Ens. ScientifiqueChapitre 2

Le Soleil, notre source d'énergie — fusion nucléaire et bilan radiatif

L'essentiel en 30 secondes

Le Soleil produit son énergie par fusion de l'hydrogène en hélium dans son cœur à ~15 millions de K (réaction p-p, libérant 26,7 MeV par réaction). Cette énergie est rayonnée sous forme d'ondes électromagnétiques. La puissance reçue par la Terre dépend de la constante solaire (~1 361 W/m²) et de l'albédo (~0,30). Le bilan radiatif terrestre compare l'énergie reçue du Soleil et l'énergie réémise par la Terre en infrarouge : à l'équilibre, $T_e \approx 255$ K, et l'effet de serre porte la température réelle à ~288 K.

Les notions à connaître

Réaction proton-proton (chaîne p-p): Suite de réactions de fusion transformant 4 noyaux d'hydrogène en 1 noyau d'hélium-4, avec libération de ~26,7 MeV ( $E = \Delta m \cdot c^2$ ). Se produit au cœur du Soleil à ~15 millions de K.
Constante solaire: Puissance rayonnée par le Soleil reçue par unité de surface perpendiculaire aux rayons, à la distance Terre-Soleil : $F_s \approx 1\,361\;\text{W}\cdot\text{m}^{-2}$ .
Puissance radiative (loi de Stefan-Boltzmann): Tout corps de température T émet un rayonnement électromagnétique dont la puissance par unité de surface vaut $\sigma T^4$ . Plus le corps est chaud, plus il rayonne (en T⁴ !).
Bilan radiatif: Différence entre la puissance totale absorbée par la Terre et la puissance totale réémise vers l'espace. À l'équilibre : puissance absorbée = puissance émise.
Albédo: Fraction de la puissance solaire réfléchie par une surface (0 = tout absorbé, 1 = tout réfléchi). Albédo moyen terrestre ≈ 0,30. Varie selon la surface.
Loi de Wien: Le maximum d'émission d'un corps noir est à la longueur d'onde $\lambda_{\max} = \frac{2{,}898 \times 10^{-3}}{T}$ (m). Soleil (5 778 K) : max dans le visible (~500 nm). Terre (288 K) : max dans l'infrarouge (~ $10 \mu m).$
Spectre électromagnétique: Classification des ondes EM par longueur d'onde : gamma < X < UV < visible (400-700 nm) < IR < micro-ondes < radio. Le Soleil émet principalement dans le visible et l'IR.

Les erreurs à éviter en ens. scientifique

Confondre effet de serre naturel et réchauffement climatique.
L'effet de serre naturel est vital (+33 °C). Le problème est l'effet de serre ADDITIONNEL dû aux émissions humaines de $CO_2, CH_4$ …
Utiliser des °C dans la loi de Stefan-Boltzmann.
T doit être en kelvins (K). Conversion : $T(\text{K}) = T(°\text{C}) + 273{,}15$ . Erreur très fréquente au bac !
Croire que la constante solaire varie beaucoup.
Elle varie de moins de 0,1 % au cours du cycle solaire de 11 ans. Elle est quasi constante à l'échelle humaine.
Oublier le facteur 4 dans la formule de température d'équilibre.
La Terre intercepte sur un disque ( $\pi R^2$ ) mais réémet sur toute sa sphère ( $4\pi R^2$ ). D'où le facteur 4 au dénominateur.
Confondre puissance et énergie.
La puissance (W) est un débit d'énergie par seconde. L'énergie (J) = puissance $\times$ temps. $1\;\text{kWh} = 3{,}6 \times 10^6\;\text{J}$ .

Sais-tu répondre à ces questions ?

Les corrigés détaillés sont dans le quiz du chapitre.

Quelle réaction produit l'énergie du Soleil ?
Quel est l'ordre de grandeur de la température à la surface du Soleil ?
L'énergie solaire reçue par la Terre est principalement sous forme de :
La puissance radiative reçue par unité de surface terrestre dépend :
La constante solaire est d'environ :

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