Rayonnement solaire

Rayonnement solaire à travers les lattes d'une palissade.

Le rayonnement solaire est l'ensemble des ondes électromagnétiques émises par le Soleil.

Il est composé de toute la gamme des rayonnements, de l'ultraviolet lointain comme les rayons gamma aux ondes radio en passant par la lumière visible^[1]. Le rayonnement solaire contient aussi des rayons cosmiques de particules animées d'une vitesse et d'une énergie extrêmement élevées.

Composition

L’émission d'ondes électromagnétiques par le Soleil est convenablement modélisée par un corps noir à 5 800 kelvins, et peut donc être décrit par la loi de Planck. Le maximum d’émission est dans le vert (λ=504 nm), et la répartition du rayonnement est à peu près pour moitié dans la lumière visible, pour moitié dans l'infrarouge, avec 1 % d'ultraviolets^[2].

Arrivé au niveau de la mer, c'est-à-dire ayant traversé toute l'atmosphère terrestre, une partie du rayonnement solaire a été absorbée. On peut repérer notamment sur le spectre ci-contre les bandes d'absorption de l'ozone (qui absorbe une partie importante des ultraviolets), du dioxygène, du dioxyde de carbone et de l'eau.

Nature

L'intensité du rayonnement n'est pas constante et augmente lors des éruptions solaires pendant les maxima du cycle solaire. Le rayonnement solaire se décompose en trois parties :

• L'émission du Soleil calme (voir constante solaire),
• La composante lentement variable,
• Les sursauts solaires.

L'étude du rayonnement électromagnétique du Soleil par la radioastronomie a permis d'énormes progrès dans la compréhension du fonctionnement interne du Soleil. Les ondes radio émises par le Soleil proviennent principalement des plasmas constituant la chromosphère et la couronne solaire. Les ondes centimétriques correspondent aux couches basses de la chromosphère tandis que la couronne émet des ondes décamétriques. Le plasma agit en fait comme un filtre passe-haut dont la fréquence de coupure dépend de la densité électronique du milieu. Cette fréquence (en Hz) se calcule avec la formule suivante :

où N_e est la densité électronique du plasma en électrons/m³. Par exemple, dans la chromosphère, à 18 000 K, la densité électronique est égale à 10¹⁸ à la fréquence de 9 GHz (longueur d'onde 3 cm).

Rayonnement sur la Terre

Une faible partie du rayonnement solaire parvient jusqu'à la surface de la Terre, des ondes radio décamétriques aux rayons ultraviolets les plus mous, le reste étant réfléchi ou absorbé par l'atmosphère et l'ionosphère.
Lorsqu'il atteint la surface de la Terre, en fonction de l'albédo de la surface frappée, une partie plus ou moins importante du rayonnement est réfléchie^[1]. L'autre partie de ce rayonnement est absorbée par la surface de la Terre (convertie en chaleur) ou par les êtres vivants qui y vivent, en particulier les végétaux (photosynthèse). Cette source d'énergie, appelée énergie solaire, est à la base de la vie.

Importance écosystémique

Elle est majeure pour la vie sur terre. Le rayonnement solaire est en effet :

• source d'énergie solaire, énergie rayonnante qui rend possible la vie sur Terre d'une part par apport d'énergie thermique (chaleur, qui permet la présence d’eau à l’état liquide et de vapeur) et d'autre part en tant que source d'énergie lumineuse (lumière) ;
• nécessaire à la photosynthèse (utilisée par les végétaux, mais aussi par les lichens et certains micro-organismes). La lumière solaire est ainsi à l'origine de la quasi-totalité des réseaux trophiques (et de l'essentiel du carbone fossile) ;
• permet l'orientation de nombreuses espèces (grâce à la polarisation naturelle de la lumière solaire, même quand elle est réfléchie par la lune, lors du clair de lune) ; certaines espèces utilisent la polarisation de la lumière réfléchie par l'eau ou la cuticule de certaines plantes ;
• contribue à l'épuration chimique de l'eau en détruisant certaines molécules écotoxiques ou indésirables (quand l'eau n'est pas trop turbide)^[3]. La lumière solaire (UV) a formé et entretient la couche d'Ozone qui protège les écosystèmes d'un excès d'UV cancérigènes et destructeurs (tout en contribuant à former au niveau du sol de l'ozone troposphériques toxique et écotoxique, principalement à partir des polluants dits "précurseurs de l'ozone", émis par les moteurs, chaudières centrales, incendies...
• les UV solaires contribuent aussi à détruire une partie des microbes vivants ou survivants dans les couches supérieures des eaux superficielles et océaniques (spectre ultraviolet)^[4].
• La chaleur apportée par le soleil a un effet synergique qui renforce l'effet désinfectant des UV solaires^[5], mais quand le ciel est lumineux mais couvert, cet effet disparaît^[5].

Importance sanitaire

La lumière solaire est nécessaire à la santé humaine :

• le cycle jour-nuit cale la plupart des cycles biologiques humains ;
• les UV solaires sont nécessaires à la synthèse de la vitamine D^[6] ;
• les UV solaires contribuent aussi à détruire une partie des microbes vivants ou survivants ou ayant contaminé des eaux de baignades ou eaux susceptibles d'être utilisées comme eau potable ou d'irrigation, avec une efficacité moindre dans les eaux turbides^[7], ou rendues turbides par les activités humaines.
  Cette propriété est utilisée pour la destruction de bactéries fécales (ex : Escherichia coli et Enterococcus faecalis) par certains dispositif rustiques et sobres en énergie d’épuration de l'eau adaptés à des régions très ensoleillées (désinfection totale en 3 à 6 h, avec des moyens peu onéreux, efficacement (en présence d'oxygène^[8]), testée en Inde, Afrique du Sud...)^[9],[10]. En respectant certaines conditions, le même procédé semble pouvoir efficacement détruire nombre de virus et des œufs de parasites^[11].

Notes et références

Voir aussi

Articles connexes

• Soleil
• Constante solaire
• Météorologie de l'espace
• Énergie solaire

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