Atelier A10 :

Mesure de la constante solaire et de la température de la photosphère solaire, par une expérience de calorimétrie

Présentation

- Objectifs :

Mesure de la constante solaire et de la température de surface du Soleil.

- Lien avec l'éclipse de 1999 :

Lien avec l'éclipse : étude générale du Soleil ; observation de la diminution de la température au moment de l'éclipse.

Principe :

- On repère la variation de température d'un disque métallique exposé pendant une durée donnée, perpendiculairement aux rayons du Soleil.

- On en déduit par un calcul simple de calorimétrie la valeur de la constante solaire au sol, c'est à dire la quantité d'énergie solaire reçue chaque seconde par une surface de 1 mètre carré perpendiculaire aux rayons du Soleil.

- Le disque métallique est peint en noir et isolé correctement pour éviter les pertes de chaleur par conduction, convection et rayonnement (voir schéma sur Astrophysique 18 fiches CLEA Belin).

- La valeur admise (dans ces conditions d'enSoleillement ) est : P = 1000 W/m2.

L'expérience réalisée donne des valeurs inférieures mais respectant l'ordre de grandeur.

- Si on fait plusieurs mesures le même jour, avec un ciel de même qualité, on peut obtenir la valeur P0 de la constante solaire hors atmosphère. On fait pour cela un calcul classique d'absorption permettant d'exprimer par une relation affine, le logarithme népérien de P en fonction d'une variable h/cos z, z étant la distance zénithale du Soleil (le complément de sa hauteur sur l'horizon).

- Le tracé expérimental de la droite correspondante permet d'obtenir l'ordonnée à l'origine P0.

- La valeur généralement admise est : P0 = 1300 W/m2.

Température de la photosphère du Soleil :

- En écrivant que l'énergie émise chaque seconde par le Soleil se répartit, sur la surface d'une sphère de rayon d (distance Soleil - terre), et en utilisant la loi de Stefan (on admet que le Soleil se comporte comme un corps noir), on peut calculer la température de la photosphère.

- On trouve une valeur proche de 6000 K, admise généralement.

- Résultats :

- Au cours d'une même journée, 7 mesures ont été réalisées avec des angles zénithaux compris entre 45 et 75 ; d'une durée de 5 minutes chacune.

- Les élévations de température obtenues variaient entre 7.0C et 3.3C. Ces valeurs conduisent à des puissances reçues au sol comprises entre 880 et 403 W/m2.

- Le traitement mathématique des résultats expérimentaux donne pour la constante solaire hors atmosphère une valeur de 1200 W/m2, ce qui est acceptable compte tenu de la simplicité du matériel utilisé. (le coefficient de corrélation de la régression linéaire effectuée est 83%).

Commentaires :

- 1/ On néglige les pertes, ce qui est un peu abusif. On pourrait améliorer le résultat :

soit en traçant la courbe d'évolution de la température en fonction du temps, et en prenant la tangente à cette courbe à l'origine ;

soit en étudiant, après la mesure, le refroidissement du dispositif, afin d'évaluer les corrections à apporter, ce qui est un peu complexe.

- 2/ Pour que les échauffements soient comparables, il est bon de partir, pour chaque mesure, de la même température initiale (si possible un peu inférieure à la température ambiante).

- 3/ Le déplacement apparent du Soleil nécessite, si la mesure se prolonge, de corriger, avec précaution, l'orientation du dispositif sans interrompre celle-ci.

- 4/ On a intérêt à faire plusieurs mesures avec des angles zénithaux aussi étalés que possible, ce qui n'est pas réalisable avec une seule classe, durant une seule séance de TP. Il est donc nécessaire de constituer un fichier des mesures réalisées. Le classement dans ce fichier devra cependant tenir compte de la qualité du ciel lors de chaque mesure.

Réinvestissement en classe

- en collège :

Niveaux 5ème et 4ème : en physique :

- Mesure des températures et tracés des courbes de variation de la température en fonction du temps.

- Recommencer les expériences en changeant la couleur de la face du capteur exposé au Soleil : comparer les variations de températures obtenues avec des faces noire, blanche, colorées.

- Ces expériences pourraient s'intégrer dans l'explication du cycle de l'eau, (évaporation de l'eau de mer par l'énergie du Soleil).

en mathématiques :

- Gestion de données ; construction de tableaux, de graphiques.

Niveau 3ème et BEP : en physique : Le Soleil comme source d'énergie.

- Chauffer le cylindre soit avec une flamme (combustion), soit avec une plaque électrique soit avec le Soleil ; dans les trois cas l'augmentation de la température est due à un apport d'énergie.

- Cellules photovoltaïques : comme les piles, elles permettent de faire fonctionner un moteur.

- Faire l'étude de la variation d'énergie reçue en fonction de l'inclinaison des rayons du Soleil par rapport au récepteur : on peut justifier ainsi les variations de température suivant les saisons.

En BEP (énergétique) : calcul de la chaleur reçue par le disque et calcul de la constante solaire au niveau du sol.

- au lycée :

Intérêt général : c'est une expérience simple, avec un dispositif rudimentaire, qui permet de mesurer l'énergie émise par le Soleil.

Ce TP s'inscrit dans le travail pluridisciplinaire SVT, Physique et Mathématiques.

Notions abordées :

En physique, ce TP est une bonne illustration des notions de calorimétrie, de source d'énergie, d'énergie solaire. Il entre parfaitement dans le cadre de la partie calorimétrie du programme de 1ère S.

En SVT :La détermination de la constante solaire est l'une des activités envisageables dans le cadre de la partie du programme de 1ère S intitulée "Géodynamique externe et énergie du rayonnement solaire" : mesure de la constante solaire, notion et mesures d'albédo, albédo de l'atmosphère terrestre avec application à l'effet de serre.

- Ce TP permet d'adopter une démarche expérimentale, comme il nous est conseillé de le faire faire aux élèves : c'est à dire enseigner par résolution de problèmes scientifiques.

Ici le fait d'observation est que le Soleil nous fournit de la chaleur, de l'énergie.

Le problème à résoudre est de mesurer la quantité d'énergie solaire reçue à la surface du sol.

Il est possible de faire trouver par les élèves des principes de mesure et des protocoles expérimentaux, ou de leur demander une justification raisonnée de la conception de l'instrument de mesure proposé.

En mathématiques : tracé de courbes, recherche d'une tangente à une courbe, calcul de coefficient directeur.

Ce TP peut être conduit indifféremment par les professeurs de SVT et de physique.

Si l'on dispose de 3 heures (comme en option de 1ère S), les mesures de la quantité de chaleur absorbée peuvent être répétées pour différentes hauteurs zénithales. Il faudra alors une collaboration du professeur de mathématiques pour aborder les sujets suivants : intégration et fonction logarithme qui sont du programme de terminale.

Le phénomène d'absorption peut aussi être expliqué uniquement d'un point de vue de physicien ; il permet d'établir une équation différentielle, dont on donnera le résultat sans développement mathématique.

Ce TP, déjà réalisé, par un des stagiaires, dans une classe de 1ère S, avec collaboration entre les professeurs de sciences physiques et de SVT, s'est révélé très riche :

Fabrication du dispositif le mercredi après midi par les élèves ; 1h 30 de TP ; enthousiasme des élèves !

Contrainte : Ce TP est tributaire des conditions météorologiques.

- éléments bibliographiques

* "18 fiches d'Astrophysique" CLEA BELIN J. Ripert & al chez Belin

* BUP n 766 "laissons leur l'initiative" J. Ripert