Constante solaire ou comment mesurer lnergie solaire reue

Constante solaire ou comment mesurer l’énergie solaire reçue sur la Terre 1

Définition de la constante solaire C ’est le flux total d’énergie solaire reçu ? … par unité de temps au niveau de l’orbite de la Terre, hors de l’atmosphère par une surface de 1 m 2, placée perpendiculairement aux rayons solaires 2

L’appareil de mesure le thermo sécantzéta héliomètre 3

Description du thermosécantzétahéliomètre 1. Le récepteur pièce de métal avec surface noire mate (pour absorber toutes les radiations) 2. Une enceinte isolante 3. Un support orientable 4. Un thermomètre 5. Un chronomètre 4

Description du thermosécantzétahéliomètre 1. Le récepteur pièce de métal avec surface noire mate (pour absorber toutes les radiations) 2. Une enceinte isolante boite garnie de polystyrène avec une plaque de fermeture en verre et un obturateur (pour minimiser tout échange de chaleur avec l’extérieur) 3. Un support orientable 4. Un thermomètre 5. Un chronomètre 5

Description du thermosécantzétahéliomètre 1. Le récepteur pièce de métal avec surface noire mate (pour absorber toutes les radiations) 2. Une enceinte isolante boite garnie de polystyrène avec une plaque de fermeture en verre et un obturateur (pour minimiser tout échange de chaleur avec l’extérieur) 3. Un support orientable avec cercle gradué et fil à plomb (pour orienter la surface perpendiculairement aux rayons solaires) 4. Un thermomètre 5. Un chronomètre 6

Description du thermosécantzétahéliomètre 1. Le récepteur pièce de métal avec surface noire mate (pour absorber toutes les radiations) 2. Une enceinte isolante boite garnie de polystyrène avec une plaque de fermeture en verre et un obturateur (pour minimiser tout échange de chaleur avec l’extérieur) 3. Un support orientable avec cercle gradué et fil à plomb (pour orienter la surface perpendiculairement aux rayons solaires) 4. Un thermomètre (pour repérer l’élévation de température du récepteur après exposition). 5. Un chronomètre 7

Description du thermosécantzétahéliomètre 1. Le récepteur pièce de métal avec surface noire mate (pour absorber toutes les radiations) 2. Une enceinte isolante boite garnie de polystyrène avec une plaque de fermeture en verre et un obturateur (pour minimiser tout échange de chaleur avec l’extérieur) 3. Un support orientable avec cercle gradué et fil à plomb (pour orienter la surface perpendiculairement aux rayons solaires) 4. Un thermomètre (pour repérer l’élévation de température du récepteur après exposition). 5. Un chronomètre (pour mesurer la durée de l’exposition) 8

Description du thermosécantzétahéliomètre 1. Le récepteur pièce de métal avec surface noire mate (pour absorber toutes les radiations) 2. Une enceinte isolante boite garnie de polystyrène avec une plaque de fermeture en verre et un obturateur (pour minimiser tout échange de chaleur avec l’extérieur) 3. Un support orientable avec cercle gradué et fil à plomb (pour orienter la surface perpendiculairement aux rayons solaires) 4. Un thermomètre (pour repérer l’élévation de température du récepteur après exposition). 5. Un chronomètre (pour mesurer la durée de l’exposition) 9

Principe de la manipulation 1. Energie reçue par le récepteur , situé sur le sol terrestre : Q = m. c. ( f - i) exprimée en joules avec : m masse du récepteur (en kg) c chaleur massique du métal (en J. kg -1. °C -1) i et f températures initiale et finale du récepteur (en °C) 2. Puissance absorbée par le récepteur : exprimée en watts avec : t = durée de l’exposition (en secondes) 10

3. Evaluation de l’absorption par l’atmosphère terrestre : Epaisseur d ’atmosphère traversée ? OZ = h , épaisseur de l’atmosphère, supposée constante au cours des mesures OM = x , longueur parcourue par les rayons solaires dans l’atmosphère , distance zénithale : angle que fait la ligne de visée avec le zénith x = h. sec avec sec (sécante ) : fonction inverse du cosinus 11

Loi générale de l’absorption : x : épaisseur d ’une couche élémentaire du milieu absorbant Io : intensité du faisceau d ’entrée I : intensité du faisceau au niveau de l ’élément x IS : intensité du faisceau à la sortie intensité absorbée dans l’épaisseur x : I = - k. I. x (k : caractéristique du milieu absorbant) 12

à l’entrée, x = 0 et I = Io ln Io = cte ln I = - k. x + ln Io ln I est une fonction affine de x ln ( ) = - k. x I = I 0. e- k x 13

Expression de la puissance solaire reçue sur la Terre ? p : puissance reçue par le récepteur au sol p. H. A. : puissance hors atmosphère x = h. sec log p = log p. H. A. - K. sec (Loi de Bouguer) K dépend de - h, épaisseur de la couche d ’air - et de k, caractéristique de la transparence de l ’air K est fonction des conditions atmosphériques au moment de l ’expérience 14

Comment évaluer la puissance que recevrait le récept s ’il était situé en dehors de l ’atmosphère ? On suppose que les conditions atmosphériques restent stables au cours de la journée K est constante l’épaisseur d ’atmosphère traversée ne dépend que de la hauteur du Soleil (c ’est à dire de ) au moment des mesures 15

log p = log p. H. A. - K. sec avec K = constante log p est une fonction affine de sec on fait des mesures à différents moments de la journée et on construit le graphique log p = f (sec ) log p sec par extrapolation, l’ordonnée à l’origine correspond à sec = 0, c ’est à dire x = 0, « comme si » le récepteur était « hors atmosphère » 16

Dans la pratique : Puissance reçue par le récepteur p étant proportionnel à si la durée d ’exposition est la même pour toutes les mesures on peut simplement construire le graphique : log( f - i) = f (sec ) log ( f - i)H. A. sec (puissance reçue sur une surface s) 17

5. Détermination de la constante solaire : puissance reçue sur une surface de 1 m 2 située hors atmosphère avec : s = surface du récepteur exposée aux rayons solaires 6. Puissance totale rayonnée par le Soleil dans l’espace : elle se répartie à la surface S d’une sphère centrée sur le Soleil en particulier à la surface de la sphère de rayon R égal à la distance Terre-Soleil PSoleil = ESoleil. 4 R 2 18

Mesures et calculs Caractéristiques du récepteur masse m = 1, 108 kg parallélépipède en cuivre surface s = 51 cm 2 = 5, 1. 10 -3 m 2 chaleur massique du cuivre c = 385 J. kg-1. K-1 Mesures distance zénithale : avec un rapporteur et un fil à plomb rapporteur température initiale du récepteur : 1 température finale du récepteur : 2 avec un thermomètre instant du début de la mesure : t 1 instant de la fin de la mesure : t 2 avec un chronomètre 19

Tableau de mesures p = puissance absorbée par la surface s du récepteur situé au sol P = puissance reçue au sol, par unité de surface Droite de Bouguer tracé du graphique log ( 2 - 1 ) = f (sec ) l’ordonnée à l’origine de la droite de Bouguer donne log ( f - i)H. A. 20

Calcul de la constante solaire : Puissance totale rayonnée par le Soleil dans l’espace : PSoleil = ESoleil. 4 d 2 avec d =distance Terre-Soleil d = 150. 109 m 21

7. Température de la surface du Soleil : 22