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Le Soleil, le moteur de tout
D'où vient l'énergie de la météo.
Géométrie solaire, angle zénithal et saisons
Le Soleil est la source de presque toute l'énergie du système Terre. Mais cette énergie n'arrive pas partout de la même manière : la géométrie de l'éclairement, gouvernée par l'orbite et l'inclinaison de la Terre, explique les saisons et les grands contrastes de climat.
L'angle zénithal commande l'énergie reçue
L'angle zénithal est l'angle entre la direction du Soleil et la verticale du lieu. Plus le Soleil est haut, angle petit, plus son faisceau est concentré ; plus il est bas, angle grand, plus le même faisceau s'étale sur une grande surface, et moins il y a d'énergie par mètre carré. L'énergie reçue décroît comme le cosinus de cet angle. C'est pourquoi les tropiques, où le Soleil monte haut, reçoivent bien plus d'énergie que les pôles, où il rase l'horizon.
L'obliquité fait les saisons
L'axe de rotation de la Terre est incliné d'environ 23,5° par rapport au plan de son orbite : c'est l'obliquité. Ce sont cette inclinaison, et non la distance au Soleil, qui créent les saisons. En été, l'hémisphère est incliné vers le Soleil, qui monte plus haut, angle zénithal plus petit, et éclaire plus longtemps. Les solstices marquent les jours extrêmes, les équinoxes les jours où la durée du jour égale celle de la nuit. Fait contre-intuitif, la Terre est au plus près du Soleil, au périhélie, début janvier, en plein hiver boréal.
Durée du jour et énergie journalière
L'énergie reçue sur une journée combine l'intensité instantanée et la durée d'ensoleillement. Aux hautes latitudes en été, la faible intensité est compensée par des jours très longs, parfois le Soleil de minuit ; en hiver, intensité faible et jours courts se cumulent en un net déficit.
💡 Les saisons viennent de l'inclinaison de l'axe, pas de la distance : la Terre est même la plus proche du Soleil en hiver boréal.
Rayonnement : constante solaire, spectre et diffusion
Le rayonnement solaire n'est pas qu'une quantité de chaleur : c'est un spectre d'énergie que l'atmosphère filtre et redistribue avant qu'il n'atteigne le sol.
La constante solaire
Au sommet de l'atmosphère, la puissance solaire reçue perpendiculairement vaut en moyenne 1361 W/m² : c'est la constante solaire. Mais le Soleil n'éclaire qu'un disque alors que la Terre est une sphère de surface quatre fois plus grande ; répartie sur toute la sphère, elle ne représente plus qu'environ 342 W/m² en moyenne. Elle varie légèrement, de l'ordre de 0,1 %, au fil du cycle solaire d'environ onze ans.
Le spectre et son atténuation
Le spectre solaire culmine dans la lumière visible. En traversant l'atmosphère, il est atténué par absorption, les ultraviolets par l'ozone et les infrarouges par la vapeur d'eau, et par diffusion. La diffusion de Rayleigh, d'autant plus forte que la longueur d'onde est courte, elle varie comme l'inverse de la longueur d'onde à la puissance quatre, disperse le bleu dans tout le ciel et rougit le Soleil couchant.
Direct, diffus et mesure au sol
Le rayonnement qui atteint le sol se décompose en rayonnement direct, en ligne droite depuis le Soleil, et diffus, redistribué par l'air et les nuages. Par ciel couvert, presque tout devient diffus. On mesure ce rayonnement global avec un pyranomètre ; il dépend fortement des nuages et des aérosols, les particules en suspension qui règlent ce qu'on appelle la turbidité de l'air.
💡 La diffusion de Rayleigh explique à la fois le ciel bleu de jour et les couchers de soleil rouges.
Bilan d'énergie de surface et cycle diurne
Ce n'est pas le Soleil qui chauffe directement l'air, mais le sol qui, éclairé, redistribue l'énergie. Le bilan d'énergie de surface commande le cycle quotidien des températures.
Les flux de surface
Le rayonnement net disponible au sol se répartit en trois flux : la chaleur sensible, qui réchauffe l'air par contact ; la chaleur latente, liée à l'évaporation de l'eau ; et le flux conduit dans le sol. Le rapport de Bowen, le rapport de la chaleur sensible sur la chaleur latente, distingue un désert sec, Bowen élevé et peu d'évaporation, d'une surface humide, Bowen faible.
Le déphasage : pourquoi le maximum est l'après-midi
La température maximale n'est pas atteinte au midi solaire, mais deux à trois heures plus tard. Tant que le bilan radiatif reste positif, le sol continue d'accumuler de l'énergie et de réchauffer l'air ; c'est l'inertie thermique. De même, le minimum se produit peu avant le lever du Soleil, au terme du refroidissement nocturne.
Inversions nocturnes, gel et brouillard
Par nuit claire et calme, le sol perd son énergie par rayonnement infrarouge et se refroidit vite. L'air à son contact devient alors plus froid que l'air au-dessus : c'est une inversion de surface, propice à la rosée, à la gelée blanche et au brouillard. Le vent et les nuages, en brassant l'air et en renvoyant l'infrarouge, l'empêchent.
💡 Ce déphasage thermique explique que le moment le plus chaud est le milieu d'après-midi, pas le midi solaire.
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