Presque toute l'énergie arrivant sur la planète Terre et entraînant les divers événements météorologiques, les courants océaniques et la distribution des écosystèmes provient du soleil. Ce rayonnement solaire intense tel qu'il est connu en géographie physique provient du noyau solaire et est finalement envoyé sur Terre après la convection (le mouvement vertical de l'énergie) l'éloigne du soleil coeur. Il faut environ huit minutes au rayonnement solaire pour atteindre la Terre après avoir quitté la surface du soleil.
Une fois que ce rayonnement solaire arrive sur Terre, son énergie est distribuée de manière inégale à travers le globe par latitude. Lorsque ce rayonnement pénètre dans l'atmosphère terrestre, il frappe près de l'équateur et développe un surplus d'énergie. Parce que moins de rayonnement solaire direct arrive aux pôles, ils développent à leur tour un déficit énergétique. Pour maintenir l’énergie équilibrée à la surface de la Terre, l’énergie excédentaire des régions équatoriales circule vers les pôles dans un cycle afin que l’énergie soit équilibrée à travers le globe. Ce cycle est appelé le bilan énergétique Terre-Atmosphère.
Voies de rayonnement solaire
Une fois que l'atmosphère terrestre reçoit le rayonnement solaire à ondes courtes, l'énergie est appelée insolation. Cette insolation est l'apport d'énergie responsable du déplacement des différents systèmes Terre-atmosphère comme le bilan énergétique décrit ci-dessus mais aussi des événements météorologiques, courants océaniqueset d'autres cycles de la Terre.
L'insolation peut être directe ou diffuse. Le rayonnement direct est le rayonnement solaire reçu par la surface et / ou l'atmosphère de la Terre qui n'a pas été altéré par la diffusion atmosphérique. Le rayonnement diffusé est un rayonnement solaire qui a été modifié par diffusion.
La diffusion elle-même est l'une des cinq voies que le rayonnement solaire peut emprunter lors de son entrée dans l'atmosphère. Elle se produit lorsque l'insolation est déviée et / ou redirigée lors de son entrée dans l'atmosphère par la poussière, le gaz, la glace et la vapeur d'eau qui s'y trouvent. Si les ondes énergétiques ont une longueur d'onde plus courte, elles sont plus dispersées que celles avec des longueurs d'onde plus longues. La diffusion et la façon dont elle réagit avec la taille des longueurs d'onde sont responsables de nombreuses choses que nous voyons dans l'atmosphère, comme la couleur bleue du ciel et les nuages blancs.
La transmission est une autre voie de rayonnement solaire. Il se produit lorsque de l'énergie à ondes courtes et à ondes longues traverse l'atmosphère et l'eau au lieu de se disperser lors de l'interaction avec des gaz et d'autres particules dans l'atmosphère.
La réfraction peut également se produire lorsque le rayonnement solaire pénètre dans l'atmosphère. Cette voie se produit lorsque l'énergie passe d'un type d'espace à un autre, par exemple de l'air à l'eau. À mesure que l'énergie se déplace de ces espaces, elle change de vitesse et de direction lorsqu'elle réagit avec les particules présentes. Le changement de direction amène souvent l'énergie à se plier et à libérer les différentes couleurs de lumière qui s'y trouvent, comme ce qui se passe lorsque la lumière passe à travers un cristal ou un prisme.
L'absorption est le quatrième type de voie de rayonnement solaire et est la conversion d'énergie d'une forme à une autre. Par exemple, lorsque le rayonnement solaire est absorbé par l'eau, son énergie se déplace vers l'eau et élève sa température. Ceci est courant pour toutes les surfaces absorbantes, de la feuille d'un arbre à l'asphalte.
La dernière voie de rayonnement solaire est une réflexion. C'est quand une partie de l'énergie rebondit directement dans l'espace sans être absorbée, réfractée, transmise ou diffusée. Un terme important à retenir lors de l'étude du rayonnement solaire et de la réflexion est l'albédo.
Albedo
L'albédo est défini comme la qualité réfléchissante d'une surface. Elle est exprimée en pourcentage de l'insolation réfléchie par rapport à l'insolation entrante et zéro pour cent est l'absorption totale tandis que 100% est la réflexion totale.
En termes de couleurs visibles, les couleurs plus foncées ont un albédo inférieur, c'est-à-dire qu'elles absorbent plus d'insolation, et les couleurs plus claires ont un "albédo élevé", ou des taux de réflexion plus élevés. Par exemple, la neige reflète 85 à 90% de l'ensoleillement, tandis que l'asphalte ne reflète que 5 à 10%.
L'angle du soleil a également un impact sur la valeur de l'albédo et des angles solaires inférieurs créent une réflexion plus grande car l'énergie provenant d'un angle solaire faible n'est pas aussi forte que celle provenant d'un angle solaire élevé. De plus, les surfaces lisses ont un albédo plus élevé tandis que les surfaces rugueuses le réduisent.
Comme le rayonnement solaire en général, les valeurs de l'albédo varient également à travers le globe avec la latitude, mais l'albédo moyen de la Terre est d'environ 31%. Pour les surfaces entre les tropiques (23,5 ° N à 23,5 ° S), l'albédo moyen est de 19 à 38%. Aux pôles, elle peut atteindre 80% dans certaines zones. Ceci est le résultat de l'angle solaire plus bas présent aux pôles, mais aussi de la présence plus élevée de neige fraîche, de glace et d'eau douce et ouverte - toutes les zones sujettes à des niveaux élevés de réflectivité.
Albédo, rayonnement solaire et humains
Aujourd'hui, l'albédo est une préoccupation majeure pour les humains du monde entier. À mesure que les activités industrielles augmentent la pollution atmosphérique, l'atmosphère elle-même devient plus réfléchissante car il y a plus d'aérosols pour refléter l'insolation. De plus, le faible albédo des plus grandes villes du monde crée parfois îlots de chaleur urbains qui impacte à la fois aménagement de la ville et la consommation d'énergie.
Le rayonnement solaire trouve également sa place dans les nouveaux projets d'énergies renouvelables, notamment les panneaux solaires pour l'électricité et les tubes noirs pour le chauffage de l'eau. Les couleurs sombres de ces articles ont de faibles albédos et absorbent donc presque tout le rayonnement solaire qui les frappe, ce qui en fait des outils efficaces pour exploiter la puissance du soleil dans le monde entier.
Quelle que soit l'efficacité du soleil dans la production d'électricité, l'étude du rayonnement solaire et de l'albédo est essentiel à la compréhension des cycles météorologiques de la Terre, des courants océaniques et de la localisation des différents écosystèmes.