Le SoleilLe Soleil

Structure, données Structure, données astronomiques, insolation.astronomiques, insolation.

Le Soleil, une formidable Le Soleil, une formidable centrale à Fusion Nucléairecentrale à Fusion Nucléaire• Le Soleil a pris naissance au sein d’un nuage d’hydrogène de 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 composition relative en moles : H=1; He=0,06; C, N et autres éléments <10éléments <10-4-4

• La phase d’accrétion gravitationnelle a duré 10La phase d’accrétion gravitationnelle a duré 107 7 années au bout années au bout desquelles le cœur avait atteint 10desquelles le cœur avait atteint 1077 K, et une masse volumique de K, et une masse volumique de ~150 g/cm3 (~11 fois celle du mercure dans les conditions normales). ~150 g/cm3 (~11 fois celle du mercure dans les conditions normales).

• Ces conditions de température et de concentration permettent la Ces conditions de température et de concentration permettent la fusion 4HHe qui se poursuit actuellement en régime quasi qui se poursuit actuellement en régime quasi permanent à 1,5.10permanent à 1,5.1077 K. K. Consommation 700 Mt d’hydrogéne par 700 Mt d’hydrogéne par seconde (F. Casoli, Th. Encrenaz-1980 )seconde (F. Casoli, Th. Encrenaz-1980 )

• La composition en masse H 73%, He 23%, autres 2% (F. Casoli, Th. La composition en masse H 73%, He 23%, autres 2% (F. Casoli, Th. Encrenaz-1980 ). Un gramme de matière du Soleil est composé de 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 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 éléments chimiques de la table périodique de Mendeleïev (données CEA -2000)CEA -2000)

• D’après le Journal du CNRS (n°220 mai 2008) le Soleil aurait D’après le Journal du CNRS (n°220 mai 2008) le Soleil aurait consommé près de 40% de l’hydrogène disponible pour la fusion consommé près de 40% de l’hydrogène disponible pour la fusion (environ 10% de sa masse), il lui resterait donc environ 6 milliards (environ 10% de sa masse), il lui resterait donc environ 6 milliards d’année de vie.d’année de vie.

Le Soleil, une étoile naineLe Soleil, une étoile naine• Masse 1,99.10Masse 1,99.103030 kg, R = 696 000 km kg, R = 696 000 km• Age 4,6.10Age 4,6.1099 années, durée de vie années, durée de vie

prévue 9,5.10prévue 9,5.1099 ans. ans.• 28 000 a.l. du centre de la galaxie (dans 28 000 a.l. du centre de la galaxie (dans

le bras local)le bras local)• La Terre gravite actuellement à ~150 La Terre gravite actuellement à ~150

millions de km du soleil sur une millions de km du soleil sur une trajectoire trajectoire elliptique d’excentricité 0,0167 dont le Soleil est à l’un des 0,0167 dont le Soleil est à l’un des foyers.foyers.

Structure et rayonnementStructure et rayonnement

• Une Une structure hétérogène en hétérogène en couches.couches.

•Loi de Planck

• Le Soleil, plus exactement sa Le Soleil, plus exactement sa photosphère, rayonne photosphère, rayonne approximativement comme un corps approximativement comme un corps noir à 5800 Knoir à 5800 K

Le rayonnement solaire / Le rayonnement solaire / Rayonnement de corps noir.Rayonnement de corps noir.

•Spectre (détails) et et constante solaire : : définition, valeur la plus probable 1367 , valeur la plus probable 1367 W/m². Varie très peu : fluctuations 0,1 W/m². Varie très peu : fluctuations 0,1 W/m² (d’après R. Kandel 2006). W/m² (d’après R. Kandel 2006).

• Loi du déplacement (2Loi du déplacement (2èmeème ) ) loi de Wien

• Loi de Loi de Stefan - Boltzmann

Variations saisonnières Variations saisonnières

• Inclinaison de l’équateur /Inclinaison de l’équateur /orbite 23°27’ (actuellement)(actuellement)

• Solstices de Solstices de décembre, de , de juin

•Equinoxes de mars et de septembre de mars et de septembre

• Variation annuelle de la Variation annuelle de la distance Terre-Soleil et de Terre-Soleil et de la densité de flux extraterrestreextraterrestre

• Influence de la distance Influence de la distance Terre – Soleil

Variations saisonnièresVariations saisonnières

• Déclinaison : Déclinaison : définition, , calcul et valeur moyenne et valeur moyenne • Influence des variations annuelles de la Influence des variations annuelles de la

déclinaison : : durée du jour du jour • inclinaison des rayons : l’épaisseur de la couche inclinaison des rayons : l’épaisseur de la couche

d’atmosphère traversée est en première d’atmosphère traversée est en première approximation proportionnelle approximation proportionnelle à 1/sin(h) pour des pour des incidences pas trop rasantes (h est la hauteur incidences pas trop rasantes (h est la hauteur solaire soit l’angle des rayons solaires par rapport solaire soit l’angle des rayons solaires par rapport à l’horizontale). L’absorption et la diffusion sont à l’horizontale). L’absorption et la diffusion sont sensiblement proportionnelles en moyenne à sensiblement proportionnelles en moyenne à cette épaisseur.cette épaisseur.

L’équation du tempsL’équation du temps

• Les lois de Kepler, résultant de la gravitation, impliquent Les lois de Kepler, résultant de la gravitation, impliquent que la vitesse de la Terre sur son orbite n’est pas uniforme.que la vitesse de la Terre sur son orbite n’est pas uniforme.

• La période de rotation sidérale de la Terre vaut La période de rotation sidérale de la Terre vaut 23h56mn04s, mais pour que le Soleil revienne dans le plan 23h56mn04s, mais pour que le Soleil revienne dans le plan méridien local il faut en moyenne 24h.méridien local il faut en moyenne 24h.

• le temps qui s’écoule entre deux positions successives de la le temps qui s’écoule entre deux positions successives de la Terre pour laquelle le Soleil est dans le plan méridien local Terre pour laquelle le Soleil est dans le plan méridien local en un lieu donné, n’est pas constant. On décrit l’avance du en un lieu donné, n’est pas constant. On décrit l’avance du temps solaire moyen sur le temps solaire vrai par l’équation temps solaire moyen sur le temps solaire vrai par l’équation du tempsdu temps

• l’hiver dure moins longtemps dans l’hémisphère Nord (88 j) l’hiver dure moins longtemps dans l’hémisphère Nord (88 j) que dans l’hémisphère Sud (94 j) et les journées hivernales que dans l’hémisphère Sud (94 j) et les journées hivernales (~15 nov. (~15 nov. 28 janvier) sont légèrement allongées (+29 s 28 janvier) sont légèrement allongées (+29 s au 24/12) relativement à la valeur qu’elles auraient si la au 24/12) relativement à la valeur qu’elles auraient si la rotation orbitale était uniforme.rotation orbitale était uniforme.

Autres conséquences de la Autres conséquences de la mécanique célestemécanique céleste• Actuellement l’équinoxe de printemps est vers le 20 mars Actuellement l’équinoxe de printemps est vers le 20 mars

et la Terre est au périhélie vers le 3 janvier.et la Terre est au périhélie vers le 3 janvier.• Précession des équinoxes (mouvement rétrograde du point Précession des équinoxes (mouvement rétrograde du point

vernal 50,39’’/an =>T ~ 26 000 ans) : l’année tropique est vernal 50,39’’/an =>T ~ 26 000 ans) : l’année tropique est inférieure d’environ 20 mn à l’année sidérale. Les inférieure d’environ 20 mn à l’année sidérale. Les interactions entre planètes provoquent des perturbations interactions entre planètes provoquent des perturbations de l’orbite et aussi la rotation très lente (0,47’’/an => 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 +0,10’’ pour le point vernal) du grand axe de l’ellipse la « précession planétaire » sans effet à court terme (T~2,8 « précession planétaire » sans effet à court terme (T~2,8 Man).Man).

• Nutation inclinaison de l’axe des pôles sur le plan de Nutation inclinaison de l’axe des pôles sur le plan de l’écliptique varie entre 21°5’ et 24°9’ depuis 1 million l’écliptique varie entre 21°5’ et 24°9’ depuis 1 million d’année (T ~ 41 000 ans)d’année (T ~ 41 000 ans)

• Variation de l’excentricité de 0% à 6% (T ~100 000 ans et Variation de l’excentricité de 0% à 6% (T ~100 000 ans et 413 000 ans)413 000 ans)

• Ces mécanismes sont les Ces mécanismes sont les déclencheursdéclencheurs des glaciations. des glaciations.

Données météorologiquesDonnées météorologiques

• La donnée du flux extraterrestre n’est pas La donnée du flux extraterrestre n’est pas suffisantes pour les applications au sol. Il suffisantes pour les applications au sol. Il faut faire appel aux statistiques de mesures faut faire appel aux statistiques de mesures du rayonnement global, diffus ou direct.du rayonnement global, diffus ou direct.

• Insolation au sol et sur les bâtiments au Insolation au sol et sur les bâtiments au cours de l’annéecours de l’année

• Insolation fonction du lieu en FranceInsolation fonction du lieu en France

• Et dans le Monde en janvier et juillet.Et dans le Monde en janvier et juillet.

Insolation moyenne Insolation moyenne annuelle sur le sol annuelle sur le sol horizontal :horizontal :

Influence de l’atmosphèreInfluence de l’atmosphère

• Absorption atmosphériqueAbsorption atmosphérique

• Spectre au solSpectre au sol

• Bilan radiatif terrestreBilan radiatif terrestre

Transparence de Transparence de l’atmosphèrel’atmosphère

• Le facteur de trouble de LinkeLe facteur de trouble de Linke

• La clarté atmosphérique est le La clarté atmosphérique est le rapport entre l’éclairement global rapport entre l’éclairement global d’une surface horizontale au sol et d’une surface horizontale au sol et l’éclairement d’une surface l’éclairement d’une surface horizontale hors atmosphère à la horizontale hors atmosphère à la verticale du lieu.verticale du lieu.

Facteur de Trouble de LinkeFacteur de Trouble de Linke

Diffusion Rayleigh :Diffusion Rayleigh :aa^̂p*mp*m((aa

Diffusion par les aérosols:Diffusion par les aérosols:dd^0,75^0,75m*d/800 m*d/800 ((dd

Diffusion par l’eau :Diffusion par l’eau :ww²²m*w/20 m*w/20 ((ww

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

Influence de l’angle zénithal Influence de l’angle zénithal sur la diffusionsur la diffusion

Spectres solaires de référence : Spectres solaires de référence : atmosphère standard (p=760 atmosphère standard (p=760 mmHg ; w = 20mm ; d = 300 mmHg ; w = 20mm ; d = 300 /cm3)/cm3)• 1 AM01 AM0

• 2 AM12 AM1

• 3 AM1.53 AM1.5

• 4 AM24 AM2

BibliographieBibliographie

• E.G. Gibson, The Quiet Sun, NASA SP – 303 publicationE.G. Gibson, The Quiet Sun, NASA SP – 303 publication• C. De Bergh et B.P. Fort, Solar Physics, Energie solaire – conversion et C. De Bergh et B.P. Fort, Solar Physics, Energie solaire – conversion et

applications, pp. 115-133, ISBN 2-222-02257-6 (1978)applications, pp. 115-133, ISBN 2-222-02257-6 (1978)• R. M. Goody and J. C. G. Walker, Atmospheres, Foundations of Earth R. M. Goody and J. C. G. Walker, Atmospheres, Foundations of Earth

Science Series.Science Series.• J. A. Duffie and W. A. Beckman, Solar energy thermal process, eds. John J. A. Duffie and W. A. Beckman, Solar energy thermal process, eds. John

Wiley and Sons.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 Chr. Perrin de Brichambaut, Evaluations de l’énergie solaire incidente sur

divers capteurs, Energie solaire – conversion et applications, pp. 135-170, divers capteurs, Energie solaire – conversion et applications, pp. 135-170, ISBN 2-222-02257-6 (1978)ISBN 2-222-02257-6 (1978)

• J. C. Brandt and P. Hodge, Solar System Astrophysics, eds. Mc Graw-Hill J. C. Brandt and P. Hodge, Solar System Astrophysics, eds. Mc Graw-Hill Book Company (1964).Book Company (1964).

• http://www.bureau-des-longitudes.fr/http://www.bureau-des-longitudes.fr/• Encyclopaedia UniversalisEncyclopaedia 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)