Le rayonnement solaire (2)

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…
Temps du 1er janvier
au 31 décembre
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
temporelles du rayonnement solaire (2)
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
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)
23°27’
66°33’
Pôle Nord
Cercle Polaire
23°27’
0°
23°27’
Plan de l’écliptique
Cercle Polaire
Pôle Sud
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
L’obliquité de la Terre (2)
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’
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
Hiver hémisphérique
Eté hémisphérique
23,27°
Rayonnement solaire
23,27° N
Ecliptique
23,27° S
Hiver hémisphérique
Eté hémisphérique
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)
Equinoxe d’automne
23 septembre
(Zénith: tropique du
Capricorne)
Solstice d’Hiver
22 décembre
Aphélie 3 juillet
Périhélie 3 janvier
21 juin
Solstice d’été
(Zénith: tropique du
Cancer
21 mars
Equinoxe de printemps
Le solstice du 22 décembre …
23,27°
Pôle Nord
Déclinaisons solaires
à plusieurs latitudes
FLUX SOLAIRE
Tropique nord 43°06’
équateur 66°3’
tropique sud 90°
cercle polaire 46°54’
Pôle Sud
Angles d’incidence et longueur du jour
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
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
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° audessus 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…
La longueur du jour (2)
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…
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 ?
Exercices (2)
• 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 (3)
Exercices (4)