Thème : le rayonnement solaire Cité scolaire André Chamson

Activité - Cours : l’énergie solaire reçue sur Terre

I°)    Variation de la puissance solaire reçue   

Doc 1 :  effet de la distance

Le Soleil est une étoile de puissance P = 3,87×1026 W. Cette puissance quitte la surface de l’étoile sous formede rayonnement lumineux qui se répartit sur la surface d’une sphère S de rayon R.

On définit la puissance surfacique PS, comme étant la puissance reçue par unité de surface :  PS =PS

.

1°) Rappeler la formule de la surface d’une sphère de rayon R.

2°) Calculer la puissance surfacique PS reçue par chaque planète. Compléter le tableau ci-dessous.

Mercure Vénus Terre Mars Jupiter Saturne Uranus Neptune

Distance au Soleil(106 km)

57,9 108,2 150 228 778,5 1434 2871 4495

PS (W.m-2) 9,19×103 2,63×103 50,8 15,0 3,74

3°) Comment varie PS avec la distance ?

Doc 2 :  effet de l’inclinaison des rayons

En faisant varier l’angle i entre le rayon lumineux et la perpendiculaire à la surface, on fait varier la surface S’ éclairée.

1 m2

Surface éclairée

1 m2 1,22 m2 2 m2

1 m21 m2

S’ S’ S’

S

4°) En faisant varier l’angle d’inclinaison i, que fait-on varier ? Comment varie la surface éclairée S’ en fonction de l’angle incident ?

I  I  °)    Explication du climat sur Terre   

a°) Variation avec la latitude λ

Doc 1 :  Surface éclairée en fonction de la latitude

A cause de la rotondité de la Terre, deslieux de latitudes différentes auront despuissances surfaciques reçues au soldifférentes.

La surface éclairée augmente avec lalatitude.

On donne ci-dessous, la température moyenne des villes se situant aux latitudes précédentes:

Sintang(Indonésie)

Osaka(Japon)

Fort Smith(Canada)

Latitude λ 0° 35° N 60° N

Température moyenne 26,9°C 15,9°C -3,0 °C

1°) Comment varie la température moyenne à la surface terrestre de l’équateur vers les pôles ?

2°) A l’équinoxe, déterminer la valeur de l’angle i (inclinaison) que forme les rayons lumineux avec la verticale des villes précédentes.

3°) a°) Calculer la puissance P reçue par S = 1,0 m² de surface perpendiculaire au rayonnement sur Terre. b°) Cette puissance P arrive sur la surface S’, calculer alors la puissance surfacique PS’ reçue au sol dans chacune de ces villes.

4°) Faire alors le lien avec la température moyenne.

5°) Combien de zones climatiques peut-on distinguer globalement sur Terre ? Compléter alors le schéma ci-dessous avec les termes suivants : zone tempérée, zone polaire, zone tropicale

b°) Variations saisonnières

Doc 2 : explication des saisons

L’axe de rotation de la Terre est incliné de 23,5° environ par rapport à l’écliptique et il pointe toujours dans lamême direction (vers l’étoile polaire).

Pour une même latitude et du fait de la révolution de la Terre sur son orbite, l’inclinaison des rayons solairesvarie au cours de l’année.

1°) Comparer qualitativement la puissance surfacique à Paris au solstice d’hiver et au solstice d’été.

2°) Si l’inclinaison de l’axe de rotation de la Terre valait 0°, y aurait-il des saisons ? Justifier.

3°) Comparer l’apparition des saisons dans l’hémisphère nord et sud.

4°) Le saisons s’expliquent-elles par la distance de la Terre au Soleil ?

Solstice d’été (midi solaire) Solstice d’hiver (midi solaire)

147×106 km152×106 km

c°) Variation diurne

Doc 3 :  course du Soleil dans la journée

Durant la journée, le Soleil s’élève dans le ciel puis se couche. L’inclinaison des rayons lumineux varie donc au cours de la journée.

L’inclinaison i est grande au levé du Soleil (rayons rasants) et est la plus basse à midi solaire (point culminant).

1°) A quel moment de la journée, la puissance surfacique reçue est-elle la plus grande ? Justifier.

2°) Expliquer rapidement l’évolution journalière des températures.

I  II   °)    Moyenne de températures   

On donne ci-dessous, l’évolution mensuelle des températures au Vigan :

1°) Quel calcul faut-il faire pour avoir la température moyenne (1ère ligne)

2°) Calculer la température moyenne annuelle au Vigan.

3°) Représenter sur papier millimétré, l’évolution de la température moyenne au cours de l’année.

4°) Expliquer rapidement l’origine de ces variations.

Résumé

La puissance radiative reçue dépend de la …….…………..…. :

Plus PS est ..…….. et plus le sol est …..……………………………………..

La valeur de la surface S éclairée va dépendre de son …..………………. (angle entre le rayon lumineux et la normale à la surface).

..……………………..…………………..……………….………….………..…….……..……..……………………………….…….………..…….…………………..

Sur Terre, l’inclinaison des rayons va dépendre de :

- ..………..………….………………….……………. - ..………..…..……..…..…..…..…..……..…..…..…. - ..…………..…..…..……..…..…..……..…..…..…...

……………………... ……………………... ……………………...

Remarque : ………….….….……..….….….….….….……..….….….….….……..….….….….….….….…..

S

Pour les matheux :

- Quel est le lien mathématique entre S et S’ ? (voir animation géogébra)Prenons le cas d’un rayon ayant la forme d’un prisme de section carré:

1°) a°) La surface S est un carré de côté a. Quelle est la surface S de ce carré ?b°) Quelle relation trigonométrique lie a et a’ ?c°) La surface éclairée S’ est un rectangle de côtés a et a’. En déduire la surface S’.d°) En déduire la relation entre S et S’.

2°) Pour les matheux : montrer que l’inclinaison i des rayons solaires par rapport à la verticale du lieu d’observation lors du solstice d’été vaut i = λ – 23,5° (pour le solstice d’hiver i = λ + 23,5°)

Vue de face

S

S’a

a’i

a

a’

ai

La Terre au solstice d’été

NOM du professeur : Roux                                             Date d’utilisation du matériel  :  de à

Classes  : 1ESNombre de paillasses  :  8Salle  : chimie

Matériel et produits par paillasse élève

MATÉRIEL PRODUITS et RÉACTIFS- rien - rien

Bureau professeur

MATÉRIEL PRODUITS et RÉACTIFS- un globe terrestre- une lampe de bureau- une bande de carton avec des trous régulièrement espacés + potence + noix + 1 pince

- 1 potence + noix + carton noir ou papier noir (type canson noir)- un thermomètre infrarouge (je ramène)

- rien

 MERCI Danielle