Quelle quantité d'énergie solaire atteint la Terre ?
― Une heure de lumière suffit à couvrir la consommation annuelle de l'humanité
Quand on sort au soleil, le visage se réchauffe doucement. Si l'on met des chiffres sur cette chaleur, le résultat dépasse l'imagination. Par une journée ensoleillée de midi, la seule lumière qui atteint un mètre carré de sol équivaut à une bouilloire électrique. En additionnant cela sur toute la Terre, en seulement une heure, on atteint presque l'énergie que l'humanité consomme en une année entière.
Un midi d'automne ensoleillé, vous êtes assis sur un banc à profiter du soleil. Le vent est un peu frais, mais votre dos exposé au soleil reste bien chaud.
Dès qu'un nuage passe devant le soleil, un frisson vous saisit. Quand le nuage s'éloigne, la chaleur revient.
Cette douce chaleur, c'est l'énergie de la lumière qui a voyagé 150 millions de kilomètres. Alors, quelle est exactement cette quantité ?
Deux raisons seulement expliquent ce chiffre colossal
Par un midi ensoleillé avec le soleil haut, la lumière qui atteint un mètre carré de sol est d'environ 1000 watts. C'est la puissance d'une bouilloire électrique ou d'un sèche-cheveux.
La surface par laquelle la Terre capte la lumière est d'environ 127 millions de kilomètres carrés. Sur toute cette surface, la lumière se déverse sans relâche, jour et nuit.
« La quantité par mètre carré » et « la surface qui la capte ». En multipliant simplement ces deux grandeurs, on obtient un chiffre étonnamment grand. Voyons cela dans l'ordre.
La lumière reçue sur un mètre carré équivaut à une bouilloire électrique
À l'extérieur de l'atmosphère terrestre, une plaque d'un mètre carré orientée directement vers le soleil reçoit environ 1361 joules de lumière chaque seconde. On appelle cela la constante solaire. 1361 joules par seconde, c'est 1361 watts.
En traversant l'air, une partie de la lumière est réfléchie ou absorbée. Ainsi, par une journée ensoleillée, quand le soleil est presque au zénith, ce qui atteint le sol est d'environ 1000 watts par mètre carré. La performance des panneaux solaires est elle aussi mesurée sur la base de ces « 1000 watts ».
Mais cela ne vaut que lorsque le soleil est haut. Regardez la figure 1. Quand le soleil s'abaisse, un même faisceau de lumière s'étire sur une plus grande longueur au sol. La quantité de lumière reste la même, mais elle se répand finement sur une surface plus large, donc la quantité par mètre carré diminue.
À Tokyo, la hauteur du soleil à midi est d'environ 78 degrés au solstice d'été et d'environ 31 degrés au solstice d'hiver. En comparant par mètre carré de sol, la lumière d'un midi d'hiver ne représente qu'environ la moitié de celle de l'été. Si l'hiver est froid, ce n'est pas parce que le soleil s'éloigne. C'est parce que la lumière arrive de biais et se répand plus finement.
Pour la Terre entière : une heure pour l'équivalent d'une année d'humanité
Considérons maintenant la lumière captée par la Terre entière. Le soleil étant très loin, la lumière qui arrive sur Terre est presque parfaitement parallèle. Regardez la figure 2. La Terre est une sphère, mais du point de vue de la lumière, c'est comme si un seul « disque » du même rayon que la Terre bloquait la lumière.
La surface de ce disque est d'environ 127 millions de kilomètres carrés. Elle reçoit en continu, à l'extérieur de l'atmosphère, 1361 watts de lumière par mètre carré. En multipliant, la lumière captée par la Terre est d'environ 170 millions de gigawatts. Si l'on considère qu'une grande centrale électrique produit 1 gigawatt, cela correspond à 170 millions de centrales de ce type.
En rassemblant une heure de lumière, on obtient environ 620 exajoules (exa signifie 10 puissance 18). L'énergie que l'humanité entière consomme en un an est estimée autour de 600 exajoules. En somme, une heure de lumière solaire reçue par la Terre équivaut presque à l'énergie annuelle de l'humanité.
La raison est sa « dilution ». La lumière se répand finement sur une surface très vaste. En moyennant sur toute la Terre, entre jour et nuit, entre équateur et pôles, cela donne environ 340 watts par mètre carré à l'extérieur de l'atmosphère (soit un quart de 1361 watts). De plus, environ 30 % de cela serait réfléchi vers l'espace par les nuages et la glace. Même les plantes ne convertissent en nutriments qu'environ 1 % de la lumière reçue. La difficulté, c'est de la rassembler.
En résumé
La lumière solaire qui atteint un mètre carré de sol équivaut, par un midi ensoleillé, à une bouilloire électrique. La Terre la capte sans relâche avec un disque de 127 millions de kilomètres carrés. Résultat : une seule heure de lumière suffit à couvrir l'énergie que l'humanité consomme en une année. Mais quand la lumière arrive de biais, elle se répand finement, et c'est de là que naissent les écarts de température selon les saisons.
La lumière solaire est plus qu'abondante en quantité.
La difficulté est plutôt de rassembler cette lumière diluée.
L'ampleur de l'échauffement au soleil est détaillée dans « Pourquoi l'asphalte dépasse-t-il 60°C ? » et « Pourquoi l'intérieur d'une voiture garée au soleil devient-il si chaud ? », et le lien entre l'inclinaison du soleil et les saisons est expliqué dans « Le mécanisme des saisons ».
- Par une journée ensoleillée, au soleil, tendez la paume de la main directement vers le soleil pendant environ 30 secondes et ressentez la chaleur.
- Ensuite, inclinez fortement la main pour que la lumière la frôle de biais. Vous devriez sentir une chaleur plus faible qu'avant.
- Plantez un bâton d'un mètre de long dans le sol et mesurez la longueur de son ombre. Si l'ombre fait la même longueur que le bâton, le soleil est à 45 degrés ; plus l'ombre est courte, plus le soleil est haut.
Ne regardez jamais directement le soleil : vous risqueriez de vous blesser les yeux. En comparant la longueur de l'ombre en été et en hiver, vous pourrez vérifier de vos propres yeux la différence montrée dans la figure 1.
Pour en savoir plus ― vocabulaire, formules et liens avec les programmes scolairesdu collège jusqu'aux matières spécialisées de l'université, le niveau de chaque point est indiqué
- CollègeNiveau du programme de sciences au collège
- LycéeNiveau des matières « Physique » et « Sciences de la Terre » au lycée
- Lycée+Contenu avancé du lycée, ou encadré complémentaire des manuels
- UniversitéContenu non enseigné au lycée, relevant de matières spécialisées universitaires (météorologie, rayonnement atmosphérique)
- RechercheContenu non encore établi comme « acquis » même à l'université, en cours d'étude par les chercheurs
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Constante solaire : l'énergie lumineuse reçue en une seconde par une surface d'un mètre carré orientée perpendiculairement au soleil, à l'extérieur de l'atmosphère terrestre. Elle est estimée à environ 1361 watts par mètre carré.
- Rayonnement solaire (insolation) : l'énergie lumineuse qui provient du soleil. La valeur mesurée au sol est appelée « quantité d'insolation », également observée par les services météorologiques.
- Hauteur méridienne : l'angle par rapport à l'horizon lorsque le soleil atteint son point le plus haut de la journée. Elle varie selon les saisons.
CollègeLycéeVérification par formule : l'énergie lumineuse reçue par la Terre en une heure
Calculons la quantité totale de lumière captée par la Terre, à partir de la surface du disque et de la constante solaire. Voici la signification des symboles.
| Symbole | Signification et unité |
| P | Puissance de la lumière captée par la Terre (watts) |
| S | Constante solaire (watts par mètre carré) |
| R | Rayon de la Terre (mètres) |
| E | Énergie reçue pendant une durée t (joules) |
| En symboles | P = S × π × R² , E = P × t |
| En mots | Lumière captée = lumière par mètre carré × surface du disque (pi × rayon × rayon), énergie = puissance × temps |
| Origine de la formule | La surface qui bloque une lumière parallèle est égale à la surface du cercle « d'ombre » de la sphère (figure 2). L'énergie vient de la définition : puissance multipliée par le temps. |
| Constante solaire S | 1361 watts par mètre carré |
| Rayon de la Terre R | 6370 kilomètres |
| 1 kilomètre carré | 1 000 000 mètres carrés |
| 1 heure | 3600 secondes |
| Consommation énergétique mondiale annuelle | estimée autour de 600 exajoules |
| Rayon × rayon (kilomètres carrés) | 6370 × 6370 = 40576900 |
| Surface du disque (kilomètres carrés) | 40576900 × 3,14 ≒ 127000000 |
| Lumière par kilomètre carré (watts) | 1361 × 1000000 = 1361000000 |
| Même quantité en gigawatts | 1361000000 ÷ 1000000000 ≒ 1,36 |
| Lumière totale de la Terre P (gigawatts) | 127000000 × 1,36 ≒ 172700000 |
| Pour une heure (gigajoules) | 172700000 × 3600 ≒ 621700000000 |
| Converti en exajoules | 621700000000 ÷ 1000000000 ≒ 622 |
La lumière reçue par la Terre en une heure est d'environ 622 exajoules. C'est presque égal à la consommation annuelle de l'humanité (autour de 600 exajoules).
| Lumière reçue par un tatami (env. 1,6 m²) par un midi ensoleillé (watts) | 1000 × 1,6 = 1600 |
| À Tokyo, à midi au solstice d'hiver (le sinus de 31 degrés vaut environ 0,52) | 1000 × 0,52 = 520 |
Un tatami exposé au soleil reçoit un peu plus que l'équivalent d'une bouilloire électrique. À midi, au solstice d'hiver, la lumière par mètre carré de sol tombe à environ la moitié (même calcul simplifié que pour la figure 1).
LycéeLycée+Inclinaison et moyenne globale
LycéeQuand la lumière frappe le sol de biais, la quantité par mètre carré diminue dans la proportion du « sinus de la hauteur du soleil ». C'est la formule de la figure 1 (1000 watts × sinus). La variation saisonnière de la hauteur du soleil est la principale cause de l'écart de température entre l'été et l'hiver.
Lycée+La surface d'une sphère valant 4 fois la surface du disque, la lumière moyennée sur toute la Terre est d'un quart de la constante solaire, soit environ 340 watts par mètre carré. Environ 30 % de cela (l'albédo) est réfléchi, le reste réchauffant la Terre. De ce bilan, on déduit une « température d'équilibre radiatif » d'environ moins 18°C. Le fait que la température moyenne réelle soit d'environ 15°C s'explique par l'effet de serre.
UniversitéTrajet dans l'atmosphère et masse d'air
En réalité, plus le soleil est bas, plus la lumière traverse l'atmosphère sur un trajet oblique et long, et plus elle s'affaiblit par diffusion et absorption. La longueur de ce trajet, exprimée en prenant pour référence 1 lorsque la lumière vient du zénith, s'appelle la « masse d'air ». L'affaiblissement de la lumière en traversant l'atmosphère est décrit par la loi de Beer-Lambert. Le calcul de la figure 1 est une simplification qui omet cet effet. Les échanges globaux de lumière de la Terre sont traités sous le nom de « bilan énergétique terrestre » en rayonnement atmosphérique.
📖 Pour la dérivation des formules et approfondir : Constante solaire (Wikipédia, japonais) ／ Loi de Beer-Lambert (Wikipédia, japonais)
RechercheCe qui reste encore incertain
- La valeur exacte de la constante solaire Les observations satellites ont révisé cette valeur dans les années 2000, d'environ 1365 à environ 1361 watts. La vérification des écarts dus aux différences d'instruments de mesure se poursuit encore aujourd'hui.
- Variation à long terme de la luminosité solaire La luminosité du soleil varie légèrement selon un cycle d'environ 11 ans, mais l'ampleur des variations à l'échelle de plusieurs siècles reste incertaine.
- Quantité de lumière réfléchie par les nuages La part de lumière réfléchie par la Terre dépend fortement des nuages, et la façon dont ceux-ci évolueront avec le réchauffement est l'une des grandes incertitudes des projections climatiques.
Autrement dit, le contenu de cet article aussi n'est qu'une « explication selon ce qui est connu actuellement ». Considérez les chiffres comme des repères permettant de comprendre le mécanisme.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences, 3e année « La Terre et l'espace » (variation saisonnière et hauteur méridienne), électricité et énergie | Figure 1, quantité de lumière en hiver et en été |
| Lycée | Sciences de la Terre fondamentales « bilan thermique de la Terre », physique fondamentale « énergie » | Calcul de la lumière totale reçue par la Terre |
| Lycée+ | Sciences de la Terre « équilibre radiatif » | Moyenne du quart et albédo |
| Université | Météorologie, rayonnement atmosphérique | Masse d'air, loi de Beer-Lambert |
| Recherche | Observation satellite du rayonnement solaire, nuages et climat | Révision de la constante solaire, effet des nuages |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Bain de soleil, écarts de température saisonniers, panneaux solaires |
- Kopp, G. and Lean, J. L. (2011) A new, lower value of total solar irradiance: Evidence and climate significance. Geophysical Research Letters 38
- Constante solaire (太陽定数) - Wikipédia japonais
- Rayonnement solaire / insolation (日射) - Wikipédia japonais
- Observatoire astronomique national du Japon (国立天文台), éd., Rika Nenpyō (『理科年表』), Maruzen Publishing (constante solaire, rayon de la Terre)
- Energy Institute, Statistical Review of World Energy (consommation mondiale d'énergie primaire)
※Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Les chiffres présentés sont des repères et des approximations destinés à faire comprendre le mécanisme. Ne regardez jamais directement le soleil.