TP-TD Le rayonnement solaire

Introduction : Le soleil est l’unique étoile de notre système Solaire. C’ est une étoile jaune qui se compose de 74 % d’hydrogène, de 24 % d’hélium et d’une fraction d’éléments plus lourds. Le soleil est une étoile modeste de rayon = 695 510 km

Problème : comment la puissance solaire peut elle être calculée au niveau d’une planète ? Comment peut varier cette énergie ?

Objectifs : 

  • Evaluer la puissance solaire en fonction de surfaces
  • Faire un lien entre température planétaire et puissance solaire
  • Comprendre les différences thermiques au niveau de la Terre
  • Compétences travaillées dans le TP (grille à la fin)

I-La constante solaire

Rappel de physique dans le cours : 

Loi de Wien, Puissance émise, constante solaire

constante solaire : puissance reçue par m2 à une distance donnée du soleil. Elle est habituellement donnée pour une distance de 1 UA (soit 150.106 kilomètres = distance Terre–Soleil) :

  • Connaissant la puissance émise du soleil (Pémise = 64,2 . 106 W.m-2), quelle est la valeur de la constante solaire au niveau de la Terre ?

Sachant que la puissance réellement perçue au niveau de l’entrée dans l’atmosphère correspond au rapport suivant :

En effet, Comme le montre la figure, la Terre intercepte un disque de rayonnement solaire. Ce disque est de rayon égal à celui de la Terre.

1) Calculez la constante solaire par unité de surface de la Terre.

2) A l’aide du tableur parametres-solaires.xls, tracer le graphe de la constante solaire en fonction  de la distance au soleil.

II- Les variations de la constante solaire

A- Modèle analogique

Pour bien appréhender la notion d’angle d’incidence des rayons solaires, on se propose de faire le montage suivant : 

Protocole expérimental

Matériel à disposition: 

Globe terrestre, feuille blanche, crayons, papier adhésif, source lumineuse, potence, luxmètre, logiciel MESURIM (si besoin).

Protocole

  • Placer la feuille de papier sur le globe afin qu’elle recouvre l’équateur et le pôle Nord. -Eclairer le globe avec la source lumineuse suffisamment éloignée, à différentes latitudes (0°, 45°, 90°) et éclairer une surface plane (témoin).

Attention : les paramètres (distance source lumineuse-globe, rayons incidents horizontaux et inclinaison du globe) doivent rester constants tout au long du modèle. Seule la latitude des rayons doit varier !

  • Délimiter les contours des tâches lumineuses obtenues sur la feuille de papier, à la surface du globe. Indiquer l’échelle pour chaque tache (1cm) et titrer.
  • Numériser les taches (appareil photo ou scanner) afin d’évaluer leur surface avec le logiciel MESURIM. (cf fiche technique)
  • Mesurer l’énergie reçue par le globe grâce à un luxmètre. Analyser, interpréter et représenter graphiquement des données de températures.

B- Variations de l’angle d’incidence des rayons solaires

PRENDRE DES EXEMPLES CONCRETS (à finir à la maison)

1) variations journalières

1) Commentez les images obtenues grâce à Google earth à différentes heures de la journée :  

2) L’ombre profilée sera-t-elle la même le 22 juin 2020 ? (justifiez votre réponse)

3) Comment expliquez vous le profil de l’ombre par rapport à la Terre et aux rayons solaires ? Vous accompagnerez votre explication d’un schéma explicatif.

2) variations saisonnières à Blois

1) D’après le tableau suivant sur des valeurs de températures moyennes sur Blois, réalisez 3 courbes dans un même graphique : 

D’après météofrance.fr

2) Analysez vos graphiques et expliquez les en accompagnant votre analyse d’un schéma interprétatif.

3) variations latitudinales

Afin d’expliquer les différences climatiques, un élève a proposé comme hypothèse :

« Il fait plus chaud à l’équateur qu’aux pôles parce que La Terre est plus proche du Soleil à l’équateur

qu’aux pôles ».

1) À partir du documents suivant, calculez les puissances par unité de surface

2) expliquez qu’il fait plus chaud à l’équateur qu’aux pôles et invalidez l’hypothèse émise par cet élève.

=> paragraphe argumenté

Tableau de correspondance entre latitude et l’énergie solaire reçue par unité de surface