Les paramètres qui modifient l’énergie solaire reçue sur Terre

Introduction

Chaque jour, le Soleil se lève et se couche, mais sa lumière et sa chaleur ne sont pas reçues de la même manière partout sur Terre. Tu as sans doute remarqué que l’intensité du Soleil change selon l’heure de la journée, la saison ou encore selon l’endroit où l’on se trouve dans le monde. Ces différences ne sont pas dues à des caprices du Soleil, mais à la géométrie Terre-Soleil et aux mouvements de notre planète. De plus, la présence de l’atmosphère joue un rôle important en diffusant et en absorbant une partie du rayonnement solaire. Comprendre comment l’heure, la saison et la latitude influencent la quantité d’énergie solaire reçue est essentiel pour expliquer les climats, les saisons, mais aussi pour penser la production d’énergies renouvelables comme le solaire photovoltaïque.

L’influence de l’heure : variation journalière

Au cours d’une journée, la puissance solaire reçue par unité de surface $W/m² = W·m⁻²$ varie fortement. ( $W$ (watt) = quantité de puissance (énergie par seconde).$m²$ (mètre carré) = surface sur laquelle cette puissance est reçue. Donc $W·m⁻²$ signifie : la densité de puissance ou irradiance.) En d’autres mots : c’est l’énergie solaire qui arrive sur une surface de 1 $m²$en 1 seconde, exprimée en watts par mètre carré.

Quand le Soleil est bas sur l’horizon (le matin et le soir), les rayons arrivent avec un angle oblique : la même quantité d’énergie se répartit sur une surface plus grande, ce qui diminue l’intensité reçue. Au contraire, au moment du midi solaire – qui ne correspond pas forcément à midi civil sur nos montres – le Soleil est au plus haut dans le ciel : les rayons arrivent presque perpendiculairement, et l’énergie se concentre sur une plus petite surface, d’où une puissance maximale.

Exemple : à Paris, en été et par ciel dégagé, la puissance radiative instantanée peut atteindre $≈ 1~000~W·m⁻²$ au midi solaire, mais elle chute à quelques centaines de $W·m⁻²$ le matin ou en fin d’après-midi. Ces valeurs sont indicatives : elles varient selon les conditions météorologiques et l’épaisseur d’atmosphère traversée.

À retenir

L’angle d’incidence des rayons solaires varie au cours de la journée : la puissance reçue est maximale au midi solaire, et minimale quand le Soleil est proche de l’horizon. Ces valeurs dépendent aussi de la transparence de l’atmosphère.

L’influence de la saison : variation annuelle

La Terre est inclinée sur son axe de rotation ($23,5°$). Cette inclinaison provoque l’alternance des saisons. En été, dans l’hémisphère nord, le Soleil s’élève plus haut dans le ciel et les jours sont plus longs : la surface terrestre reçoit donc plus d’énergie. En hiver, le Soleil reste bas et les jours sont plus courts : l’énergie reçue diminue fortement.

Cette inclinaison n’est pas parfaitement fixe. Sur de très longues durées, l’axe de la Terre oscille légèrement entre environ $22°$ et $24,5°$. Ces variations suivent un cycle d’environ $41~000$ ans, l’un des cycles de Milankovitch. Ces oscillations modifient la répartition saisonnière de l’énergie solaire entre les hémisphères et jouent un rôle important dans l’alternance des périodes glaciaires et interglaciaires. À l’échelle d’une vie humaine, ces changements sont imperceptibles, mais ils expliquent des évolutions majeures du climat terrestre.

Exemple : à Paris, par ciel dégagé, la puissance solaire instantanée en juin peut dépasser $≈ 1~000~W·m⁻²$, alors qu’en décembre elle ne dépasse guère $≈ 300~W·m⁻²$. Dans les régions proches de l’équateur (Régions où les rayons solaires arrivent avec un angle d’incidence proche de 90° par rapport à la surface terrestre), cette variation saisonnière est beaucoup moins marquée.

On peut visualiser cette différence en traçant une courbe de l’ensoleillement au cours de l’année : elle apparaît large et haute en été, basse et étroite en hiver.

À retenir

L’inclinaison de l’axe terrestre provoque les saisons. En été, les rayons solaires arrivent plus verticalement et la durée d’ensoleillement est plus longue, ce qui augmente l’énergie reçue. À l’échelle de dizaines de milliers d’années, de légères variations de cette inclinaison (cycles de Milankovitch) modifient la répartition saisonnière de l’énergie et influencent le climat terrestre.

L’influence de la latitude : répartition géographique

La répartition de l’énergie solaire sur Terre dépend aussi de la latitude. À l’équateur, le Soleil est presque toujours haut dans le ciel : l’énergie est concentrée et les températures sont élevées. Plus on se rapproche des pôles, plus les rayons arrivent obliquement et plus l’énergie se disperse. Cela explique pourquoi les régions polaires restent froides même en été, malgré des journées très longues.

Exemple : en moyenne annuelle (en tenant compte des variations journalières, saisonnières et par ciel dégagé), la puissance reçue au niveau de l’équateur dépasse légèrement $≈~250~W·m⁻²$, alors qu’elle chute à des valeurs nettement inférieures à $≈~150~W·m⁻²$ dans les hautes latitudes, et même en dessous de $≈ 100~W·m⁻²$ aux pôles. Ces chiffres correspondent à des moyennes intégrées sur l’année, et non à des puissances instantanées.

Pour bien comprendre cette répartition, il est utile de tracer un schéma de la Terre éclairée par le Soleil : les régions proches de l’équateur reçoivent des rayons concentrés, tandis que les régions polaires reçoivent des rayons très obliques.

À retenir

La latitude détermine l’angle moyen des rayons solaires. L’équateur reçoit davantage d’énergie que les pôles, mais ce résultat correspond à des moyennes annuelles intégrées. L’atmosphère, en absorbant et diffusant une partie du rayonnement, accentue encore ces différences.

Conclusion

L’heure, la saison et la latitude modifient profondément la quantité d’énergie solaire reçue par unité de surface terrestre. Ces paramètres, liés à la géométrie Terre-Soleil, interagissent avec l’atmosphère, qui absorbe et diffuse une partie du rayonnement. Cette combinaison explique la diversité des climats et conditionne les activités humaines, de l’agriculture à la production d’énergie solaire. Dans un monde confronté au changement climatique, comprendre cette répartition et ses limites est essentiel pour optimiser l’usage des énergies renouvelables.