FORMULES de PHYSIQUE
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SOLEIL
-soleil
Le soleil est une étoile du type naine jaune (standard)
CARACTÉRISTIQUES GÉNÉRALES (par ordre alphabétique)
-Angle sous lequel l'œil voit le soleil : angle plan de 0°,53 (pour le diamètre)
-Angle solide de visée du soleil depuis la Terre 6,6.10-5 sr
-Champ d'excitation magnétique du soleil : H en surface = 10-1 A/m-sr
-Champ d'induction magnétique du soleil : B (interne) # 1T
-Composition : H² (74%) He (24%)
autres corps simples 2% (surtout C, Fe, Mg, N, Ne, S, Si)
-Densité volumique particulaire :1029 part/m3
-Déviation des rayons lumineux passant à sa proximité (rasants) 1,75 minute d'angle
-Diamètre apparent (depuis la Terre) :
en juillet = 31 minutes d'angle (= 0 ,524 degré, soit aussi 6,6.10-5 stéradian)
en janvier = 32 minutes, soit 0,542 degré d'arc)
-Diamètre réel : 1,4.109 m
-Distance de la Terre : 1,5.1011 m
-Distance du centre de la voie lactée : # 3.1020 m
-Durée de vie présumée = 1010 années
-Énergie totale émise 1,2.1034 J/an dont 18% en lumière
-Flux total rayonné (en toutes directions) : 3,8.1026 W dont 8,16.1016 W
arriveront dans l'atmosphère terrestre
-Fréquence d'un rayonnement solaire : la formule permettant d'évaluer la fréquence d'un rayonnement issu du soleil en fonction de la zone solaire d'où
elle est émise est : f = 9.(h*)1/2
avec f(Hz)= fréquence rayonnement, h*(part/m3)= densité volumique de particules (du plasma solaire de cette zone)
Exemple pour la chronosphère où la température est de l'ordre de 20.000 K et où h* vaut 1018 part/m3 f est très voisine de 1010
-Gravité en surface : 2,74.10² m/s²
-Impact de sa force d'attraction gravitationnelle jusqu'à 1016 m.
-Intensité énergétique de RAYONNEMENT émise = 3,4.1015 W/sr
-Longueur de cohérence :10-6 pour fréquence moyenne
-Luminosité : 3,85.1026 Watts
-Magnitude absolue : (+5) & magnitude normale (-27)
-Masse : 1,989.1030 kg On calcule ainsi la masse solaire >>>
il y a égalité entre la force attractive gravitationnelle de ses constituants et la force répulsive centrifuge, créée par sa rotation, ce qui s’écrit :
(mS.mt.G / W.l²) = mt.v² / l) où ms et t sont les masses solaire et terrestre,
G est la constante de gravitation (8,4.10-10 unités S.I.+), W l’angle solide (4 p sr), v la vitesse de déplacement de la terre (2 pi fois l par an, soit 30.000 m/s) et l(m) = distance soleil-terre (1,5.1011 m.)>> on en déduit
mS = v².W.l / G , soit mS =2.1030 kg
-Masse perdue, eninstantanée = 4.108 kg/s
-Masse volumique moyenne = 1,41.103 kg/m3 (sauf dans la zone du noyau où elle est 100 fois plus forte)
-Parallaxe : 8,794 secondes d'angle
-Période de rotation moyenne (sur lui-même): 27,3 jours
-Période galactique ou temps de la révolution autour du centre de notre
galaxie = 226 millions d'années (soit 7.1015 s.)
-Puissance totale émise 3,8.1026 Watts (dont 36 % en lumineuse, le reste en
I.R ou U.V ou ionisants un peu en ondes gravitationnelles)
-Rayon : 6,96.108 m
-Surface : 6.1018 m²
-Température externe (surface): 5780 K et 5.106 K en zone radiative (couronne)
-Température interne : 2.107 K au noyau
-Vents solaires émis : vitesse moyenne de 450 km/s et ce, jusqu'à une distance de 1012 mètres
-Vitesse angulaire (rotation sur lui-même) : # 3.10-7 rad/s
-Vitesse linéaire sur son orbite équatoriale : 2,4.105 m/s
-Vitesse de libération pour s'extraire de l'attraction solaire : 6,17.105 m/s
-Vitesse linéaire sur son orbite équatoriale : 2,4.105 m/s
-Vitesse du son à l'intérieur 410.000 m/s
-Volume : 1,41.1027 m3
ACTIVITE SOLAIRE
L'activité solaire est un terme général exprimant la valeur des divers paramètres concernant certaines formes d'énergies émises par le soleil. On y trouve :
-la valeur du champ magnétique
Elle est exprimée par une échelle dite "index planétaire" Kp (Kennziffer planetarische) qui va de 0 à 9 et qui prend en compte la puissance du champ magnétique pendant 3 heures consécutives.
Le rythme est considéré comme calme pour Kp < 4 et comme fort pour Kp > 6
-la valeur des rayonnements X
Considérés pour des longueurs d’onde λ comprises entre 1 à 8 angströms (10-10 m.)
La puissance surfacique des rayons X seuls (en W/m²) est dite faible si < 10-5
Elle est forte pour 10-4 W/m² et 10-3 représente un méga-flux
-le débit de fluence de particules
Il est exprimée en part/m²/s/sr (unité valant 104 unités S.I.+)
On regarde surtout le débit de fluence des protons
(faible si # 10-2) et (fort si > 10)
Et le débit de fluence des électrons (normal si # 10 et élevé si > 103)
-les éjections massiques
Ce sont les autres particules (dites C.M.E) qui arrivent par les vents solaires jusqu'à la Terre. Ils sont repérés sur une échelle allant de 1 à 5
ENERGIE SOLAIRE
-Données basiques servant aux calculs ultérieurs
-surface du soleil (6,1.1018 m²)--surface de la Terre (5,3.1014 m²)-
-durée d'une année (3,15.107 s)
-Pourquoi certaines valeurs sont-elles données à 50 kilomètres d'altitude (dite altitude de la constante solaire) ?
parce qu'on estime que dans la zone stratosphérique située à cette distance, on est à la fois :
--forfaitairement et exactement à 150 millions de km du soleil
--et qu’en outre, on est là dans une zone dégagée des pertes énergétiques ultérieures créées par les molécules atmosphériques
A cette distance, on doit appliquer aux énergies (ou aux puissances),un ”abattement global” d’atténuation (= 3,7.10-9) qui tient compte des déperditions entre le soleil et la sphère sise à 50 km du sol terrestre
Il est inclus dans ce coefficient 4 éléments cumulatifs >>
***2.10-5, pour tenir compte de la différence des distances (d’après Newton, c’est le rapport des carrés des distances, l’une étant celle de la surface du soleil, l’autre étant celle située à 150 millions de kms du centre solaire)
***ensuite, encore 0,5.10-5 pour tenir compte du pourcentage entre les angles solides de (liaison-vision) entre les 2 astres ( pour l’un, c’est # 6,7.10-5 sr, à comparer à l’autre angle solide de 4 pi sr (d’émission totale initiale), donc 6,7.10-5 / 12,56 = ~ 0,5.10-5)
***puis environ (1% du reste), pour tenir compte que le soleil n'est pas un corps noir parfait
***et enfin (1,25% du reste), pour tenir compte des déperditions du voyage jusqu'à la stratosphère terrestre (dues aux poussières, effets de bords, molécules dans la mésosphère, etc)
Nota : il restera encore, pour la traversée ultérieure de l’énergie jusqu’au sol, (50 kms plus bas), à appliquer un coefficient d’abattement de (0,123) qui tient compte de l’absorption énergétique par les molécules atmosphériques.
1.QUESTIONS d’ENERGIES
1.1.d’où provient l’énergie du soleil ?
l’énergie globale du soleil est produite par la contraction gravitationnelle :
E = (600).m².G / W.lrs où m (2.1030 kg) est la masse solaire, G(8,4.10-10 unités S.I.+ est la constante de gravitation, W l’angle solide (4 p), lrs(7.108 m) est le rayon solaire et 600 est un facteur correspondant à l’irrégularité distributive des masses sur le rayon solaire au cours de sa vie
La valeur numérique résultante est de ~ 2,3.1044 Joules
On peut aussi dire que le soleil aura émis une puissance supposée constante (telle celle de cet instant, qui est de 3,8.1026 Watts), pendant une durée de vie totale de 20 milliards d’années, ce qui représentera bien une énergie totale de ~ 2,3.1044 Joules
1.2.énergie émise par le soleil (en 1 année)
Ce n’est que 1,2.1034 Joules (/an)
Et la partie utile, correspondant à la partie du soleil faisant face à la Terre, n’en représente que la moitié (6.1033 Joules (/an)
1.3.énergie reçue (en 1 année) à 50 km de la Terre
c’est l’énergie utile émise par le soleil (6.1033 Joules/an), minorée du coefficient de 3,7.10-9) tenant compte de la transmission de l’énergie jusqu’à la sphère sise à 50 km de notre sol
Il reste alors 2,2.1025 Joules par an
1.4.énergie reçue (en 1 année) sur le sol terrestre
c'est l’énergie reçue à 50 km (2,2.1025 Joules par an) x (0,123 de déperdition dans le transfert à travers l'atmosphère = 2,7.1024 J/an
La Terre absorbe 44% de l'énergie qu'elle reçoit et renvoie le reste (56%) dans l'espace
2.QUESTIONS de PUISSANCES
2.1.puissance émise par le soleil en toutes directions (dite RAYONNEMENT ou luminosité bolométrique intrinsèque (bolométrique signifiant totalité de toutes les longueurs d'ondes émises et intrinsèque rappellant que c'est une qualité propre à l'astre, mais pas à sa position)
C’est l’énergie émise (1,2.1034J) pendant une année (qui est = 3,15.107s) donc la puissance est ~ 3,8.1026 Watts,et comme il n’en est émis que la moitié face à la Terre, on ne perçoit qu'une puissance utile de 50%, soit 1,9.1026 W
Rappelons que la puissance brute est donnée par la formule théorique
P = S.Kr.(T)4 où Kr est la constante de Stefan-Boltzmann (5,67.10-8), T la température en surface du soleil (5.780 K) et S(m²) la surface du soleil (6,1.1018 m² >>> cela donne # 3,8.1026 Watts
dont la moitié (# 1,9.1026) est émise face à la Terre
2.2.puissance reçue à 50 km d'altitude
c'est la puissance émise par le soleil, minorée du coefficient de déperdition dû à la distance, soit :(1,9.1026 W)x(3,7.10-9) # 7.1017 Watts
2.3.puissance moyenne utile reçue sur le sol terrestre
c’est la puissance reçue à 50 km (7.1017 W) abattue du coefficient de transfert dans l’atmosphère (0,123) et encore réduite de moitié (pour tenir compte de la nuit) donc c’est ~ 4,3.1016 W
La partie correspondant à la seule lumière visible est de 36% soit
1,5.1016 W (ou environ 9.1018 lux-m²)
La France métropolitaine bénéficie d’environ 1/1.000 de ces valeurs
3.QUESTIONS de PUISSANCES SURFACIQUES
3.1.puissance surfacique globale émise par le soleil en toutes directions (elle est dite irradiance)
C'est le quotient de sa puissance émise par sa surface (soit # 3,8.1026 W / 6,1.1018 m²) # 6,2.107 W/m² sur sa surface totale
3.2.puissance surfacique reçue à 50 km du sol terrestre
c'est la puissance qu’on y reçoit (7.1017 W) répartie sur la surface de la sphère à 50 km d'altitude (# 5,2.1014 m²) = 1361 W/m²
Cette valeur est la constante solaire (moyenne retenue par la communauté scientifique)
3.3.puissance surfacique reçue sur le sol terrestre
c'est la puissance surfacique reçue à 50 km (1361 W/m²) abattue du coefficient de transfert dans le vide (0,123) donc c’est 168 W/m²
Ces 168 W/m² que l'on nomme éclairement sont constitués de 3 rayonnements:
--les ultraviolets pour 30 W/m² (donc 18 % des 168)
--les infrarouges pour environ 77 W/m² (soit 46 % des 168)
--la lumière visible (couleurs du spectre) = 61 W/m², c'est à dire 36 %
4.AUTRES QUESTIONS ENERGETIQUES
4.1.puissance spatiale reçue au sol par la Terre (P' dite intensité reçue)
c’est la puissance reçue (4,3.1016 W) ramenée à l’angle solide de transmission (4 pi, soit 12,56 sr) soit donc = 3,4.1015 W/sr.
Dont # 1,2.1015 W/sr pour la lumière (soit 7.1017 lx-m²/sr)
4.2.puissance surfacique spatiale reçue sur la Terre, depuis le soleil
on la nomme réceptivité.
C’est la puissance reçue (4,3.1016 W) ramenée à l’angle solide de transmission (4 pi, soit 12,56 sr) et ramenée aussi à la surface, c’est donc 67 W/m²-sr
La part concernant la lumière seule (dite illuminance ou luminosité apparente ou éclat reçu) est # 24 W/m²-sr soit 1400 nits
4.3.durée d’ensoleillement: c'est une durée de présence du soleil (donc correspond à un coefficient faisant varier la quantité d'énergie apportée)
revoir chapitre spécial
UTILISATIONS de l'ENERGIE SOLAIRE
-énergie recueillie par panneaux photovoltaîques (dits P.V. en abrégé)
Voir chapitre spécial
-énergie recueillie par capteurs thermiques (dits aussi panneaux solaires thermiques)
L'énergie est ici produite par la récupération des rayons thermiques solaires (donc surtout infra-rouges) grâce à des appareils dits capteurs (ou hélio-capteurs, ou panneaux solaires) dans lesquels circule un fluide caloporteur (souvent eau ou air)
Le rendement est # 5 fois supérieur à celui des panneaux photovoltaïques et la production énergétique est de l'ordre de :
-400 kwh/m² dans des zones moyennement ensoleillées (nord de la France)
-800 kwh/m² dans les zones très ensoleillées (S.E. de la France)