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1 Constante solaire ou comment mesurer lénergie solaire reçue sur la Terre.

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2 1 Constante solaire ou comment mesurer lénergie solaire reçue sur la Terre

3 2 Définition de la constante solaire par unité de temps au niveau de lorbite de la Terre, hors de latmosphère par une surface de 1 m 2, placée perpendiculairement aux rayons solaires ? C est le flux total dénergie solaire reçu …

4 3 Lappareil de mesure le thermohéliomètresécantzéta

5 4 Description du thermosécantzétahéliomètre pièce de métal avec surface noire mate (pour absorber toutes les radiations) 1. Le récepteur 2. Une enceinte isolante 3. Un support orientable 4. Un thermomètre 5. Un chronomètre

6 5 Description du thermosécantzétahéliomètre pièce de métal avec surface noire mate (pour absorber toutes les radiations) boite garnie de polystyrène avec une plaque de fermeture en verre et un obturateur (pour minimiser tout échange de chaleur avec lextérieur) 1. Le récepteur 2. Une enceinte isolante 3. Un support orientable 4. Un thermomètre 5. Un chronomètre

7 6 Description du thermosécantzétahéliomètre pièce de métal avec surface noire mate (pour absorber toutes les radiations) boite garnie de polystyrène avec une plaque de fermeture en verre et un obturateur (pour minimiser tout échange de chaleur avec lextérieur) avec cercle gradué et fil à plomb (pour orienter la surface perpendiculairement aux rayons solaires) 1. Le récepteur 2. Une enceinte isolante 3. Un support orientable 4. Un thermomètre 5. Un chronomètre

8 7 Description du thermosécantzétahéliomètre pièce de métal avec surface noire mate (pour absorber toutes les radiations) boite garnie de polystyrène avec une plaque de fermeture en verre et un obturateur (pour minimiser tout échange de chaleur avec lextérieur) avec cercle gradué et fil à plomb (pour orienter la surface perpendiculairement aux rayons solaires) (pour repérer lélévation de température du récepteur après exposition). 1. Le récepteur 2. Une enceinte isolante 3. Un support orientable 4. Un thermomètre 5. Un chronomètre

9 8 Description du thermosécantzétahéliomètre pièce de métal avec surface noire mate (pour absorber toutes les radiations) boite garnie de polystyrène avec une plaque de fermeture en verre et un obturateur (pour minimiser tout échange de chaleur avec lextérieur) avec cercle gradué et fil à plomb (pour orienter la surface perpendiculairement aux rayons solaires) (pour repérer lélévation de température du récepteur après exposition). (pour mesurer la durée de lexposition) 1. Le récepteur 2. Une enceinte isolante 3. Un support orientable 4. Un thermomètre 5. Un chronomètre

10 9 Description du thermosécantzétahéliomètre pièce de métal avec surface noire mate (pour absorber toutes les radiations) boite garnie de polystyrène avec une plaque de fermeture en verre et un obturateur (pour minimiser tout échange de chaleur avec lextérieur) avec cercle gradué et fil à plomb (pour orienter la surface perpendiculairement aux rayons solaires) (pour repérer lélévation de température du récepteur après exposition). (pour mesurer la durée de lexposition) 1. Le récepteur 2. Une enceinte isolante 3. Un support orientable 4. Un thermomètre 5. Un chronomètre

11 10 Principe de la manipulation 1. Energie reçue par le récepteur, situé sur le sol terrestre : 2. Puissance absorbée par le récepteur : avec : t = durée de lexposition (en secondes) avec : m masse du récepteur (en kg) c chaleur massique du métal (en J.kg -1.°C -1 ) i et f températures initiale et finale du récepteur (en °C ) exprimée en watts Q = m. c. () Q = m. c. ( f - i ) exprimée en joules

12 11 3. Evaluation de labsorption par latmosphère terrestre : OZ = h, épaisseur de latmosphère, supposée constante au cours des mesures avec sec (sécante ) : fonction inverse du cosinus x = h. sec x = h. sec, distance zénithale : angle que fait la ligne de visée avec le zénith Epaisseur d atmosphère traversée ? OM = x, longueur parcourue par les rayons solaires dans latmosphère

13 12 Loi générale de labsorption : x : épaisseur d une couche élémentaire du milieu absorbant I S : intensité du faisceau à la sortie I o : intensité du faisceau d entrée I : intensité du faisceau au niveau de l élément x intensité absorbée dans lépaisseur x : I = - k. I. x (k : caractéristique du milieu absorbant)

14 13 à lentrée, x = 0 et I = I o ln I o = c te ln I = - k. x + ln I o () = - k. x ln I = I 0. e - k x ln I est une fonction affine de x

15 14 Expression de la puissance solaire reçue sur la Terre ? p : puissance reçue par le récepteur au sol p H.A. : puissance hors atmosphère log p = log p H.A. - K. sec x = h. sec x = h. sec K dépend de - h, épaisseur de la couche d air - et de k, caractéristique de la transparence de l air (Loi de Bouguer) K est fonction des conditions atmosphériques au moment de l expérience

16 15 Comment évaluer la puissance que recevrait le récepteur s il était situé en dehors de l atmosphère ? On suppose que les conditions atmosphériques restent stables au cours de la journée au cours de la journée K est constante lépaisseur d atmosphère traversée ne dépend que hauteur de la hauteur du Soleil (c est à dire de ) au moment des mesures

17 16 on fait des mesures à différents moments de la journée sec ) et on construit le graphique log p = f (sec ) sec = 0, x = 0 par extrapolation, lordonnée à lorigine correspond à sec = 0, c est à dire x = 0 « comme si » le récepteur était « hors atmosphère » log p = log p H.A. - K. sec avec K = constante log p est une fonction affine de sec log p est une fonction affine de sec sec log p

18 17 Dans la pratique : Puissance reçue par le récepteur si la durée d exposition est la même pour toutes les mesures sec ) on peut simplement construire le graphique : log( f - i ) = f (sec ) p étant proportionnel à sec log ( f - i ) log ( f - i ) H.A ( f - i ) H.A. (puissance reçue sur une surface s)

19 18 5. Détermination de la constante solaire : avec : s = surface du récepteur exposée aux rayons solaires 6. Puissance totale rayonnée par le Soleil dans lespace : elle se répartie à la surface S dune sphère centrée sur le Soleil sphère centrée sur le Soleil P Soleil = E Soleil. 4 R 2 puissance reçue sur une surface de 1 m 2 située hors atmosphère en particulier à la surface de la sphère de rayon R égal à la distance Terre-Soleil

20 19 Mesures et calculs Caractéristiques du récepteur masse m = 1,108 kg parallélépipède en cuivre parallélépipède en cuivre surface s = 51 cm 2 = 5, m 2 chaleur massique du cuivre c = 385 J.kg -1.K -1 Mesures rapporteurfil à plomb distance zénithale : avec un rapporteur et un fil à plomb température initiale du récepteur : 1 thermomètre température finale du récepteur : 2 avec un thermomètre instant du début de la mesure : t 1 chronomètre instant de la fin de la mesure : t 2 avec un chronomètre

21 20 Tableau de mesures p = puissance absorbée par la surface s du récepteur situé au sol P = puissance reçue au sol, par unité de surface Droite de Bouguer lordonnée à lorigine de la droite de Bouguer donne log ( f - i ) H.A. ( f - i ) H.A. sec ) tracé du graphique log ( ) = f (sec )

22 21 Calcul de la constante solaire : Puissance totale rayonnée par le Soleil dans lespace : P Soleil = E Soleil. 4 d 2 avec d =distance Terre-Soleil d = m

23 22 7. Température de la surface du Soleil :Température


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