Pourquoi le soleil d'hiver semble-t-il bien plus chaud que l'air ?
― Bas sur l'horizon, il apporte presque le double de la chaleur que votre corps produit
La météo annonce 10 °C. Pourtant, dans un coin ensoleillé sans vent, on voudrait enlever sa veste tant il fait doux. Ce n'est pas une impression. Les rayons du soleil traversent l'air presque sans le chauffer, et réchauffent directement votre corps. De plus, le soleil d'hiver est bas : il frappe le corps debout de face, plus droit qu'en été.
Une pause déjeuner ensoleillée de novembre. À l'ombre des bâtiments, le froid engourdit les doigts.
Mais dès que vous vous asseyez sur un banc au soleil, une douce chaleur gagne votre dos. Sur le rebord de la fenêtre, le chat plisse les yeux dans sa flaque de lumière.
Soleil et ombre ne sont séparés que de quelques pas. La température de l'air devrait être presque la même. Pourquoi une telle différence ?
Deux raisons seulement expliquent cette chaleur
L'air n'absorbe presque pas la lumière du soleil. Elle traverse l'air froid et ne se transforme en chaleur qu'en touchant les vêtements ou la peau.
Le soleil d'été, presque au zénith, n'éclaire un corps debout que de biais. Le soleil d'hiver, bas, est reçu de face par le corps.
Quand ces deux effets se cumulent, le soleil d'hiver apporte de l'extérieur une chaleur proche de celle que le corps produit lui-même, voire supérieure. Voyons cela pas à pas.
La température de l'air se mesure volontairement à l'ombre
La température annoncée par la météo est celle de l'air mesurée dans un endroit sans soleil. Dans une station météo, le thermomètre est placé dans un abri qui coupe les rayons et laisse passer le vent, à environ 1,5 mètre du sol.
On évite le soleil parce qu'un thermomètre éclairé se réchauffe lui-même. L'air, lui, n'absorbe presque pas la lumière : même au soleil, sa température monte peu. Autrement dit, les « 10 °C » ne comptent pas la chaleur que vous recevez en étant au soleil.
Par temps clair, une surface face au soleil reçoit environ 800 watts par mètre carré. L'essentiel de cette lumière atteint le sol sans chauffer l'air.
Parce qu'il est bas, le soleil d'hiver agit sur le corps
À Tokyo, la hauteur du soleil à midi est d'environ 78 degrés au solstice d'été, 38 degrés début novembre et 31 degrés au solstice d'hiver. Le soleil d'hiver traverse un ciel bien plus bas qu'en été.
Regardez la figure 1. Plus la lumière frappe une surface de face, plus elle apporte d'énergie. Pour une surface « horizontale » comme le sol, le soleil haut de l'été est le plus efficace. Mais pour une surface « verticale » comme un corps debout, c'est l'inverse : le soleil bas de l'hiver la frappe de face.
Début novembre, à midi, avec un soleil à 38 degrés, la face d'un corps debout reçoit environ 630 watts par mètre carré. En multipliant par la surface d'un adulte vu de face et par la part de lumière absorbée par les vêtements, on obtient une chaleur reçue d'environ 180 watts.
Un adulte assis immobile produit lui-même environ 100 watts. Au soleil d'hiver, il reçoit donc de l'extérieur presque le double. C'est comme si un second corps s'ajoutait au vôtre. Le même calcul au solstice d'été à midi donne seulement environ 46 watts reçus de face. C'est pourquoi le soleil d'été brûle surtout la tête et les épaules, mais frappe peu le devant du corps.
Le « koharu biyori » désigne au Japon une journée ensoleillée, douce et calme de la fin de l'automne ou du début de l'hiver. « Koharu » (littéralement « petit printemps ») est un ancien nom du dixième mois du calendrier traditionnel, soit à peu près novembre. Cette douceur exige peu de vent : le vent emporte aussitôt l'air réchauffé à la surface du corps. C'est pourquoi les coins abrités, sous le vent d'un immeuble ou derrière un mur, sont particulièrement agréables.
Un vêtement blanc renvoie l'essentiel du rayonnement, un vêtement sombre en absorbe beaucoup. Au soleil d'hiver, le dos d'une veste foncée chauffe donc plus vite. Si les chats et les oiseaux gonflent leur poil ou leurs plumes au soleil, c'est sans doute pour offrir plus de surface à la lumière et une couche d'air qui retient la chaleur.
En résumé
La température de l'air est mesurée à l'ombre et ne compte pas la chaleur que le corps reçoit au soleil. Les rayons traversent l'air presque sans le chauffer et ne deviennent chaleur qu'en touchant le corps. De plus, le soleil bas de l'hiver frappe le corps debout de face. Un coin ensoleillé sans vent est bien plus chaud que le thermomètre ne l'indique parce que ces deux effets se cumulent.
Au soleil d'hiver, on se réchauffe par la lumière, pas par l'air.
Le soleil bas touche davantage la personne debout que le sol.
La chaleur d'un feu de camp qui n'atteint que le visage repose sur le même principe : la chaleur voyage par la lumière. Pour en savoir plus, voir Pourquoi, près d'un feu de camp, le visage brûle-t-il alors que le dos reste froid ? La raison pour laquelle la hauteur du soleil change avec les saisons est traitée dans Pourquoi y a-t-il des saisons ?, et la quantité de lumière reçue par toute la Terre dans Quelle énergie la lumière du soleil apporte-t-elle à la Terre ?
- Par temps clair, prenez deux thermomètres identiques. Posez-en un à l'ombre, l'autre au soleil sur un tissu noir.
- Attendez environ 10 minutes, puis comparez les deux graduations. Le thermomètre posé sur le tissu noir au soleil doit monter bien plus haut que celui de l'ombre.
- Ensuite, éventez le thermomètre du soleil avec un éventail. Si la graduation redescend, c'est que le vent emporte la chaleur.
Le thermomètre au soleil n'indique pas la température de l'air, mais celle d'un objet éclairé. Cette expérience fait aussi comprendre pourquoi les stations météo placent leurs thermomètres à l'ombre.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules et liens avec les manuelsDu collège à l'université : le niveau de chaque passage est indiqué
- CollègeProgramme de sciences du collège
- LycéeProgramme de physique ou de sciences de la Terre au lycée
- Lycée+Approfondissement du lycée, ou encadré de manuel
- UniversitéCours universitaires non vus au lycée (transferts thermiques, météorologie, physique du bâtiment)
- RechercheSujets que les chercheurs étudient encore, non enseignés comme acquis
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Rayonnement : mode de transmission où la chaleur voyage directement sous forme de lumière (onde électromagnétique), sans passer par l'air ou un autre milieu. La chaleur du soleil comme celle du feu de camp arrive ainsi.
- Insolation (rayonnement solaire) : énergie lumineuse du soleil qui arrive au sol, exprimée en watts par mètre carré.
- Hauteur méridienne du soleil : angle au-dessus de l'horizon quand le soleil est plein sud (son point le plus haut de la journée). Élevée en été, basse en hiver.
CollègeLycéeVérifier par la formule : quelle chaleur le corps reçoit-il au soleil d'hiver ?
Estimons la chaleur reçue par un adulte debout face au soleil, à midi début novembre à Tokyo (soleil à 38 degrés).
| En symboles | P ＝ a × S × A × cos h |
| En mots | chaleur reçue par le corps ＝ part absorbée × rayonnement reçu sur une surface face au soleil × surface du corps vu de face × cosinus de la hauteur du soleil |
| D'où vient cette formule | De la conservation de l'énergie lumineuse. Un faisceau de même largeur qui frappe une surface oblique s'étale sur une plus grande surface. Pour une surface verticale, l'intensité reçue est réduite selon le cosinus (cos) de la hauteur du soleil. |
| P | chaleur reçue par le corps (en watts) |
| a | part de la lumière absorbée par les vêtements ou la peau (0 à 1) |
| S | intensité du soleil sur une surface face au soleil (watts par mètre carré) |
| A | surface du corps vu de face (mètres carrés) |
| h | hauteur du soleil (angle au-dessus de l'horizon) |
| Soleil reçu par une surface face au soleil par temps clair, S | environ 800 watts par mètre carré |
| Hauteur méridienne h à Tokyo début novembre, et son cosinus | environ 38 degrés ; cos 38° vaut environ 0,788 |
| Surface d'un adulte vu de face, A | environ 0,4 mètre carré (approximation) |
| Part de lumière absorbée par un vêtement foncé, a | environ 0,7 (approximation) |
| Chaleur produite par un adulte au repos | environ 100 watts |
| Soleil reçu par une surface verticale (par mètre carré) | 800 × 0,788 ≒ 630 watts |
| Soleil reçu par toute la face du corps | 630 × 0,4 ＝ 252 watts |
| Chaleur absorbée par le corps, P | 252 × 0,7 ≒ 176 watts |
| Rapport avec la chaleur produite par le corps | 176 ÷ 100 ≒ 1,8 fois |
| Comparaison : midi au solstice d'été (hauteur 78 degrés, cos environ 0,208) | 800 × 0,208 ≒ 166 watts |
| Coefficient regroupant surface et part absorbée | 0,4 × 0,7 ＝ 0,28 |
| Chaleur absorbée par toute la face du corps au solstice d'été | 166 × 0,28 ≒ 46 watts |
Au soleil d'hiver, le corps reçoit environ 176 watts, soit environ 1,8 fois la chaleur qu'il produit. C'est comme si l'on ajoutait un second corps. À intensité égale, au solstice d'été à midi, la face du corps ne reçoit qu'environ 46 watts. La seule hauteur du soleil crée un écart de près de 4 fois entre les saisons.
LycéeLycée+Pourquoi le soleil ne chauffe pas l'air
LycéeLa lumière du soleil est surtout faite de lumière visible et d'infrarouge proche. L'azote et l'oxygène, principaux composants de l'air, n'absorbent presque pas ces longueurs d'onde. Les rayons traversent donc l'atmosphère et ne se transforment en chaleur qu'en touchant le sol ou le corps. L'air se réchauffe surtout au contact du sol chaud, par en dessous.
Lycée+La sensation de chaleur ne dépend pas que de la température de l'air, mais aussi du rayonnement des murs et du ciel, du soleil, du vent et de l'humidité. En architecture et en météorologie, on emploie la « température moyenne radiante », qui résume en une température le rayonnement reçu de l'environnement, et la « température opérative », qui la combine avec celle de l'air. Un coin ensoleillé d'hiver a une température moyenne radiante bien plus haute que l'air.
UniversitéTransfert thermique par rayonnement et calcul de l'insolation
Le rayonnement solaire au sol se divise en rayonnement « direct », qui arrive du soleil sans détour, et rayonnement « diffus », dispersé par le ciel. Le rayonnement direct sur une surface inclinée s'obtient en multipliant par le cosinus de l'angle d'incidence (loi du cosinus de Lambert). Le rayonnement reçu par le corps humain se calcule à partir d'un « facteur de surface projetée » déduit de l'orientation du corps et de la direction du soleil. La chaleur perdue par le corps est traitée comme la somme d'un rayonnement, décrit par la loi de Stefan-Boltzmann, et d'un transfert par convection, très dépendant de la vitesse du vent.
📖 Démonstration des formules et approfondissements : Rayonnement solaire (Wikipédia japonais) ／ Loi du cosinus de Lambert (Wikipédia japonais)
RechercheCe qu'on ne sait pas encore bien
- Résumer la « chaleur ressentie » en un seul nombre. De nombreux indices de confort, combinant température, soleil, vent, humidité et vêtements, ont été proposés, y compris à l'échelle internationale. Lequel correspond le mieux au ressenti en plein air au soleil fait encore l'objet de comparaisons.
- Vêtement noir ou blanc : lequel réchauffe vraiment le plus ? Le noir absorbe plus de lumière, mais la chaleur naît à la surface du tissu. Avec du vent, elle peut être emportée avant d'atteindre la peau ; selon les conditions, l'écart serait faible.
- Comment les animaux choisissent de se chauffer au soleil. Les lézards et les papillons ajusteraient l'orientation de leur corps ou l'angle de leurs ailes pour régler le soleil reçu. Sur quels indices ils décident quand et sous quel angle s'exposer est étudié espèce par espèce.
Cet article reste donc « une explication dans l'état actuel des connaissances ». Les surfaces et parts absorbées employées ici sont des approximations, qui varient de plusieurs dizaines de pour cent selon la corpulence, la couleur des vêtements et la posture.
Liens avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière · chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences « transmission de la chaleur », « hauteur méridienne du soleil et saisons » | Rayonnement, hauteur du soleil l'été et l'hiver |
| Lycée | Physique « chaleur et énergie », sciences de la Terre « bilan thermique de l'atmosphère » | Pourquoi les rayons traversent l'air |
| Lycée+ | Échanges de chaleur entre environnement et corps humain (approfondissement) | Température moyenne radiante, température opérative |
| Université | Transferts thermiques, météorologie, physique du bâtiment | Rayonnement direct et diffus, loi du cosinus, rayonnement et convection |
| Recherche | Confort thermique en extérieur, thermorégulation des êtres vivants | Indices de ressenti, couleur des vêtements, bains de soleil des animaux |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Se chauffer au soleil l'hiver, choisir un coin abrité, couleur de la veste |
- Koharu biyori (Wikipédia japonais)
- Rayonnement solaire (Wikipédia japonais)
- Agence météorologique du Japon (気象庁), « Guide des observations météorologiques » (気象観測の手引き) (méthodes de mesure de la température de l'air)
- Observatoire astronomique national du Japon (国立天文台) (dir.), « Chronologie scientifique » (理科年表), Maruzen Publishing (insolation, hauteur méridienne du soleil)
- Institut d'architecture du Japon (日本建築学会) (dir.), « Matériel pédagogique de physique du bâtiment, volume Environnement » (建築環境工学用教材 環境編), Maruzen Publishing (température moyenne radiante, température opérative)
※ Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur pour comprendre le mécanisme. La chaleur reçue par le corps varie beaucoup selon la corpulence, les vêtements, la posture et l'état du ciel.