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PHENOMENES RADIATIFS |
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 L’essentiel de l’énergie qui est à l’origine des phénomènes météorologiques nous vient directement du Soleil. L’énergie apportée au système Terre - Atmosphère par la Lune, les planètes et les étoiles sont négligeables.
Les différents modes de transmissions de la chaleur :
La chaleur est un transfert d’énergie qui s’effectue d’une source chaude vers une source froide. La source chaude se refroidit en cédant de la chaleur à la source froide qui au contraire se réchauffe. Ainsi les températures des 2 sources tendent à s’homogénéiser.
Les transferts de chaleur peuvent s’effectuer par :
La conduction
La conduction est le transfert de chaleur au sein d’un matériau (avec une différence de températures au sein de celui-ci) ou au contact de 2 matériaux de températures différentes. La conduction n’est pas associée à un déplacement de matière. Les échanges entre le sol et l’atmosphère peut se faire par conduction, mais ne concerne qu’une fine pellicule de l’atmosphère (les premiers centimètres). La conduction n’est pas efficace sur l’épaisseur de la troposphère.
La convection
Dans le cas de la convection, un volume d’air se déplace verticalement (on parle en météo de convection pour les mouvements verticaux et d’advection pour les mouvements horizontaux). Au contact du sol, l’atmosphère se réchauffe, devient moins « dense » que l’air au dessus et s’élève, remplacé par de l’air plus froid qui se réchauffe à son tour … Ce mode de transmission est plus efficace que la conduction et permet de limiter la différence de température entre les basses couches et les couches élevées.
Le Rayonnement
Le rayonnement est formé d’ondes électromagnétiques de longueurs d’onde différentes (ou de fréquences différentes). Il se transmet dans le vide, cette transmission est instantanée (vitesse de la lumière).
Suivant la longueur d’ondes, on peut distinguer le rayonnement ultraviolet de courtes longueurs d’ondes, le rayonnement visible (la lumière) et le rayonnement infrarouge, de grande longueur d’onde. Le rayonnement ultraviolet est le plus énergétique, il est dangereux pour les êtres vivants, il est assez énergétique pour être à l’origine de réactions chimiques ; la couche d’ozone l’absorbe en grande partie. Le rayonnement infrarouge est quant à lui le moins énergétique.
Tout corps rayonne (émet de l’énergie).
Tout corps qui rayonne se refroidit et tout corps qui absorbe de l’énergie se réchauffe.
Plus un corps est chaud, plus il rayonne vers les courtes longueurs d’ondes.
Le Soleil avec une température de 6000°C environ rayonne dans le visible et l’UV. La Terre, beaucoup plus froide, rayonne dans l’infrarouge.
Deux corps de températures différentes échangent de l’énergie par rayonnement jusqu’à qu’ils soient à la même température (transfert de chaleur par rayonnement).
Les Changements de phases
L’évaporation de l’eau refroidit les océans et la condensation de cette vapeur dans l’atmosphère est associée à une libération de chaleur. Dans ce cas, le transfert de l’énergie appelée chaleur latente s’effectue de l’océan vers l’atmosphère. |
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Le rayonnement solaire |
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Le rayonnement solaire est émis par le Soleil. Il recouvre le domaine de l’UV, du visible et du proche infrarouge (le Soleil est un corps chaud dont la température de surface est d’environ 6000°C). Ce rayonnement se heurte à l’atmosphère terrestre.
Sans prendre en compte l’atmosphère, l’intensité du rayonnement solaire va dépendre de :
- Ce qui est émis par le Soleil, c'est-à-dire la quantité d’énergie émise
- La distance Terre Soleil : en moyenne 149 600 000 km ; le 2 janvier : 147 000 000 km (périhélie) et le 2 juillet : 152 000 000 km (aphélie)
- L’inclinaison des rayons solaires : l’intensité est d’autant plus grande que les rayons arrivent perpendiculairement à la surface.
L’énergie moyenne reçue du soleil pour une surface de 1 m² exposée perpendiculairement aux rayons solaires au sommet de l’atmosphère est appelée la constante solaire qui vaut environ 1367 W/m²; Ce n’est pas rigoureusement une constante car elle varie légèrement suivant l’activité solaire et les petites variations de la distance Terre-Soleil.
En prenant en compte l’atmosphère, le rayonnement solaire subit les phénomènes de réflexion, de diffusion, d’absorption.
- La réflexion : Une partie de l’énergie solaire (le rayonnement) est réfléchie vers l’espace. La partie réfléchie constitue l’albédo atmosphérique. En moyenne, il est de 25%, c'est-à-dire qu’en moyenne, 75% de l’énergie solaire atteindra le sol. Plus le ciel est nuageux, plus cet albédo est important. L’albédo peut atteindre 90% en présence de grands cumulonimbus.
- La diffusion : La diffusion est « l’éparpillement » du rayonnement solaire dans toutes les directions. C’est un phénomène important : il fait jour même quand on n’est pas au soleil (ombre) (ce ne serait pas le cas sans atmosphère). La diffusion dépend de la longueur d’onde. Elle est plus importante pour le bleu que pour les autres couleurs du visible. Ceci explique la couleur bleue du ciel. Sans atmosphère, le ciel serait noir et on verrait le Soleil et les étoiles en même temps.
- L’absorption : Certaines particules gazeuses absorbent les radiations solaires. C’est le cas des UV qui sont absorbés par l’ozone dans la stratosphère (couche d’ozone). Les zones où il y a absorption correspondent à des régions de l’atmosphère plus chaudes (l’absorption fournit de l’énergie (de la chaleur) à l’atmosphère)
Effet du substratum terrestre sur le rayonnement solaire :
La partie du rayonnement solaire qui atteint la surface terrestre est soit absorbée par celle-ci, soit réfléchie. La partie réfléchie est caractérisée par l’albédo de surface. L’albédo de surface peut être très différent selon le type de surface. Par exemple, il est de 10 à 20% pour les prairies, 6 à 20% pour les forêts et 90% pour la neige fraîche. Plus les rayons arrivent verticalement, moins l’albédo est fort. Dans les régions tropicales, les océans apparaissent plus sombres car la réflexion est plus faible. La partie non réfléchie est absorbée par la surface terrestre ce qui contribue à la réchauffer. Là encore les régions polaires ne sont pas favorisées, en plus de l’obliquité des rayons, elles sont souvent recouvertes de glace ou neige, surfaces pour lesquelles l’albédo de surface est important. |
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Les types de rayonnements |
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Le rayonnement terrestre :
Avec une température moyenne de 15°C, la Terre rayonne dans l’infrarouge (infrarouge thermique) ; elle est trop froide pour émettre du rayonnement visible. Ainsi, elle rayonne moins que le Soleil et vers les plus grandes longueurs d’onde. Ce rayonnement infrarouge est facilement absorbé par l’atmosphère qui alors se réchauffe. C’est l’effet de serre. Sans atmosphère (et donc sans effet de serre), la température qui règnerait sur Terre serait de -18°C. C’est essentiellement la vapeur d’eau qui est à l’origine de l’effet de serre. A moindre mesure, le dioxyde de carbone, le méthane prennent aussi leur part dans l’effet de serre en absorbant les infrarouges émis par la Terre.
Le rayonnement atmosphérique :
Comme la surface terrestre, l’atmosphère rayonne dans l’infrarouge (température du même ordre de grandeur que la surface terrestre). La vapeur d’eau, le dioxyde de carbone, le méthane rayonne dans l’infrarouge.
Bilan radiatif
Le bilan radiatif à la surface terrestre est présenté sur le schéma suivant :
En jaune, le rayonnement solaire, en rouge le rayonnement de la Terre et en vert le rayonnement de l’atmosphère.
Bilan pour une journée claire (sans nuage): il arrive au sol S’+D+A-(R’+T) > 0 : le sol se réchauffe et à son contact les basses couches de l’atmosphère.
Bilan pour une journée couverte : il arrive au sol D+A-T >0 : le sol se réchauffe mais moins que lors d’une journée claire.
Bilan pour la nuit : il arrive au sol A-T < 0, le sol se refroidit d’autant plus que A est faible. A est faible lorsque l’air est sec et dépourvu de nuages. Par temps couvert, le sol et les basses couches de l’atmosphère se refroidissent moins
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Rayonnement solaire et facteurs géographiques |
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La quantité d’énergie solaire reçue par la surface terrestre varie considérablement d’un lieu à un autre sur le globe. Elle dépend de facteurs géographiques comme la latitude, l’altitude, et la topographie.
La latitude :
La latitude intervient sur la durée de jour et donc sur la durée d’exposition au Soleil. A l’équateur, la durée du jour est à peu près constante toute l’année avec 12 heures de jour et 12 heures de nuit. Aux pôles, le soleil est visible sans discontinuité pendant 6 mois avant de disparaître également pour 6 mois. Dans l’hémisphère d’hiver, la durée du jour est inférieure à 12h et diminue avec la latitude. Dans l’hémisphère d’été, la durée du jour est supérieure à 12 heures et augmente avec la latitude.
Un exemple de la durée du jour pour l’hémisphère nord :
Latitude |
Equateur |
10°N |
Tropiques |
40°N |
50°N |
60°N |
Cercle polaire |
70°N |
80°N |
Pôle Nord |
21 juin |
12h |
12h40 |
13h30 |
14h56 |
16h18 |
18h45 |
24h |
70 jours |
137 jours |
6 mois |
21 décembre |
12h |
11h20 |
10h30 |
09h04 |
07h42 |
05h15 |
00h00 |
00h00 |
00h00 |
00h00 |
La latitude intervient également sur l’obliquité des rayons et donc sur l’intensité du rayonnement solaire. La hauteur du soleil dépend de l’heure et des saisons. A l’équateur, le Soleil est toujours très haut dans le ciel, il est au zénith aux équinoxes (printemps et automne). A l’équateur, le soleil est au plus bas lors des solstices, à 67°33’ au dessus de l’horizon. Aux tropiques, le soleil est au zénith une fois par an lors du solstice de décembre pour le tropique du Capricorne et du solstice de juin pour le tropique du Cancer. Aux pôles, le Soleil est au plus haut à 23°27’ au moment du solstice d’été.
Ainsi, autant si les régions équatoriales et tropicales sont radiativement « fournies » en énergie (soleil haut dans le ciel), ce n’est pas le cas des régions polaires, qui reçoivent finalement peu d’énergie du soleil (forte obliquité des rayons solaires). Au cours de la saison froide les régions polaires sont plongées dans l’obscurité, ce qui accroît le déséquilibre Tropique – Pôle. Au cours de la saison chaude, malgré un jour très long dans les régions polaires, les rayons rasants du Soleil ne suffisent pas à combler le déséquilibre.
Ce sont les courants océaniques, les circulations atmosphériques de grande échelle (comme les cellules de Hadley), les perturbations des moyennes latitudes qui transportent en grande partie l’énergie des rayons chaudes vers les régions polaires afin de palier à ce déséquilibre.
L’altitude :
Quand on s’élève en altitude, la couche atmosphérique traversée par le rayonnement solaire est moins épaisse. La diffusion, l’absorption et la réflexion sont moins importantes et ainsi l’intensité du rayonnement est plus importante quand on s’élève en altitude. Pourtant la température diminue car justement l’absorption par les molécules atmosphériques est moins importante. Par exemple, à 45°N et à 3000 m d’altitude, l’intensité que l’on reçoit est la même qu’au niveau de la mer à l’équateur.
La topographie :
En montagne, il existe une différence d’exposition, c’est l’opposition Adret (au soleil) / Ubac (dans l’ombre). Généralement, les versants Est sont plus éclairés que les versants Ouest du fait de la formation de nuages l’après-midi. Ceci est une caractéristique des moyennes latitudes. Dans les régions tropicales et équatoriales, comme le Soleil n’est jamais très loin du zénith, cette caractéristique n’existe pas. Dans les régions polaires, le Soleil tourne autour de l’horizon et ainsi chaque versant est éclairé.
Pour finir, notons que les facteurs météorologiques jouent également leur rôle sur le rayonnement, notamment en ce qui concerne la présence ou non de nuages.
Insolation
La fraction d’insolation est le rapport entre la durée réelle d’insolation et la durée théorique sans nuages. De partout sur Terre, le Soleil peut briller en théorie 4400 heures par an (soit en moyenne 12h par jour). Parmi les insolations les plus faibles au monde, citons la côte Pacifique canadienne avec moins de 1000 heures par an d’ensoleillement. Au contraire, les régions désertiques du Sahara et de l’Arizona atteignent les 4000 heures d’insolation par an. Quant aux régions méditerranéennes françaises, l’insolation oscille entre 2500 et 3000 heures.
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