Le Soleil Structure, données astronomiques, insolation.

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1 Le Soleil Structure, données astronomiques, insolation.

2 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 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 10 7 années au bout desquelles le cœur avait atteint 10 7 K, et une masse volumique de ~150 g/cm3 (~11 fois celle du mercure dans les conditions normales). La phase d’accrétion gravitationnelle a duré 10 7 années au bout desquelles le cœur avait atteint 10 7 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 4H  He débutée il y a 4,6 Gan et qui se poursuit actuellement en régime quasi permanent à 1,5.10 7 K. Consommation 700 Mt d’hydrogéne par seconde (F. Casoli, Th. Encrenaz-1980 ) Ces conditions de température et de concentration permettent la fusion 4H  He débutée il y a 4,6 Gan et qui se poursuit actuellement en régime quasi permanent à 1,5.10 7 K. Consommation 700 Mt d’hydrogéne par seconde (F. Casoli, Th. Encrenaz-1980 )fusion 4H  HeConsommationfusion 4H  HeConsommation 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) 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 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)

3 Le Soleil, une étoile naine Masse 1,99.10 30 kg, R = 696 000 km Masse 1,99.10 30 kg, R = 696 000 km Age 4,6.10 9 années, durée de vie prévue 10 10 ans. Age 4,6.10 9 années, durée de vie prévue 10 10 ans. 28 000 a.l. du centre de la galaxie (dans le bras local) 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 (1 ère loi de Kepler) d’excentricité 0,0167 dont le Soleil est à l’un des foyers. La Terre gravite actuellement à ~150 millions de km du soleil sur une trajectoire elliptique (1 ère loi de Kepler) d’excentricité 0,0167 dont le Soleil est à l’un des foyers. elliptiqued’excentricité elliptiqued’excentricité

4 Structure et rayonnement Une structure hétérogène en couches. Une structure hétérogène en couches.structure Loi de Planck Loi de Planck Loi de Planck Loi de Planck Le Soleil, plus exactement sa photosphère, rayonne approximativement comme un corps noir à 5800 K Le Soleil, plus exactement sa photosphère, rayonne approximativement comme un corps noir à 5800 K

5 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). 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). Spectre(détails) constante solaire définition Spectre(détails) constante solaire définition Loi du déplacement (2 ème ) loi de Wien Loi du déplacement (2 ème ) loi de Wienloi de Wienloi de Wien Loi de Stefan - Boltzmann Loi de Stefan - BoltzmannStefan - BoltzmannStefan - Boltzmann

6 Variations saisonnières Inclinaison de l’équateur /orbite 23°27’ (actuellement) Inclinaison de l’équateur /orbite 23°27’ (actuellement)orbite 23°27’orbite 23°27’ Solstices de décembre, de juin Solstices de décembre, de juindécembrejuindécembrejuin Equinoxes de mars et de septembre Equinoxes de mars et de septembre Equinoxes Variation annuelle de la distance Terre- Soleil et de la densité de flux extraterrestre Variation annuelle de la distance Terre- Soleil et de la densité de flux extraterrestredistancela densité de fluxdistancela densité de flux Influence de la distance Terre – Soleil Influence de la distance Terre – SoleilTerre – SoleilTerre – Soleil

7 Variations saisonnières Déclinaison : définition, calcul et valeur moyenne Déclinaison : définition, calcul et valeur moyennedéfinitioncalculdéfinitioncalcul Influence des variations annuelles de la déclinaison : durée du jour Influence des variations annuelles de la déclinaison : durée du jourdéclinaison duréedéclinaison durée 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. 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.à 1/sin(h) à 1/sin(h)

8 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 deuxième loi de Kepler, résultant de la gravitation, impliquent que la vitesse de la Terre sur son orbite n’est pas uniforme.deuxième loi de Keplervitessedeuxième loi de Keplervitesse 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. 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 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 tempséquation du tempséquation 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’équation du temps influe peu sur la durée du jour, en revanche elle décale sensiblement l’heure du lever du Soleil.durée du jourl’heure du lever du Soleildurée du jourl’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. 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.

9 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. 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). 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). Précessionl’année tropique Précessionl’année tropique 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) 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) Variation de l’excentricité de 0% à 6% (T ~100 000 ans et 413 000 ans) Ces mécanismes sont les déclencheurs des glaciations. Ces mécanismes sont les déclencheurs des glaciations.

10 Données météorologiques La donnée du flux extraterrestre n’est suffisante que pour les applications spatiales. 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). 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 au sol et sur les bâtiments au cours de l’année Insolation Insolation fonction du lieu en France Insolation fonction du lieu en Franceen Franceen France Et dans le Monde en janvier et juillet. Et dans le Monde en janvier et juillet.le Mondele Monde

11 Insolation moyenne annuelle sur le sol horizontal :

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

13 Transparence de l’atmosphère Le facteur de trouble de Linke Le facteur de trouble de Linkefacteur de trouble de Linkefacteur 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. 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.

14 Facteur de Trouble de Linke

15 Diffusion Rayleigh :  a    ^   p*m   (  a 

16 Diffusion par les aérosols:  d    ^0,75  m*d/800 (  d 

17 Diffusion par l’eau :  w    ²  m*w/20 (  w 

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

19 Influence de l’angle zénithal sur la diffusion

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

21 Bibliographie/Webographie E.G. Gibson, The Quiet Sun, NASA SP – 303 publication 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) 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 http://ufe.obspm.fr/IMG/pdf_DU_Evolut-EtoilesVIDEO_2010.pdf http://ufe.obspm.fr/IMG/pdf_DU_Evolut-EtoilesVIDEO_2010.pdf P. Brekke, Le Soleil notre étoile, (trad. Jean-Claude Vial), CNRS EDITIONS, (2013) 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. 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. 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). 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) 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). J. C. Brandt and P. Hodge, Solar System Astrophysics, eds. Mc Graw-Hill Book Company (1964). http://www.bureau-des-longitudes.fr/ http://www.bureau-des-longitudes.fr/ http://www.bureau-des-longitudes.fr/ Encyclopaedia Universalis Encyclopaedia Universalis « L’astronomie » F. Casoli, Th. Encrenaz – édition Minerva « L’astronomie » F. Casoli, Th. Encrenaz – édition Minerva « Catastrophes climatiques – Désastres sociaux » - P. Acot – PUF (2009) « Catastrophes climatiques – Désastres sociaux » - P. Acot – PUF (2009)