Effet des nuages et de l'atmosphère sur le rayonnement solaire
Informations du cours
Programme de 1ère - Enseignement scientifique - France
Introduction aux effets atmosphériques
Composition de l'atmosphère
L'atmosphère terrestre est composée de plusieurs couches :
- 1 Troposphère : 0-12 km, contient la majorité des nuages et de la vapeur d'eau
- 2 Stratosphère : 12-50 km, contient la couche d'ozone
- 3 Mésosphère : 50-85 km
- 4 Thermosphère : 85-600 km
- Azote (N₂) : 78%
- Oxygène (O₂) : 21%
- Argon (Ar) : 0,93%
- Dioxyde de carbone (CO₂) : 0,04%
- Vapeur d'eau (H₂O) : variable (0-4%)
L'atmosphère contient également des particules solides (poussières, pollen, suie) et des gouttelettes liquides (nuages, brouillard) qui influencent le rayonnement solaire.
Phénomènes physiques
Interactions lumière-matière
L'absorption est le processus par lequel l'énergie lumineuse est captée par les molécules de l'atmosphère et convertie en énergie thermique.
Les gaz atmosphériques absorbent préférentiellement certaines longueurs d'onde.
- Diffusion Rayleigh : affecte les courtes longueurs d'onde (bleu), responsable de la couleur du ciel
- Diffusion Mie : affecte les particules de taille comparable à la longueur d'onde, responsable de la blancheur des nuages
- Diffusion non sélective : affecte toutes les longueurs d'onde, importante dans les nuages épais
La réflexion est le changement de direction d'une onde lumineuse sans changement de milieu.
Les surfaces réfléchissantes comme les nuages, la neige ou l'eau agissent comme des miroirs partiels.
Effet des gaz atmosphériques
Gaz à effet de serre
L'ozone stratosphérique absorbe la majorité des rayons UV-C et une partie des UV-B.
Il protège la vie sur Terre des radiations solaires les plus nocives.
La vapeur d'eau est le gaz à effet de serre le plus abondant et le plus efficace pour absorber le rayonnement infrarouge.
Son contenu varie fortement selon l'humidité et l'altitude.
Le CO₂ absorbe le rayonnement infrarouge émis par la surface terrestre, contribuant à l'effet de serre.
Son concentration est relativement uniforme mais en augmentation constante.
Malgré l'absorption, certaines fenêtres spectrales restent transparentes :
- Fenêtre optique : 300-1100 nm (visible et proche IR)
- Fenêtre radio : > 1 cm
- Fenêtre IR atmosphérique : 8-13 µm
Effet des nuages
Propriétés radiatives des nuages
L'albédo d'un nuage est la fraction du rayonnement solaire qu'il réfléchit.
Les nuages ont un albédo élevé (0,5-0,9), ce qui signifie qu'ils réfléchissent une grande partie du rayonnement incident.
Les nuages affectent le rayonnement solaire de plusieurs manières :
- Réflexion : renvoie une partie du rayonnement vers l'espace
- Diffusion : disperse la lumière dans toutes les directions
- Absorption : capture une partie de l'énergie (principalement dans l'IR)
- Transmission : laisse passer une fraction du rayonnement
- Nuages fins (cirrus) : transmission modérée, effet de serre important
- Nuages épais (cumulus, stratus) : forte réflexion, faible transmission
- Orages : très épais, quasi-opaques, forte réflexion
Les nuages ont un double effet sur le climat : un effet de refroidissement par réflexion du rayonnement solaire et un effet de réchauffement par piégeage de l'énergie thermique émise par la surface terrestre.
Quantification des effets
Mesure des influences
- Radiation directe : provenant directement du Soleil sans interaction atmosphérique
- Radiation diffuse : provenant de la diffusion atmosphérique (ciel)
- Radiation globale : somme de la radiation directe et diffuse
Plusieurs coefficients quantifient l'atténuation du rayonnement :
- Transmittance atmosphérique (τ) : fraction du rayonnement transmis
- Extinction optique (β) : taux d'atténuation par unité de distance
- Profondeur optique (τ) : mesure de l'opacité du milieu
L'intensité lumineuse diminue exponentiellement avec la distance parcourue dans un milieu absorbant :
Où I₀ est l'intensité initiale, β le coefficient d'extinction, et x la distance parcourue.
En moyenne, l'atmosphère terrestre atténue environ 30% du rayonnement solaire incident. Les nuages peuvent réduire cette valeur de 50% à 90% selon leur épaisseur et leur couverture.
Exercice d'application 1
Calcul d'atténuation atmosphérique
Le coefficient d'extinction atmosphérique pour la lumière visible est de β = 0,1 km⁻¹.
1. Calculer l'intensité lumineuse après avoir traversé 2 km d'atmosphère, sachant que l'intensité initiale est de 1000 W·m⁻².
2. Déterminer la transmittance atmosphérique pour ce trajet.
3. Quelle distance faut-il parcourir pour que l'intensité soit réduite à 50% de sa valeur initiale ?
Solution exercice 1
Correction détaillée
- Coefficient d'extinction : β = 0,1 km⁻¹
- Distance parcourue : x = 2 km
- Intensité initiale : I₀ = 1000 W·m⁻²
Utilisation de la loi de Beer-Lambert : I = I₀ × e^(-βx)
I = 1000 × e^(-0,1 × 2)
I = 1000 × e^(-0,2) = 1000 × 0,8187 = 818,7 W·m⁻²
La transmittance τ est le rapport I/I₀
τ = 818,7 / 1000 = 0,8187 = 81,87%
On cherche x tel que I = 0,5 × I₀
0,5 = e^(-βx)
ln(0,5) = -βx
x = ln(0,5) / (-β) = -0,693 / (-0,1) = 6,93 km
Exercice d'application 2
Influence des nuages
En journée ensoleillée, l'irradiance solaire maximale au sol est de 1000 W·m⁻².
Lors d'une journée couverte, cette valeur chute à 300 W·m⁻².
1. Calculer le pourcentage de rayonnement solaire bloqué par les nuages.
2. Déterminer l'albédo équivalent des nuages pour cette situation.
3. Quel est l'impact sur la température de surface si l'on suppose un équilibre radiatif simple ?
Solution exercice 2
Correction détaillée
- Irradiance ensoleillée : I_ensoleillée = 1000 W·m⁻²
- Irradiance couverte : I_couverte = 300 W·m⁻²
Réduction = I_ensoleillée - I_couverte = 1000 - 300 = 700 W·m⁻²
Pourcentage bloqué = (700 / 1000) × 100 = 70%
L'albédo est le rapport entre la lumière réfléchie et la lumière incidente.
Albédo ≈ 70% (partie du rayonnement réfléchée ou diffusée vers l'espace)
Selon la loi de Stefan-Boltzmann (P = σT⁴), si l'énergie reçue diminue de 70%, la température absolue diminue d'environ 15%.
Cela correspond à une baisse d'environ 40-50 K (-40 à -50°C) si l'on néglige d'autres facteurs.
Applications climatiques
Effet sur le climat
Le bilan énergétique de la Terre dépend de l'équilibre entre l'énergie reçue du Soleil et l'énergie émise vers l'espace.
Les nuages et l'atmosphère modifient cet équilibre par des effets de refroidissement (réflexion) et de réchauffement (effet de serre).
Les nuages sont à la fois une composante du système climatique et un facteur d'incertitude dans les projections climatiques.
Leur couverture et propriétés changent avec le réchauffement, influençant le bilan énergétique global.
Les modèles météorologiques et climatiques doivent représenter précisément les effets radiatifs des nuages et de l'atmosphère.
Cela influence les prévisions de température, de précipitations et d'autres variables.
La connaissance des effets atmosphériques est essentielle pour évaluer le potentiel solaire d'une région et dimensionner les installations photovoltaïques.
Résumé
Points clés
- Absorption : conversion de lumière en chaleur
- Diffusion : dispersion de la lumière dans différentes directions
- Réflexion : renvoi de la lumière vers l'espace
- Ozone : protection contre les UV nocifs
- Vapeur d'eau : principal gaz à effet de serre
- CO₂ : contribution au réchauffement climatique
- Albédo élevé : forte réflexion du rayonnement solaire
- Effet double : refroidissement (réflexion) et réchauffement (piégeage IR)
- Influence sur le bilan énergétique global
Conclusion
Félicitations !
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