Rayonnement solaire et albédo de la Terre

La quasi-totalité de l'énergie qui arrive sur la planète Terre et qui est à l'origine des divers phénomènes météorologiques, des courants océaniques et de la répartition des écosystèmes provient du soleil. Ce rayonnement solaire intense, tel qu'il est connu en géographie physique, provient du noyau du soleil et est finalement envoyé sur la Terre après que la convection (le mouvement vertical de l'énergie) l'ait éloigné du noyau du soleil. Il faut environ huit minutes au rayonnement solaire pour atteindre la Terre après avoir quitté la surface du soleil.

Une fois que ce rayonnement solaire arrive sur Terre, son énergie est répartie de manière inégale sur le globe en fonction de la latitude. Lorsque ce rayonnement pénètre dans l'atmosphère terrestre, il frappe près de l'équateur et développe un surplus d'énergie. Comme le rayonnement solaire direct est moins important aux pôles, ceux-ci développent à leur tour un déficit énergétique. Pour maintenir l'équilibre énergétique à la surface de la Terre, l'énergie excédentaire des régions équatoriales s'écoule vers les pôles selon un cycle qui permet d'équilibrer l'énergie sur l'ensemble du globe. Ce cycle s'appelle l'équilibre énergétique Terre-Atmosphère.

Les voies du rayonnement solaire

Lorsque l'atmosphère terrestre reçoit un rayonnement solaire de courte longueur d'onde, l'énergie est appelée insolation. Cette insolation est l'apport d'énergie responsable du mouvement des différents systèmes Terre-atmosphère, comme le bilan énergétique décrit ci-dessus, mais aussi les événements météorologiques, les courants océaniques et d'autres cycles terrestres.

L'insolation peut être directe ou diffuse. Le rayonnement direct est le rayonnement solaire reçu par la surface et/ou l'atmosphère de la Terre qui n'a pas été altéré par la diffusion atmosphérique. Le rayonnement diffus est le rayonnement solaire qui a été modifié par la diffusion.

La diffusion proprement dite est l'une des cinq voies que peut emprunter le rayonnement solaire lorsqu'il pénètre dans l'atmosphère. Elle se produit lorsque l'insolation est déviée et/ou redirigée par les poussières, les gaz, la glace et la vapeur d'eau présents dans l'atmosphère. Si les ondes énergétiques ont une longueur d'onde plus courte, elles sont davantage diffusées que celles qui ont une longueur d'onde plus grande. La diffusion et la façon dont elle réagit à la taille de la longueur d'onde sont responsables de nombreuses choses que nous voyons dans l'atmosphère, telles que la couleur bleue du ciel et les nuages blancs.

La transmission est une autre voie du rayonnement solaire. Elle se produit lorsque l'énergie des ondes courtes et des ondes longues traverse l'atmosphère et l'eau au lieu de se disperser en interagissant avec les gaz et les autres particules de l'atmosphère.

La réfraction peut également se produire lorsque le rayonnement solaire pénètre dans l'atmosphère. Cette voie se produit lorsque l'énergie passe d'un type d'espace à un autre, par exemple de l'air à l'eau. Lorsque l'énergie se déplace de ces espaces, elle change de vitesse et de direction en réagissant avec les particules qui s'y trouvent. Le changement de direction entraîne souvent la courbure de l'énergie et la libération des différentes couleurs de lumière qu'elle contient, comme lorsque la lumière traverse un cristal ou un prisme.

L'absorption est le quatrième type de cheminement du rayonnement solaire et correspond à la conversion de l'énergie d'une forme à une autre. Par exemple, lorsque le rayonnement solaire est absorbé par l'eau, son énergie se déplace vers l'eau et augmente sa température. Ce phénomène est commun à toutes les surfaces absorbantes, de la feuille d'un arbre à l'asphalte.

La dernière voie d'accès au rayonnement solaire est la réflexion. C'est lorsqu'une partie de l'énergie rebondit directement dans l'espace sans être absorbée, réfractée, transmise ou dispersée. L'albédo est un terme important à retenir lors de l'étude du rayonnement solaire et de la réflexion.

Albédo

L'albédo est défini comme la qualité de réflexion d'une surface. Il est exprimé en pourcentage de l'insolation réfléchie par rapport à l'insolation entrante et zéro pour cent correspond à l'absorption totale tandis que 100 % correspond à la réflexion totale.

En termes de couleurs visibles, les couleurs plus foncées ont un albédo plus faible, c'est-à-dire qu'elles absorbent plus d'insolation, et les couleurs plus claires ont un "albédo élevé", c'est-à-dire des taux de réflexion plus importants. Par exemple, la neige réfléchit 85 à 90% de l'insolation, alors que l'asphalte n'en réfléchit que 5 à 10%.

L'angle du soleil a également un impact sur la valeur de l'albédo et les angles de soleil plus faibles créent une plus grande réflexion car l'énergie provenant d'un angle de soleil faible n'est pas aussi forte que celle provenant d'un angle de soleil élevé. En outre, les surfaces lisses ont un albédo plus élevé, tandis que les surfaces rugueuses le réduisent.

Comme le rayonnement solaire en général, les valeurs de l'albédo varient également à travers le monde en fonction de la latitude, mais l'albédo moyen de la Terre est d'environ 31 %. Pour les surfaces situées entre les tropiques (23,5°N et 23,5°S), l'albédo moyen est compris entre 19 et 38%. Aux pôles, il peut atteindre 80 % dans certaines régions. Cela s'explique par l'angle d'ensoleillement plus faible aux pôles, mais aussi par la présence plus importante de neige fraîche, de glace et d'eau libre lisse, autant de zones propices à des niveaux élevés de réflectivité.

L'albédo, le rayonnement solaire et l'homme

Aujourd'hui, l'albédo est une préoccupation majeure pour les humains du monde entier. Avec l'augmentation de la pollution atmosphérique due aux activités industrielles, l'atmosphère elle-même devient plus réfléchissante parce qu'il y a plus d'aérosols pour refléter l'insolation. En outre, le faible albédo des plus grandes villes du monde crée parfois des îlots de chaleur urbains, ce qui a un impact sur l'urbanisme et la consommation d'énergie.

Le rayonnement solaire trouve également sa place dans les nouveaux projets d'énergie renouvelable, notamment les panneaux solaires pour l'électricité et les tubes noirs pour le chauffage de l'eau. Les couleurs sombres de ces objets ont un albédo faible et absorbent donc la quasi-totalité du rayonnement solaire qui les frappe, ce qui en fait des outils efficaces pour exploiter l'énergie solaire dans le monde entier.

Indépendamment de l'efficacité du soleil dans la production d'électricité, l'étude du rayonnement solaire et de l'albédo est essentielle à la compréhension des cycles météorologiques de la Terre, des courants océaniques et de l'emplacement des différents écosystèmes.