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Le soleil est le siège de réactions de fusion thermonucléaire continuellement entretenues entre des atomes d’hydrogène et d’hélium. En imaginant une terre grosse comme une orange, le soleil serait une boule de feu de 10 m de diamètre placée à 1 km. La terre ne reçoit qu’une toute petite partie du rayonnement émis par le soleil. Ce flux reçu assure les conditions thermiques indispensables à la vie. Il est à l’origine de la formation des réserves d’énergies fossiles (charbon, pétrole, gaz naturel) et des flux d’énergies renouvelables (hydraulique, bois, vent). L’énergie reçue par la terre, environ 24 millions de Mtep (mégatep ou millions de tonnes d’équivalent pétrole), est plus de 2500 fois supérieure à la consommation d’énergie du monde, 8800 Mtep. Le rayonnement solaire reçu à la surface de la terre est un rayonnement électromagnétique. L’essentiel du rayonnement est composé de lumière visible, dans la gamme de longuer d’onde λ qui va de 0,38 à 078 μm, de rayonnement infrarouge (λ 0,78 m) et d’un peu de rayonnement ultraviolet (λ 0,38 m). Les interrogations sur la nature de la lumière ont été présentes dans toute l’histoire de la physique, de l’Antiquité à nos jours, accompagnés de progrès dans les techniques de l’optique. Du XVIIe siècle jusqu’à la fin du XIXe, deux conceptions antagoniques se sont partagées les favuers des physiciens. Dans la théorie corpusculaire, la lumière est transportée d’un corps à un autre par des particules minuscules, mais très nombreuses. Dans la théorie ondulatoire, la lumière est une vibration d’un milieu hypthétique, l’éther, par analogie avec les vagues qui sont une déformation qui se propage à la surface de l’eau. Les deux théories ont leurs arguments et leurs avocats, en particulier Isaac Newton pour la théorie corpusculaire, Christian Huygens, Thomas Young ou Augustin Fresnel pour la théorie ondulatoire. Cette dernière domine le XIXe siècle, parc qu’elle explique de manière simple et naturelle les interférences lumineuses ainsi que les phénomènes de diffraction. Elle culmine lorsque James Maxwell réalise la synthèse des lois de l’électricité, du magnétisme et de l’optique dans un ensemble de quelques équations. Le triomphe semble définitif quand Heinrich Herzt réussit à fabriquer les ondes aujourd’hui appelées « hertziennes » qui sont prédites par Maxwell et ne diffèrent de la lumière que par leur longueur d’onde plus élevée. Louis de Broglie a montré le caractère à la fois corpusculaire et ondulaire de la lumière. On parlera donc aussi bien de photons, corpuscules élémentaires de lumière, que d’ondes lumineuses, suseptibles d’être guidées ou diffractées. Une partie de la lumière est absorbée lors de la traversée de l’atmosphère terrestre, principalement par la vapeur d’eau qui atténue fortement certaines longueurs d’onde dans l’infrarouge, mais aussi par l’ozone et par le gaz carbonique. La plus grande partie de rayonnement qui atteint le sol y est absorbée, mais une petite partie est réfléchie vers l’atmosphère. Cette réflexion dépend de la nature du sol (eau, terre, villes, forêt, neige). L’albédo caractérise la fraction de rayonnement ainsi réfléchi, qui est de l’ordre de 4 à 10% pour les océans, 20 à 30 % pour les prairies et terres cultivées, 60 à 80 % pour la neige. Dans les applications énergétiques de l’énergie solaire on distingue trois types de rayonnement : le rayonnement direct provenant en droite ligne du seul disque solaire, le rayonnement diffus provenant de toute la voûte céleste hors disque solaire et le rayonnement global qui est la somme des deux composants. Hors atmosphère, le rayonnement solaire direct est un flux d’énergie quasi-constant, dont la puissance est de 1367 W/m² de surface exposée perpendiculairement à la direction des rayons incidents. Au sol, l’instensité du rayonnement direct dépend de l’affaiblissement que ce rayonnement subit lors de la traversée de l’atmosphère. Elle dépend également de l’épaisseur atmosphérique traversée, et donc de la hauteur du soleil à chaque instant. Le rayonnement est plus intense en altitude (d’environ 7% par 1000 m) où l’air est plus sec et pur. A l’inverse il est généralement affaibli en zone urbaine. Le rayonnement direct s’atténue fortement ou même s’annule en cas de passage nuageux.
Le rayonnement diffus est d’autant plus important que l’atmosphère est moins claire. Il provient en effet de la diffusion de la lumière par les particules, les aérosols, les gaz et les nuages. Le rayonnement global sur une surface horizontale est mesuré par un pyranomètre. C’est un appareil statique dont le détecteur est protégé par une ou deux fenêtres hémisphériques.
Fabricants de pyranomètre : Apogee Instruments (USA), Eko Instruments (Pays-Bas), Hukseflux (Pays-Bas), IKS (Allemagne), Kipp & Zonen (Pays-Bas), Li-Cor (USA), Mencke & Tegtmeyer (Allemagne), NES (Allemagne), Reinhardt (Allemagne), Skye Instruments (Grande-Bretagne), Solarc (Allemagne), Soluzione Solare (Italie), Technische Alternative (Autriche), Tritec (Suisse) Le rayonnement direct est mesuré par un pyrhéliomètre. C’est un appareil muni d’un mécanisme d’orientation qui permet de diriger constamment une thermopile en direction du soleil. L'inclinaison à 66° 30 de l'axe des pôles sur le plan de l'orbite terrestre est à l'origine des saisons. Elle cause une alternance annuelle des durées d'éclairement à la surface du globe. Le 21 juin, l'hémisphère Nord est tourné au maximum vers le Soleil. C'est le solstice d'été et le jour y est le plus long de l'année. Six mois après, le 21 décembre, c'est le solstice d'hiver, le jour le plus court pour l'hémisphère Nord (et le plus long dans l'hémisphère Sud). A mi-temps de ces deux extrêmes, aux équinoxes de printemps et d'automne (20 mars et 22 septembre), le jour et la nuit sont de même durée partout sur la Terre. La combinaison des variations diurnes et saisonnières de l'ensoleillement avec les passages nuageux détermine l'éclairement observé en un point. La diversité des différents paramètres entraîne des conditions d'ensoleillement géographiquement très diverses. Les cartes à grande échelle ne tiennent pas compte des variations topographiques ou climatiques locales qui peuvent affecter fortement les valeurs d'ensoleillement.
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