Mesure et répartition des longueurs d'onde du rayonnement solaire
Informations du cours
Programme de 1ère - Enseignement scientifique - France
Introduction à la mesure des longueurs d'onde
Ondes électromagnétiques
La mesure des longueurs d'onde du rayonnement solaire permet de :
- Identifier les différentes composantes du spectre électromagnétique
- Quantifier l'énergie transportée par chaque longueur d'onde
- Étudier les propriétés physiques du Soleil
- Comprendre les effets du rayonnement sur l'environnement
- Développer des applications technologiques (photovoltaïque, thermique)
- 1 Mètre (m) : unité du système international
- 2 Nanomètre (nm) : 1 nm = 10⁻⁹ m (domaine visible et UV)
- 3 Angström (Å) : 1 Å = 10⁻¹⁰ m (domaine X)
- 4 Millimètre (mm) : domaine micro-ondes
Le spectre électromagnétique s'étend de très grandes longueurs d'onde (ondes radio) à très courtes longueurs d'onde (rayons gamma).
Instruments de mesure
Spectromètres et photomètres
Un photomètre mesure l'intensité lumineuse dans une bande spectrale donnée.
Il utilise un capteur photosensible (photodiode, photocellule) qui convertit la lumière en signal électrique.
- Photomètres à bande large : mesurent une large gamme de longueurs d'onde
- Photomètres à bande étroite : sensibles à une plage spécifique
- Pyranomètres : mesurent le rayonnement global (0,3-3 µm)
- Pyrhéliomètres : mesurent le rayonnement direct du Soleil
Un spectromètre décompose la lumière en ses différentes longueurs d'onde constitutives.
Il utilise un dispositif de dispersion (prisme, réseau de diffraction) et un capteur pour mesurer l'intensité à chaque longueur d'onde.
- Spectromètres à réseau : dispersion par diffraction
- Spectromètres à prisme : dispersion par réfraction
- Spectromètres à transformée de Fourier : basés sur l'interférométrie
Méthodes de mesure
Techniques de mesure
Les méthodes absolues permettent de mesurer directement la puissance ou l'énergie du rayonnement sans référence externe.
Exemples : bolomètres, radiomètres absolus, calibres cryogéniques.
Les méthodes relatives comparent le signal mesuré à une source de référence connue.
Exemples : comparaison avec lampes standards, utilisation de filtres de transmission connue.
Les méthodes spectrales mesurent la distribution de l'intensité en fonction de la longueur d'onde.
Elles permettent d'obtenir des spectres détaillés du rayonnement.
La précision des mesures dépend de nombreux facteurs : calibration, stabilité thermique, qualité des composants, corrections atmosphériques.
Les incertitudes doivent toujours être estimées et reportées.
Répartition spectrale du rayonnement solaire
Distribution énergétique
Hors de l'atmosphère terrestre, le rayonnement solaire suit approximativement le spectre d'un corps noir à 5778 K.
La constante solaire est d'environ 1361 W/m² (moyenne annuelle).
- 1 Ultraviolet (UV) : ~7% de l'énergie totale (100-400 nm)
- 2 Visible : ~44% de l'énergie totale (400-700 nm)
- 3 Infrarouge (IR) : ~49% de l'énergie totale (700 nm - 1 mm)
Selon la loi de Wien, le maximum d'émission du Soleil se situe à environ 500 nm, dans le vert.
Cela correspond à la couleur dominante du Soleil vu de l'espace.
Influence de l'atmosphère
Absorption atmosphérique
L'atmosphère terrestre absorbe certaines longueurs d'onde du rayonnement solaire :
- Ozone (O₃) : absorbe les UV-C et la plupart des UV-B
- Vapeur d'eau (H₂O) : absorbe fortement dans l'infrarouge
- Dioxyde de carbone (CO₂) : absorbe dans certaines bandes IR
- Oxygène (O₂) et azote (N₂) : absorption dans l'UV
Des "fenêtres" atmosphériques correspondent aux longueurs d'onde peu absorbées :
- Fenêtre optique : 300-1100 nm (visible et proche IR)
- Fenêtre radio : > 1 cm
- Fenêtre IR : 8-13 µm (fenêtre atmosphérique)
La diffusion Rayleigh affecte plus les courtes longueurs d'onde (bleu), ce qui explique la couleur du ciel.
La diffusion Mie affecte les particules plus grosses (nuages, poussière).
Mesure du spectre solaire
Spectres mesurés
Les mesures au sol doivent être corrigées de l'absorption atmosphérique.
Des modèles atmosphériques (comme MODTRAN ou LibRadtran) permettent de reconstruire le spectre hors atmosphère.
Les instruments placés sur satellites ou ballons stratosphériques mesurent le rayonnement sans influence atmosphérique.
Exemples : missions SOHO, SORCE, instruments de la Station Spatiale.
Des spectres de référence sont établis pour caractériser le Soleil :
- AM0 : spectre hors atmosphère (Air Mass Zero)
- AM1 : spectre au sol à incidence normale (Air Mass 1)
- AM1.5 : spectre standard pour les applications photovoltaïques
Les mesures spectroscopiques modernes atteignent une précision de l'ordre de 0,1% dans le visible.
Elles servent de référence pour de nombreuses applications scientifiques et industrielles.
Exercice d'application 1
Calcul de la puissance spectrale
Un spectroradiomètre mesure l'irradiance spectrale du Soleil à 500 nm. La valeur mesurée est de 1,5 W·m⁻²·nm⁻¹.
1. Calculer la puissance reçue par une surface de 1 m² dans une bande de 10 nm centrée sur 500 nm.
2. Si le rendement d'une cellule photovoltaïque est de 15% dans cette bande spectrale, quelle puissance électrique peut-elle produire ?
3. Commenter la pertinence de cette valeur par rapport au maximum d'émission du Soleil.
Solution exercice 1
Correction détaillée
- Irradiance spectrale à 500 nm : I(λ) = 1,5 W·m⁻²·nm⁻¹
- Surface : S = 1 m²
- Bande spectrale : Δλ = 10 nm
- Rendement cellule : η = 15% = 0,15
P_reçue = I(λ) × S × Δλ
P_reçue = 1,5 × 1 × 10 = 15 W
P_électrique = η × P_reçue
P_électrique = 0,15 × 15 = 2,25 W
La longueur d'onde 500 nm correspond approximativement au maximum d'émission du Soleil (environ 501 nm selon la loi de Wien). Cette bande spectrale est donc particulièrement riche en énergie, ce qui justifie son importance dans les applications photovoltaïques.
Exercice d'application 2
Analyse spectrale simplifiée
Le tableau suivant donne l'irradiance spectrale du Soleil pour différentes bandes de longueur d'onde :
| Bande (nm) | Irradiance (W·m⁻²·nm⁻¹) |
|---|---|
| 300-400 (UV) | 0,4 |
| 400-500 (Visible bleu) | 1,2 |
| 500-600 (Visible vert) | 1,5 |
| 600-700 (Visible rouge) | 1,1 |
| 700-1000 (IR proche) | 1,8 |
1. Calculer l'irradiance totale dans le domaine 300-1000 nm.
2. Déterminer quelle bande contribue le plus à l'énergie totale.
3. Calculer le pourcentage de contribution de la bande 500-600 nm.
Solution exercice 2
Correction détaillée
Nous avons 5 bandes spectrales avec leur irradiance spectrale respective.
Pour chaque bande, la contribution est : I × Δλ
- UV (300-400): 0,4 × 100 = 40 W·m⁻²
- Visible bleu (400-500): 1,2 × 100 = 120 W·m⁻²
- Visible vert (500-600): 1,5 × 100 = 150 W·m⁻²
- Visible rouge (600-700): 1,1 × 100 = 110 W·m⁻²
- IR proche (700-1000): 1,8 × 300 = 540 W·m⁻²
I_total = 40 + 120 + 150 + 110 + 540 = 960 W·m⁻²
La bande 700-1000 nm (IR proche) contribue le plus avec 540 W·m⁻².
Cela confirme que l'infrarouge représente une grande partie de l'énergie solaire.
% contribution = (150 / 960) × 100 = 15,6%
La bande 500-600 nm (autour du maximum d'émission) représente 15,6% de l'énergie totale dans ce domaine.
Applications technologiques
Utilisation des mesures spectrales
La connaissance du spectre solaire est essentielle pour concevoir des cellules photovoltaïques efficaces.
Le rendement quantique des cellules dépend de leur réponse spectrale.
Les mesures spectrales permettent d'étudier le bilan énergétique de la Terre.
Elles aident à comprendre l'effet de serre et le changement climatique.
Le spectre solaire sert de référence pour étudier d'autres étoiles.
Les analyses spectrales permettent de déterminer la composition et la température des étoiles.
Les capteurs satellitaires exploitent certaines bandes spectrales pour observer la Terre.
Chaque substance a une signature spectrale distinctive.
Résumé
Points clés
- Photomètres : mesure globale ou par bande
- Spectromètres : analyse complète du spectre
- Pyranomètres : rayonnement global
- UV (~7%) : dommage potentiel, synthèse vitamine D
- Visible (~44%) : photosynthèse, vision
- IR (~49%) : effet thermique, chauffage
L'atmosphère filtre certaines longueurs d'onde et modifie la répartition spectrale observée au sol.
Conclusion
Félicitations !
Continuez à explorer les applications de la mesure spectrale pour renforcer vos connaissances