : dans l’hémisphère nord, l’ensoleillement est plus important l’été.

Correction exercice 6 page 78 + réponses aux questionnaire learning app

L’énergie dégagée par les réactions de fusion de l’hydrogène qui se produisent dans les étoiles les maintient à une température très élevée. Du fait de l’équivalence masse-énergie (relation d’Einstein), ces réactions s’accompagnent d’une diminution de la masse solaire au cours du temps. Comme tous les corps matériels, les étoiles et le Soleil émettent des ondes électromagnétiques et donc perdent de l’énergie par rayonnement. Le spectre du rayonnement émis par la surface (approximativement un spectre de corps noir) dépend seulement de la température de surface de l’étoile. La longueur d’onde d’émission maximale est inversement proportionnelle à la température absolue de la surface de l’étoile (loi de Wien).