Atténuation : Réduction de l'intensité lumineuse lors de la traversée d'un milieu.
I = I₀ × e^(-τ)
où I = intensité transmise, I₀ = intensité incidente, τ = épaisseur optique
Rayonnement incident I₀ = 1361 W/m² (constante solaire), τ = 0.3 (atmosphère claire)
I = 1361 × e^(-0.3) = 1361 × 0.741 = 1008 W/m²
Atténuation = I₀ - I = 1361 - 1008 = 353 W/m²
(353 / 1361) × 100% = 25.9%
25.9% du rayonnement est absorbé ou diffusé par l'atmosphère
L'intensité transmise est de 1008 W/m², soit 74.1% du rayonnement incident
• Loi de Beer-Lambert : Valable pour les milieux homogènes
• Épaisseur optique : Plus τ est grand, plus l'atténuation est forte
• Applications : Calcul de l'énergie disponible au sol
Albédo : Rapport entre l'énergie réfléchie et l'énergie incidente sur une surface.
Rayonnement incident I₀ = 1000 W/m², albédo des nuages A = 0.7
I_réfléchie = A × I₀ = 0.7 × 1000 = 700 W/m²
I_transmise = I₀ - I_réfléchie = 1000 - 700 = 300 W/m²
Surface terrestre moyenne A ≈ 0.15, donc réfléchit 150 W/m²
Les nuages réfléchissent 4.7 fois plus d'énergie que la surface moyenne
Les nuages réfléchissent 700 W/m² sur 1000 W/m² incidents
• Albédo des nuages : Généralement 0.6-0.9 (très élevé)
• Effet de refroidissement : Réflexion du rayonnement solaire
• Importance climatique : Influence sur le bilan énergétique
Absorption : Processus par lequel l'énergie lumineuse est captée par les molécules.
Rayonnement incident I₀ = 1000 W/m², concentration vapeur d'eau = 15 mm
Pour la vapeur d'eau : α ≈ 0.02 mm⁻¹ (valeur indicative)
τ = α × épaisseur = 0.02 × 15 = 0.3
I = I₀ × e^(-τ) = 1000 × e^(-0.3) = 1000 × 0.741 = 741 W/m²
E_absorbée = I₀ - I = 1000 - 741 = 259 W/m²
La vapeur d'eau absorbe 259 W/m² sur 1000 W/m² incidents
• Absorption IR : La vapeur d'eau absorbe surtout dans l'infrarouge
• Effet de serre : Réémission de l'énergie absorbée vers la surface
• Humidité : Plus l'humidité est élevée, plus l'absorption est grande
Diffusion Rayleigh : Diffusion de la lumière par des particules plus petites que la longueur d'onde.
Intensité de diffusion ∝ 1/λ⁴
λ_bleu ≈ 450 nm, λ_rouge ≈ 650 nm
(λ_rouge/λ_bleu)⁴ = (650/450)⁴ = (1.44)⁴ = 4.3
La lumière bleue est diffusée 4.3 fois plus que la lumière rouge
Le ciel apparaît bleu car la lumière bleue est diffusée dans toutes les directions
La lumière bleue est diffusée 4.3 fois plus intensément que la lumière rouge
• Dépendance en λ⁻⁴ : Plus λ est courte, plus la diffusion est forte
• Ciel bleu : Conséquence de la diffusion préférentielle des courtes longueurs d'onde
• Levers/couchers : Ciel rouge car la lumière traverse plus d'atmosphère
Effet de serre : Piégeage partiel du rayonnement thermique émis par la surface terrestre.
Rayonnement solaire absorbé par la surface : 235 W/m² (moyenne)
Surface émet dans l'IR à température moyenne de 15°C (288 K)
CO₂, H₂O, CH₄ absorbent une partie du rayonnement IR émis par la surface
Les gaz réémettent dans toutes les directions, y compris vers la surface
Température moyenne de surface : +15°C au lieu de -18°C sans effet de serre
L'effet de serre naturel élève la température de surface de 33°C
• Transparence sélective : Atmosphère transparente au visible, opaque à certaines IR
• Équilibre énergétique : Entrée = Sortie pour température stable
• Renforcement : Augmentation des concentrations de gaz à effet de serre
Bilan radiatif : Équilibre entre l'énergie reçue et l'énergie émise par la Terre.
(1361 W/m² × πR²) / (4πR²) = 1361/4 = 340 W/m² (moyenne sur la surface terrestre)
Albédo moyen de la Terre = 0.3
Énergie réfléchie = 0.3 × 340 = 102 W/m²
Énergie absorbée = 340 - 102 = 238 W/m²
Pour équilibre : 238 = σ × T⁴
T⁴ = 238 / (5.67 × 10⁻⁸) = 4.20 × 10⁹
T = 255 K = -18°C
Température réelle = 288 K, donc effet de serre = 288 - 255 = 33 K
Le bilan radiatif montre que la Terre équilibre 238 W/m² absorbés avec 238 W/m² émis
• Division par 4 : Surface sphérique (4πR²) éclairée sur disque (πR²)
• Albédo terrestre : Moyenne de 0.3 (30% de la lumière est réfléchie)
• Équilibre thermique : Entrée = Sortie pour température stable
Albédo variable : Dépend du type de surface et de l'angle d'incidence.
Neige fraîche : 0.8-0.9, Forêt : 0.05-0.15, Océan : 0.06-0.12, Désert : 0.25-0.40
Si 70% d'océan (A=0.1) et 30% de continent (A=0.2), albédo moyen = 0.7×0.1 + 0.3×0.2 = 0.13
50% de nuages (A=0.7) : albédo total = 0.5×0.7 + 0.5×0.13 = 0.415
Avec albédo = 0.415, énergie réfléchie = 0.415 × 340 = 141 W/m²
Énergie absorbée = 340 - 141 = 199 W/m²
199 = σ × T⁴ → T⁴ = 199/(5.67×10⁻⁸) = 3.51×10⁹ → T = 243 K = -30°C
Un albédo plus élevé (0.415) abaisse la température d'équilibre à -30°C
• Albédo variable : Change selon la surface et la saison
• Effet de rétroaction : Neige → albédo ↑ → température ↓ → plus de neige
• Importance climatique : Modifie le bilan énergétique global
Transmittance : Fraction de lumière transmise à travers un milieu (T = I/I₀).
Rayonnement incident I₀ = 1000 W/m², rayonnement transmis I = 400 W/m²
T = I/I₀ = 400/1000 = 0.4
De I = I₀ × e^(-τ), on déduit τ = -ln(T) = -ln(0.4) = 0.916
A = -log₁₀(T) = -log₁₀(0.4) = 0.398
Énergie absorbée + diffusée = 1000 - 400 = 600 W/m² (60%)
La transmittance est de 0.4, l'épaisseur optique est de 0.916
• Transmittance : T = I/I₀, comprise entre 0 et 1
• Épaisseur optique : τ = -ln(T), sans dimension
• Relation : Plus τ est grand, plus T est petit
Performance solaire : Dépend de la quantité de rayonnement reçue.
Panneau de 1 m² avec rendement 15%, rayonnement incident 1000 W/m² (ciel clair)
P = 1000 × 0.15 = 150 W
Rayonnement réduit de 50% : 500 W/m²
P = 500 × 0.15 = 75 W
Perte = 150 - 75 = 75 W (50% de perte)
Production moyenne = 4-5 kWh/m²/jour dans les régions ensoleillées
Les nuages réduisent la production photovoltaïque de manière proportionnelle
• Proportionnalité : Production ∝ rayonnement reçu
• Optimisation : Orientation et inclinaison des panneaux pour maximiser l'exposition
• Stockage : Nécessité de systèmes de stockage pour compenser les variations
Système climatique : Interaction complexe entre rayonnement, atmosphère, océans et surfaces.
Augmentation des gaz à effet de serre → plus de rayonnement IR piégé → réchauffement
Augmentation de la vapeur d'eau → augmentation de l'effet de serre (rétroaction positive)
Moins de nuages → albédo ↓ → plus de rayonnement absorbé → réchauffement
Plus de nuages → albédo ↑ → moins de rayonnement absorbé → refroidissement
Fusion de la banquise → albédo ↓ → absorption ↑ → réchauffement → plus de fusion
Le système tend vers un nouvel équilibre avec des caractéristiques différentes
Le climat est un système complexe avec de multiples interactions radiatives
• Système ouvert : Échange d'énergie avec l'espace
• Rétroactions : Peuvent amplifier ou atténuer les changements initiaux
• Inertie : Le système met du temps à atteindre un nouvel équilibre
