Spectre électromagnétique du rayonnement solaire

Une onde électromagnétique est une perturbation des champs électrique et magnétique qui se propage dans l'espace à la vitesse de la lumière (c ≈ 3×10⁸ m/s).

Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.

• 1 Fréquence (ν) : nombre d'oscillations par seconde (Hz)
• 2 Longueur d'onde (λ) : distance entre deux crêtes consécutives (m)
• 3 Énergie (E) : E = h×ν (où h est la constante de Planck)

Où c est la vitesse de la lumière dans le vide (3×10⁸ m/s)

• 1 Radio : > 1 mm
• 2 Micro-ondes : 1 mm - 1 mm
• 3 Infrarouge : 700 nm - 1 mm
• 4 Visible : 400 nm - 700 nm
• 5 Ultraviolet : 10 nm - 400 nm
• 6 Rayons X : 0,01 nm - 10 nm
• 7 Rayons gamma : < 0,01 nm

De gauche à droite sur le spectre, l'énergie des photons augmente, la fréquence augmente et la longueur d'onde diminue.

Le Soleil émet un rayonnement thermique dû à sa température de surface d'environ 5778 K.

Il rayonne dans toutes les directions de l'espace, mais seule une infime partie atteint la Terre.

• 1 Ultraviolet (UV) : ~7% de l'énergie totale
• 2 Visible : ~44% de l'énergie totale
• 3 Infrarouge (IR) : ~49% de l'énergie totale

La longueur d'onde de maximum d'émission est inversement proportionnelle à la température absolue :

Avec T en kelvin et λ_max en mètres

Pour le Soleil (T=5778K) : λ_max ≈ 500 nm (dans le visible)

Le domaine visible s'étend approximativement de 400 nm (violet) à 700 nm (rouge).

C'est la seule portion du spectre électromagnétique que l'œil humain peut détecter.

• Violet : 400-450 nm
• Bleu : 450-495 nm
• Vert : 495-570 nm
• Jaune : 570-590 nm
• Orange : 590-620 nm
• Rouge : 620-700 nm

La lumière visible est essentielle pour la photosynthèse chez les plantes et la vision chez les animaux.

• UV-A (315-400 nm) : rayons les moins énergétiques, pénètrent profondément dans la peau
• UV-B (280-315 nm) : rayons moyennement énergétiques, cause des coups de soleil
• UV-C (100-280 nm) : rayons très énergétiques, absorbés par l'ozone

• Synthèse de la vitamine D dans la peau
• Activation de certains processus biologiques

• Coups de soleil
• Vieillissement prématuré de la peau
• Cancers cutanés
• Dommages oculaires

La couche d'ozone stratosphérique absorbe la majorité des UV-C et une partie des UV-B.

Les crèmes solaires protègent contre les UV-A et UV-B.

• IR proche (700-1400 nm) : proche du visible
• IR moyen (1400-3000 nm) : associé à la chaleur modérée
• IR lointain (3000 nm - 1 mm) : associé à la chaleur intense

Le rayonnement infrarouge est principalement responsable de l'effet thermique du Soleil.

Il est absorbé par les objets et converti en énergie thermique (chaleur).

• Photographies thermiques
• Chauffage domestique
• Télémètres et capteurs
• Communication (télécommandes)

Les gaz à effet de serre (CO₂, H₂O, CH₄) absorbent le rayonnement IR émis par la Terre, contribuant au réchauffement climatique.

L'atmosphère terrestre filtre certaines parties du spectre électromagnétique solaire, protégeant ainsi la vie sur Terre.

Seule une fraction du rayonnement solaire atteint la surface terrestre.

• Visible : bien transmis (fenêtre optique)
• IR proche : partiellement transmis
• Radio : bien transmis (fenêtre radio)

• UV-C : absorbé par l'ozone
• UV-B : partiellement absorbé par l'ozone
• IR lointain : absorbé par la vapeur d'eau et le CO₂
• X et Gamma : fortement absorbés

Ce filtrage permet la vie sur Terre en bloquant les rayonnements les plus dangereux tout en laissant passer la lumière nécessaire à la photosynthèse.

• Température du Soleil : T = 5778 K
• Constante de Wien : b = 2,898×10⁻³ m·K

Utilisation de la loi de Wien : λ_max = b / T

λ_max = 2,898×10⁻³ / 5778

λ_max = 5,015×10⁻⁷ m = 501,5 nm

λ_max = 501,5 nm se situe dans le domaine visible (400-700 nm)

Plus précisément, cela correspond à la couleur verte (proche du vert-jaune)

Le Soleil émet le plus d'énergie autour de 500 nm, dans le vert-jaune. Cependant, la lumière solaire perçue est blanche car elle contient toutes les couleurs du visible en proportions variées. La couleur dominante est proche du jaune-vert, ce qui correspond à la longueur d'onde de maximum d'émission.

• Longueur d'onde : λ = 600 nm = 600×10⁻⁹ m
• Vitesse de la lumière : c = 3×10⁸ m/s
• Constante de Planck : h = 6,63×10⁻³⁴ J·s
• 1 eV = 1,60×10⁻¹⁹ J

Relation : ν = c / λ

ν = (3×10⁸) / (600×10⁻⁹)

ν = 5×10¹⁴ Hz

Énergie : E = h×ν

E = 6,63×10⁻³⁴ × 5×10¹⁴

E = 3,315×10⁻¹⁹ J

En eV : E = (3,315×10⁻¹⁹) / (1,60×10⁻¹⁹) = 2,07 eV

Pour λ = 400 nm : ν = (3×10⁸) / (400×10⁻⁹) = 7,5×10¹⁴ Hz

E_violet = 6,63×10⁻³⁴ × 7,5×10¹⁴ = 4,97×10⁻¹⁹ J = 3,11 eV

Le photon violet a une énergie supérieure (3,11 eV) à celle du photon rouge (2,07 eV).

Les cellules photovoltaïques convertissent l'énergie lumineuse en énergie électrique par effet photoélectrique.

Elles sont sensibles principalement au rayonnement visible et proche infrarouge.

Ces capteurs absorbent le rayonnement solaire pour produire de la chaleur.

Ils utilisent principalement le rayonnement infrarouge et visible.

Les ondes radio et certaines longueurs d'onde sont transmises par l'atmosphère terrestre.

Cela permet les communications par satellite et la radioastronomie.

Les télescopes spatiaux permettent d'observer des domaines du spectre bloqués par l'atmosphère (UV, X, gamma).

• Fréquence, longueur d'onde et énergie sont liés
• Plus la fréquence est élevée, plus l'énergie est grande
• Relation : c = λ×ν et E = h×ν

• UV (~7%) : dommage potentiel, synthèse vitamine D
• Visible (~44%) : photosynthèse, vision
• IR (~49%) : effet thermique, chauffage

L'atmosphère filtre les rayonnements les plus dangereux (UV-C, X, gamma) tout en laissant passer la lumière visible.