Le Soleil dévoilé : Approfondir vos connaissances sur le soleil et son spectre solaire
Le Soleil, notre étoile la plus proche située à 150 millions de kilomètres de la Terre, est une immense sphère rayonnante de gaz chauds composée principalement d’hydrogène et d’hélium. Cet astre, dont la nature d’étoile productrice et émettrice d’énergie a été établie au début du XXe siècle, régit les cycles des saisons grâce à son rayonnement solaire et sa puissance radiative considérables.
Cette gigantesque boule de feu abritant en son cœur des réactions de fusion nucléaire à 15 millions de degrés est née il y a environ 4,6 milliards d’années en même temps que les autres corps de notre système solaire. Notre compréhension de cet astre déifié autrefois s’est considérablement approfondie ces dernières décennies, dévoilant les secrets de son fonctionnement et de sa prodigieuse énergie solaire que l’homme tente aujourd’hui de domestiquer.
Sommaire
Le fonctionnement du Soleil
Conversion de masse en énergie électromagnétique par fusion nucléaire
Le Soleil est un gigantesque réacteur nucléaire où ont lieu des réactions de fusion au cœur. À une température de 15 millions de degrés, l’hydrogène est transformé en hélium en libérant de l’énergie. Le bilan de cette réaction est le suivant : quatre noyaux d’hydrogène (¹H) se combinent pour former un noyau d’hélium (⁴He) plus lourd, en émettant deux positons (e⁺), deux neutrinos (ν) et deux photons (γ). Cette perte de masse lors de la fusion nucléaire entraîne une libération d’énergie, conformément à la relation d’équivalence masse-énergie d’Einstein. L’énergie ainsi produite est principalement libérée sous forme de rayonnement électromagnétique porté par les photons gamma émis.
La puissance rayonnée par le Soleil, notée P_S, correspond à l’énergie libérée par ces réactions de fusion par unité de temps. Le spectre du rayonnement émis par la surface du Soleil est modélisé par un spectre de corps noir, ne dépendant que de la température de surface du Soleil exprimée en kelvin, soit environ 5800 K.
Le rayonnement solaire à la surface de la Terre
Au-dessus de l’atmosphère terrestre, l’éclairement énergétique reçu du Soleil, appelé “constante solaire”, est de 1368 W/m² lorsque le Soleil est au zénith. Cependant, l’atmosphère absorbe et rediffuse une partie du rayonnement, notamment l’ultraviolet. Au final, environ 80% de la puissance solaire atteint le sol, soit une valeur moyenne d’éclairement énergétique au sol d’environ 273 W/m².
La puissance radiative P_R reçue du Soleil par une surface S varie selon l’angle d’inclinaison α entre la normale à la surface et la direction des rayons solaires. Elle est maximale (α = 0°) pour des rayons perpendiculaires à la surface, et minimale (α = 90°) pour des rayons parallèles. Cette variation angulaire explique que la puissance solaire reçue par unité de surface P_uS est maximale à midi, nulle au lever/coucher du Soleil, maximale à l’équateur et minimale aux pôles.
Méthodologie de mesure du rayonnement solaire
Il existe différents appareils pour mesurer le rayonnement solaire, selon qu’ils mesurent le rayonnement direct (pyrhéliomètre), global (pyranomètre) ou réfléchi. La largeur du spectre de longueurs d’onde mesurée dépend de l’application visée (infrarouge, visible, UV, etc.).
Une mesure indirecte mais simple est celle de la durée d’insolation, réalisée avec un héliographe qui enregistre les brûlures causées par la focalisation des rayons solaires sur une bande de carton. Les formules de Turc permettent aussi d’estimer le rayonnement global moyen mensuel à partir de la durée d’insolation et de la position géographique.
Longueurs d’onde du rayonnement solaire
Le rayonnement solaire est composé d’un large spectre de longueurs d’onde, allant des ondes radio aux rayons gamma. Cependant, seule une petite partie de ce spectre parvient jusqu’à la surface terrestre, le reste étant absorbé ou réfléchi par l’atmosphère et l’ionosphère.
Répartition du rayonnement solaire par longueurs d’onde :
- Ondes radio et infrarouges: Une grande partie du rayonnement solaire se situe dans les longueurs d’onde des ondes radio et infrarouges.
- Lumière visible: La lumière visible constitue une partie significative du rayonnement solaire qui atteint la surface terrestre.
- Ultraviolets: Seule une fraction des rayons ultraviolets atteint la surface terrestre, car une grande partie est filtrée par l’atmosphère.
Répartition du rayonnement solaire sur la surface terrestre
Lorsque le rayonnement solaire atteint la surface terrestre, il est soit réfléchi (en fonction de l’albédo de la surface), absorbé et converti en chaleur, ou utilisé pour la photosynthèse.
Rayonnement solaire total
Le rayonnement solaire total reçu sur la surface terrestre est la somme du rayonnement direct et du rayonnement diffus, ce dernier représentant en moyenne 39% du rayonnement global.
Ces informations mettent en évidence la diversité des longueurs d’onde du rayonnement solaire et leur impact sur la surface terrestre.
Les principes physiques de conversion
L’interaction rayonnement et des matériaux de construction
Lorsqu’un rayonnement électromagnétique atteint un objet, certaines longueurs d’onde sont absorbées tandis que d’autres sont réfléchies par l’objet. Une partie du rayonnement peut éventuellement être transmise à travers l’objet s’il est plus ou moins transparent, avec un changement de direction de propagation dû à la réfraction. La partie du rayonnement qui est absorbée modifie l’énergie interne de l’objet et produit de la chaleur qui sera réémise sous forme d’un rayonnement à une plus grande longueur d’onde.
Tous les objets sont caractérisés par un coefficient d’absorption (noté α), un coefficient de réflexion (noté ρ), et un coefficient de transmission (noté τ), qui expriment respectivement la part d’énergie absorbée, réfléchie et transmise. Ces trois coefficients ont des valeurs qui varient entre 0 et 1, et leur somme est toujours égale à 1, selon le principe de la conservation de l’énergie.
Les différents types d’émissivité de la chaleur solaire des matériaux
L’émissivité correspond au flux radiatif du rayonnement thermique émis par un élément de surface à température donnée, rapporté à la valeur de référence qu’est le flux émis par un corps noir à cette même température. Cette dernière valeur étant la valeur maximale possible, l’émissivité est un nombre inférieur ou égal à l’unité.
Il existe différents types d’émissivité selon la direction et la longueur d’onde considérées :
- L’émissivité directionnelle monochromatique dépend de la fréquence ν et de la direction Ω.
- L’émissivité hémisphérique monochromatique est obtenue par intégration sur le demi-espace.
- L’émissivité directionnelle totale est obtenue par intégration sur l’ensemble des fréquences.
- L’émissivité totale est donnée par le rapport de l’exitance du corps réel sur l’exitance du corps noir porté à la même température.
L’émissivité d’un matériau dépend de sa nature (métal, diélectrique) et de l’état de sa surface (oxydation, rugosité). Une surface rugueuse à l’échelle supérieure à la longueur d’onde augmente généralement l’émissivité hémisphérique en modifiant la distribution angulaire d’émission.
Conversion thermique efficace
La conversion du rayonnement solaire en énergie calorifique, électrique ou chimique pour nos usages recouvre ce que l’on appelle l’énergie solaire. Dans la gamme de longueurs d’onde considérée, les photons du rayonnement solaire sont susceptibles de transmettre leur énergie aux électrons périphériques des atomes de la matière dans lesquels ils pénètrent, c’est l’effet photoélectrique.
Le choix du matériau absorbeur est particulièrement important. Son coefficient d’absorption doit être maximum sur l’ensemble du spectre et son coefficient de réflexion minimum, afin de capter le maximum de photons. De plus, tout matériau chauffé émet des photons, cette émission intervient comme une perte et doit donc être minimisée.
On a donc intérêt à choisir un matériau à faible émissivité dans les longueurs d’ondes concernées. Pour cela, on doit rajouter en surface une couche spécifique limitant optiquement le rayonnement infrarouge émis. Ces matériaux bons absorbeurs dans le spectre visible et proche, et faibles émetteurs dans le spectre infrarouge, sont appelés matériaux “sélectifs”.
Pour minimiser le rayonnement infrarouge, on cherchera aussi à utiliser l’effet de serre en rajoutant un matériau transparent pour le spectre du soleil mais absorbant pour le spectre infrarouge lointain, comme une plaque de verre.
En résumé, le Soleil, cette immense boule de feu si essentielle à la vie sur Terre, est un véritable réacteur nucléaire libérant une énergie prodigieuse par la fusion d’atomes d’hydrogène. Son rayonnement électromagnétique, couvrant un large spectre de longueurs d’onde, interagit avec les matériaux terrestres de diverses manières, donnant lieu à des phénomènes d’absorption, de réflexion et de transmission. Bien que nous comprenions désormais en profondeur le fonctionnement du Soleil et les principes physiques régissant son rayonnement, l’enjeu majeur reste d’optimiser la conversion de cette énergie solaire inépuisable en chaleur, électricité ou vecteurs chimiques utiles à nos besoins énergétiques.
En fin de compte, l’étude approfondie du Soleil et de son spectre solaire est loin d’être une simple curiosité scientifique. Elle est le fondement de nombreuses applications solaires visant à exploiter durablement cette source d’énergie renouvelable, propre et gratuite, de la captation thermique aux cellules photovoltaïques en passant par les centrales solaires à concentration. À mesure que notre connaissance du Soleil s’affine, nous sommes mieux à même de tirer parti de cette fabuleuse ressource pour répondre aux défis énergétiques et environnementaux auxquels l’humanité est confrontée.
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