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Le rayonnement solaire (2)
CO1 – Climatologie et hydrologie
Le plan du TD
La variabilité saisonnière Les variations temporelles du rayonnement solaire Le RS absorbé en surface L’obliquité de la Terre La révolution de la Terre autour du soleil Equinoxes et solstices Angles d’incidence et longueur du jour Les variations temporelles de la déclinaison solaire La longueur du jour A retenir Exercices
La variabilité saisonnière
o Le climat fluctue à divers échelles temporelles mais le premier forçage (et le plus important) est celui des cycles saisonniers
o Ce forçage est identique d’une année sur l’autre et conditionne notamment les stades phénologiques des plantes ….
o Par exemple la variabilité des températures mensuelles à Marseille est plus forte d’une saison sur l’autre que la variabilité inter-annuelle d’une même saison
o Mais l’amplitude de la variabilité saisonnière du RS absorbé (et donc de la température) n’est pas la même en fonction de la latitude…
temporelles du rayonnement solaire (1)
Évolution temporelle (moyenne mensuelle) de la moyenne zonale du RS incident en haute atmosphère (haut), du RS incident en surface (milieu) et du RS absorbé en surface (bas). Les valeurs sont en W/m² et ont été moyennées sur la période 1958-2000
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o Le maximum de RS incident au sommet de l'atmosphère (> 500 W/m2) se décale du pôle sud en décembre au pôle nord en juin o L’hémisphère sud reçoit plus de RS que l’hémisphère nord en décembre et inversement en juin o Les valeurs sont quasi-constantes toute l’année au-dessus de l’équateur o L’évolution est quasi-identique pour les autres champs climatiques (2 et 3) o On remarque toutefois que le RS absorbé en surface (c'est-à-dire la quantité d'énergie qui va servir par exemple à échauffer le sol) n'est pas maximal à l’équateur mais plutôt vers 25°-30°S en décembre/janvier et vers 25°-30°N en juin/juillet
temporelles du rayonnement solaire (2)
Géographies du RS absorbé en surface (JJA et DJF)
o Décroissance latitudinale de part de d’autre d’un maximum (>240 W/m2) situé vers 30°S en janvier et vers 30°N en juillet
o Décroissance plus forte dans l’HN en janvier et dans l’HS en juillet + maximas dans l’HN en juillet localisés sur les continents
Explication: l’origine de ce forçage climatique est l’obliquité de la terre par rapport à son axe de rotation…
L’obliquité de la Terre (1)
Pôle Nord
Cercle Polaire
Plan de l’écliptique
Pôle Sud
0°
23°27’
23°27’
66°33’
Cercle Polaire
23°27’
La position des tropiques et des cercles polaires est calculée par rapport à l’obliquité de la Terre qui est actuellement de 23°27’. Cette valeur change légèrement tous les 41 000 ans
o Rotation de la terre sur elle-même selon l’axe des pôles en 23h56 min. Cette rotation ne se fait pas dans un plan parallèle au plan de l’écliptique (plan de la révolution de la terre et des autres planètes du système solaire) mais dans un plan incliné de 23°27’
o Cet et angle définit l’obliquité
o L’obliquité correspond donc à l’angle entre le plan équatorial terrestre et le plan de l’écliptique (23°27’)
o (90°- obliquité) = latitude des cercles polaires (=66°33’)
o Latitudes des tropiques nord (tropique du Cancer) et sud (tropique du Capricorne) = 23°27’
L’obliquité de la Terre (2)
Révolution de la Terre
o Année solaire de 365.25 jours = 1 tour complet autour du soleil (148-152 millions de km). Les 6 heures restantes se rattrapent lors des années bissextiles o Seule Pluton ne suit pas le plan de l’écliptique (déclassée en 2008 du système solaire)
Les saisons hémisphériques
Ecliptique
Rayonnement solaire
Eté hémisphérique
Eté hémisphérique
Hiver hémisphérique
Hiver hémisphérique
23,27° N
23,27° S
23,27°
Solstices et équinoxes (1)
o Les équinoxes = moments de l’année (21/3 et 23/9) où le cercle d’illumination se confond avec l’axe des pôles. Cela correspond au moment de l’année où le jour dure 12h partout et ou le soleil est à 90° au-dessus de l’horizon à l’équateur o Les solstices = moment de l’année (21/6 et 22/12) où l’angle entre le cercle d’illumination et l’axe des pôles est maximal (23°27’) = moment où le soleil est à 90° au-dessus de l’horizon à 12h solaires au-dessus du Tropique Nord (21/6) et du Tropique sud (22/12) o Aphélie = moment où la terre est la plus éloignée du soleil (3/7) o Périhélie = moment où la terre est la plus proche (3/1) o Ces différences (périhélie et aphélie) n’expliquent en aucun cas les variations saisonnières (ces dates changent au cours du temps :un tour complet en 20000 ans environ) o Elles sont à l’origine du fait que le RS incident au-dessus de l’HS fin décembre soit un peu plus important que le RS incident au-dessus de l’HN fin juin
Solstices et équinoxes (2)
(Zénith: tropique du Capricorne) Solstice d’Hiver 22 décembre
Périhélie 3 janvier
21 mars Equinoxe de printemps
Aphélie 3 juillet
21 juin Solstice d’été (Zénith: tropique du Cancer
Equinoxe d’automne 23 septembre
Le solstice du 22 décembre …
cercle polaire 46°54’
équateur 66°3’
tropique sud 90°
Tropique nord 43°06’
Pôle Nord
Pôle Sud
23,27°
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Angles d’incidence et longueur du jour
o La déclinaison solaire ( ) désigne la latitude où le soleil est à 90° au-dessus de l’horizon et est négative quand elle se place dans l’HS
o Les variations temporelles de l’angle d’incidence et de la longueur du jour…
o Les valeurs de l’angle d’incidence à 12h solaires (=i) à la latitude L peuvent être calculés par:
si la déclinaison et la latitude sont dans 2 hémisphères différentes
si la déclinaison et la latitude sont dans la même hémisphère
La déclinsaison solaire
o |x| signifie la valeur absolue de x (par exemple |-3|=3) o La déclinaison solaire (δ) désigne la latitude où le soleil est à 90° au-dessus de l'horizon et est négative (comme la latitude) quand elle se place dans l’hémisphère sud o Par exemple, pour le 22/12 ; δ = - 23°27’S à 12 h locales, la hauteur du soleil à • 30°N sera égale à i = 90°-|23°27' + 30°|= 90° - 53°27' = 36°33’ • 30°S (-30°), sera égale à i = 90°-[23°27' - 30°|= 90° - 6°33' = 83°27’ • Pôle sud (-90°), sera égale à i = 90°-|23°27' - 90°|= 90° - 66°33' = 23°27’ o Quand i est négatif, cela signifie bien entendu qu'il est sous l'horizon et qu'il fait donc nuit ; par exemple le 22/12 à 70°N ; i = 90° - |23°27' + 70°| = 90° - 93°27' = -3° 27’
temporelles de la déclinsaison solaire
o La déclinaison solaire varie de 23°27’N (Tropique du Cancer) au solstice du 21/6 à 23°27’S (tropique du Capricorne) au solstice du 22/12 et vaut 0° au moment des deux équinoxes (21/3 et 23/9)
La longueur du jour (1)
o Il y a de fortes variations temporelles en raison de l’obliquité. Si l’obliquité était nulle, le cercle d’illumination serait toujours aligné avec l’axe des pôles et le jour durait tout le temps 12 heures à toutes les latitudes. Mais comme l’obliquité = 23°27’, le cercle d’illumination ne correspond à l’axe des pôles qu’aux équinoxes. Aux solstices, le cercle d’illumination fait un angle de 23°27’ avec l’axe des pôles et le jour dure alors au moins 24 heures sur le pôle situé dans l’hémisphère d’été…
o A l’équateur, le soleil est toujours haut dans le ciel (jamais moins de 66°33’) et le jour dure donc 12 h toute l’année o Aux tropiques, la durée du jour varie peu… o A 90°N et S: une nuit de 6 mois entre l’équinoxe d’automne et de printemps succède à une journée de 6 mois entre l’équinoxe de printemps et l’équinoxe d’automne o Au niveau des cercles polaires, une nuit de 24h et une illumination continue de 24h aux solstices d’hiver et d’été o Aux latitudes moyennes, la durée du jour varie moins qu’au niveau de la zone polaire mais plus qu’au niveau de la zone tropicale o Ces variations sont la cause primordiale des variations saisonnière des températures o D’autres facteurs comme la couverture nuageuse ou neigeuse peuvent atténuer ou amplifier ces variations saisonnières…
La longueur du jour (2)
À retenir
L’obliquité se définit par l’angle entre le plan équatorial terrestre et le plan de l’écliptique ( = plan de révolution de la terre et des autres planètes du système solaire – sauf Pluton)
L’obliquité entraîne des variations dans le RS incident au cours de l’année en modifiant l’angle d’incidence des RS et la durée du jour. Les variations sont minimales à l’équateur (jours de 12 heures toute l’année) et augmentent avec la latitude
La zone polaire connaît des nuits de 24h et une journée de 24h (aux solstices à 66°33’ de latitude), mais le soleil ne monte jamais très haut dans le ciel
Aux moyennes latitudes: l’hiver connaît des jours brefs et un soleil bas tandis que l’été est caractérisé par des jours longs et un soleil haut dans le ciel
Exercices (1)
• Est-ce que la distance terre-soleil est constante toute l'année ? Est-ce que ce paramètre joue un rôle dans les variations saisonnières de RS incident à une latitude donnée ? • Calculez l’angle d’incidence des rayons solaires à 12 h solaires (13h légales en hiver et 14h légales en été à la latitude d’Aix en Provence ou de Marseille) les 22/12, 21/3, 21/6 et 23/9 • Sachant que la déclinaison vaut 20°30’S le 21 novembre, calculez la latitude à partir de laquelle le soleil n’apparaît plus dans le ciel au cours de la journée, c’est-à-dire que la hauteur du soleil à 12 h légales y est égale à 0 ; faîtes le même calcul pour le 10 avril (d = 7°42’N) ] • Parmi les affirmations suivantes, lesquelles sont vraies ? • Il y a 6 mois de jour et de nuit continue au nord du cercle polaire arctique ? • La longueur du jour ne varie pas au cours de l’année à l’équateur ?
• Les équinoxes sont les deux seules dates de l’année où le jour (et la nuit) durent 12 heures partout sur la terre ? • La rotondité de la terre est le principal facteur du balancement saisonnier ? • La longueur du jour le 23 août est maximale au pôle nord ? • Le jour est plus long à 60°N qu’à 25°S le 12 septembre ? • Le soleil est plus haut à 60°N qu’à 25°S le 12 septembre à 12 h locales ?
Exercices (2)
Exercices (3)
Exercices (4)
