Le SoleilStructure, données

astronomiques, insolation.

Le Soleil, une formidable centrale à Fusion Nucléaire• Le Soleil a pris naissance au sein d’un nuage d’hydrogène de

composition relative en moles : H=1; He=0,06; C, N et autres éléments <10-4

• La phase d’accrétion gravitationnelle a duré 107 années au bout desquelles le cœur avait atteint 107 K, et une masse volumique de ~150 g/cm3 (~11 fois celle du mercure dans les conditions normales).

• Ces conditions de température et de concentration permettent la fusion 4HHe débutée il y a 4,6 Gan et qui se poursuit actuellement en régime quasi permanent à 1,5.107 K. Consommation 700 Mt d’hydrogéne par seconde (F. Casoli, Th. Encrenaz-1980 )

• La composition en masse H 73%, He 23%, autres 2% (F. Casoli, Th. Encrenaz-1980 ). Un gramme de matière du Soleil est composé de 0,70 g d’hydrogène, de 0,28 g d’hélium et de 0,02 g de tous les autres éléments chimiques de la table périodique de Mendeleïev (données CEA -2000)

• le Soleil aurait consommé près de 40% de l’hydrogène disponible pour la fusion (environ 10% de sa masse), il lui resterait environ 5,5 milliards d’années de vie - Journal du CNRS (n°220 mai 2008)

Le Soleil, une étoile naine• Masse 1,99.1030 kg, R = 696 000 km• Age 4,6.109 années, durée de vie

prévue 1010 ans.• 28 000 a.l. du centre de la galaxie

(dans le bras local)• La Terre gravite actuellement à ~150

millions de km du soleil sur une trajectoire elliptique (1ère loi de Kepler) d’excentricité 0,0167 dont le Soleil est à l’un des foyers.

Structure et rayonnement• Une structure hétérogène en

couches.• Loi de Planck • Le Soleil, plus exactement sa

photosphère, rayonne approximativement comme un corps noir à 5800 K

Le rayonnement solaire / Rayonnement de corps noir.

• Spectre (détails) et constante solaire : définition, valeur la plus probable 1367 W/m². Varie très peu : fluctuations 0,1 W/m² (d’après R. Kandel 2006).

• Loi du déplacement (2ème ) loi de Wien

• Loi de Stefan - Boltzmann

Variations saisonnières • Inclinaison de l’équateur /

orbite 23°27’ (actuellement)• Solstices de décembre, de juin• Equinoxes de mars et de septembre• Variation annuelle de la distance

Terre-Soleil et de la densité de flux extraterrestre

• Influence de la distance Terre – Soleil

Variations saisonnières• Déclinaison : définition, calcul et valeur moyenne • Influence des variations annuelles de la

déclinaison : durée du jour • inclinaison des rayons : l’épaisseur de la couche

d’atmosphère traversée est en première approximation proportionnelle à 1/sin(h) pour des incidences pas trop rasantes (h est la hauteur solaire soit l’angle des rayons solaires par rapport à l’horizontale). L’absorption et la diffusion sont sensiblement proportionnelles en moyenne à cette épaisseur.

L’équation du temps• La deuxième loi de Kepler, résultant de la gravitation,

impliquent que la vitesse de la Terre sur son orbite n’est pas uniforme.

• La période de rotation sidérale de la Terre vaut 23h56mn04s, mais pour que le Soleil revienne dans le plan méridien local il faut en moyenne 24h.

• le temps qui s’écoule entre deux positions successives de la Terre pour laquelle le Soleil est dans le plan méridien local en un lieu donné, n’est pas constant. On décrit l’avance du temps solaire moyen sur le temps solaire vrai par l’équation du temps

• L’équation du temps influe peu sur la durée du jour, en revanche elle décale sensiblement l’heure du lever du Soleil.

• l’hiver dure moins longtemps dans l’hémisphère Nord (88 j) que dans l’hémisphère Sud (94 j) et les journées hivernales (~15 nov. 28 janvier) sont légèrement allongées (+29 s au 24/12) relativement à la valeur qu’elles auraient si la rotation orbitale était uniforme.

Autres conséquences de la mécanique céleste• Actuellement l’équinoxe de printemps est vers le

20 mars et la Terre est au périhélie vers le 3 janvier.

• Précession des équinoxes (mouvement rétrograde du point vernal 50,39’’/an =>T ~ 26 000 ans) : l’année tropique est inférieure d’environ 20 mn à l’année sidérale. Les interactions entre planètes provoquent des perturbations de l’orbite et aussi la rotation très lente (0,47’’/an => +0,10’’ pour le point vernal) du grand axe de l’ellipse la « précession planétaire » sans effet à court terme (T~2,8 Man).

• Nutation inclinaison de l’axe des pôles sur le plan de l’écliptique varie entre 21°5’ et 24°9’ depuis 1 million d’année (T ~ 41 000 ans)

• Variation de l’excentricité de 0% à 6% (T ~100 000 ans et 413 000 ans)

• Ces mécanismes sont les déclencheurs des glaciations.

Données météorologiques• La donnée du flux extraterrestre n’est

suffisante que pour les applications spatiales.

• Pour le dimensionnement des installations terrestres on utilise les statistiques de mesures de l’irradiation (éclairement) global, diffus, direct sur plan horizontal, ou « DNI » (densité de flux direct).

• Insolation au sol et sur les bâtiments au cours de l’année

• Insolation fonction du lieu en France• Et dans le Monde en janvier et juillet.

Insolation moyenne annuelle sur le sol horizontal :

Influence de l’atmosphère• Absorption atmosphérique• Spectre au sol• Bilan radiatif terrestre

Transparence de l’atmosphère• Le facteur de trouble de Linke• La clarté atmosphérique est le

rapport entre l’éclairement global d’une surface horizontale au sol et l’éclairement d’une surface horizontale hors atmosphère à la verticale du lieu.

Facteur de Trouble de Linke

Diffusion Rayleigh :tal =(10-0,00389/l^4)p*m/760 (ta=91%)

Diffusion par les aérosols:tdl =(10-0,0353/l^0,75)m*d/800 (td=90%)

Diffusion par l’eau :twl =(10-0,0075/l²)m*w/20 (tw=96%)

Atténuation du rayonnement direct par diffusion (m=1; t = 79%)

Influence de l’angle zénithal sur la diffusion

Spectres solaires de référence : atmosphère standard (p=760 mmHg ; w = 20mm ; d = 300 /cm3)• 1 AM0• 2 AM1• 3 AM1.5• 4 AM2

Bibliographie/Webographie• E.G. Gibson, The Quiet Sun, NASA SP – 303 publication• C. De Bergh et B.P. Fort, Solar Physics, Energie solaire – conversion et

applications, pp. 115-133, ISBN 2-222-02257-6 (1978)• http://ufe.obspm.fr/IMG/pdf_DU_Evolut-EtoilesVIDEO_2010.pdf• P. Brekke, Le Soleil notre étoile, (trad. Jean-Claude Vial), CNRS EDITIONS,

(2013)• R. M. Goody and J. C. G. Walker, Atmospheres, Foundations of Earth Science

Series.• J. A. Duffie and W. A. Beckman, Solar energy thermal process, eds. John

Wiley and Sons.• Ph. de La Cotardière, Dictionnaire de l’Astronomie, Larousse (1987).• Chr. Perrin de Brichambaut, Evaluations de l’énergie solaire incidente sur

divers capteurs, Energie solaire – conversion et applications, pp. 135-170, ISBN 2-222-02257-6 (1978)

• J. C. Brandt and P. Hodge, Solar System Astrophysics, eds. Mc Graw-Hill Book Company (1964).

• http://www.bureau-des-longitudes.fr/• Encyclopaedia Universalis• « L’astronomie » F. Casoli, Th. Encrenaz – édition Minerva• « Catastrophes climatiques – Désastres sociaux » - P. Acot – PUF (2009)