Fiche de révision : Rayonnement solaire et santé

📋 Plan du Cours

1. Puissance radiative et angle d’incidence
2. Variations temporelles et géographiques
3. Mouvements terrestres et saisons
4. Effets des ultraviolets sur la santé
5. Prévention de l’exposition aux UV
6. Puissance solaire reçue par la Terre
7. Albédo et rayonnement terrestre
8. Effet de serre atmosphérique
9. Équilibre radiatif et réchauffement

📖 1. Puissance radiative et angle d’incidence

🔑 Notions clés & Définitions

• Puissance radiative reçue : Énergie apportée par le rayonnement solaire à une surface par unité de temps, exprimée en watt (W).

★ À maîtriser

• La puissance radiative reçue par une surface plane est proportionnelle à l’aire de cette surface et dépend de l’angle entre sa normale et la direction du Soleil.

Compléments

• Pour une surface de 1 m², la surface éclairée par un même faisceau vaut 1 m² à 0°, 1,4 m² à 45° et 2 m² à 60° d’angle d’incidence.

💡 Astuce mémo

Rayons perpendiculaires : énergie concentrée ; rayons obliques : énergie étalée.

📖 2. Variations temporelles et géographiques

★ À maîtriser

• La puissance solaire reçue par unité de surface terrestre varie selon la latitude, la saison et l’heure.

• La rotation de la Terre sur elle-même modifie l’angle d’incidence des rayons au cours de la journée et entraîne une variation journalière de la puissance reçue par unité de surface.

• L’inclinaison de l’axe terrestre par rapport au plan de l’écliptique et la révolution de la Terre autour du Soleil font varier l’angle d’incidence des rayons selon le moment de l’année et entraînent les variations saisonnières.

Compléments

• Les températures moyennes au sol sont globalement plus élevées vers l’équateur et diminuent vers les pôles, contribuant à la zonation climatique selon la latitude.

💡 Astuce mémo

Terre ronde → rayons plus obliques vers les pôles → puissance surfacique réduite.

📖 3. Mouvements terrestres et saisons

★ À maîtriser

• L’axe de rotation de la Terre est incliné de 23,5° par rapport à la perpendiculaire au plan de l’écliptique.

Compléments

• La rotation terrestre dure environ 24 heures, soit un jour.

• Une révolution complète de la Terre autour du Soleil dure 365,25 jours, soit un an.

• La trajectoire terrestre est une ellipse : la Terre est à 146 millions de kilomètres du Soleil au début janvier (périhélie) et à 151 millions de kilomètres au début juillet (aphélie).

📖 4. Effets des ultraviolets sur la santé

★ À maîtriser

• Une exposition excessive aux UV peut provoquer à court terme des inflammations cutanées, notamment l’érythème ou coup de soleil, des inflammations oculaires et des changements cutanés comme le bronzage ou l’épaississement des couches superficielles.

• À long terme, une exposition excessive aux UV peut causer des pathologies oculaires, une immunosuppression, le vieillissement et la pigmentation cutanés, des lésions précancéreuses et des cancers de la peau ou de la lèvre.

• Le CIRC classe les UV naturels et artificiels comme cancérogènes, et estime que 85 % des mélanomes cutanés chez les plus de 30 ans sont dus à une exposition excessive aux UV solaires.

📌 Les UVA pénètrent jusqu’au derme et accélèrent le vieillissement cutané et favorisent les cancers, tandis que les UVB agissent dans l’épiderme, provoquent les coups de soleil et favorisent aussi le vieillissement et les cancers cutanés.

Compléments

• Les ultraviolets sont invisibles à l’œil humain et sont émis naturellement par le Soleil ainsi que par des sources artificielles.

• Le risque de mélanome augmente de 60 % chez les personnes ayant connu une première exposition aux UV artificiels avant l’âge de 30 ans. - CIRC

• L’exposition à la lumière solaire peut améliorer l’humeur et permettre à l’organisme de produire de la vitamine D; les UV peuvent aussi traiter certaines maladies sous supervision médicale.

📖 5. Prévention de l’exposition aux UV

★ À maîtriser

• Pour réduire l’exposition aux UV, il faut éviter le soleil ou rechercher l’ombre, qui constitue le meilleur moyen de protection, sachant qu’un parasol à la plage ne protège pas intégralement.

• En été, il faut éviter le soleil entre 10 h et 14 h en Outre-mer et entre 12 h et 16 h en métropole, lorsque les rayons sont les plus intenses.

• La crème solaire indice 50 anti-UVB et anti-UVA doit être appliquée en quantité suffisante toutes les 2 h et après baignade ou sport sur les parties découvertes; elle ne filtre pas tous les UV et ne justifie pas de prolonger l’exposition.

Compléments

• En cas d’exposition, les vêtements couvrants et si possible anti-UV, un chapeau à bords larges et des lunettes avec filtre anti-UV de norme CE, catégorie 3 ou 4, limitent la pénétration des UV.

• Les bébés ne doivent jamais être exposés au soleil, et les enfants et adolescents doivent particulièrement se protéger car leur peau et leurs yeux sont plus sensibles jusqu’à la puberté.

• Il faut éviter les UV artificiels en cabine de bronzage, qui présentent un risque de cancer cutané quel que soit l’âge d’exposition.

• En France métropolitaine, les UV solaires sont très forts de début mai à fin août et sont particulièrement intenses sous les tropiques; plus l’indice UV est élevé, plus il faut se protéger et limiter l’exposition, même par ciel nuageux ou brouillard.

💡 Astuce mémo

Ombre d’abord, vêtements ensuite, crème en complément.

📖 6. Puissance solaire reçue par la Terre

★ À maîtriser

📐 Formule - La puissance surfacique solaire à la distance Terre-Soleil vérifie $P_s = \frac{P_{Soleil}}{4\pi d_{TS}^2}$.

• La puissance surfacique solaire reçue à la distance de la Terre est d’environ 1 365 W/m², proche de la constante solaire de 1 368 W/m².

📐 Formule - La puissance solaire effectivement interceptée par une planète de rayon R à la distance d du Soleil vérifie $P_{reçue} = P_s\pi R^2 = P_{Soleil}\frac{R^2}{4d^2}$.

• La puissance solaire moyenne reçue par unité de surface de la sphère terrestre est de 342 W/m².

Compléments

• La distance Terre-Soleil est d’environ 1,5 × 10¹¹ m et le rayon terrestre d’environ 6,4 × 10⁶ m.

• La puissance solaire reçue par la Terre est d’environ 1,76 × 10¹⁷ W, et celle reçue par Vénus est d’environ 3,00 × 10¹⁷ W.

📖 7. Albédo et rayonnement terrestre

🔑 Notions clés & Définitions

• Albédo terrestre : Le rapport entre la puissance solaire renvoyée vers l’espace par la surface et l’atmosphère et la puissance solaire incidente.

★ À maîtriser

• L’albédo terrestre moyen est proche de 0,3, soit 30 % ; environ 70 % de la puissance solaire incidente est absorbée par l’atmosphère et la surface terrestre.

Compléments

📐 Formule - La puissance surfacique réfléchie se calcule par $P_{réfléchie} = \alpha P_{incidente}$, où α est l’albédo.

• Pour une puissance incidente de 342 W/m² et un albédo de 0,3, la puissance réfléchie est de 102,6 W/m² et la puissance absorbée par l’ensemble Terre-atmosphère est de 239,4 W/m².

💡 Astuce mémo

L’albédo renvoie une part du rayonnement ; le reste est absorbé.

📖 8. Effet de serre atmosphérique

🔑 Notions clés & Définitions

• Effet de serre : Le phénomène par lequel des gaz atmosphériques absorbent le rayonnement infrarouge émis par la surface et tendent ainsi à augmenter la température de surface d’une planète.

★ À maîtriser

• La surface terrestre émet un rayonnement électromagnétique infrarouge dont la puissance par unité de surface augmente avec la température.

• Dans le domaine infrarouge, des gaz à effet de serre, notamment la vapeur d’eau, le CO₂ et le méthane, absorbent une partie du rayonnement émis par la surface, avec une absorption qui varie selon la longueur d’onde.

Compléments

• L’atmosphère émet un rayonnement infrarouge dans toutes les directions ; une partie s’échappe vers l’espace et le reste est dirigé vers la Terre, où il s’ajoute au flux solaire incident.

💡 Astuce mémo

La surface émet en infrarouge, l’atmosphère en absorbe une partie, puis en renvoie vers la Terre.

📖 9. Équilibre radiatif et réchauffement

🔑 Notions clés & Définitions

• Équilibre dynamique : Un état dans lequel la surface terrestre reçoit au total une puissance moyenne égale à celle qu’elle émet, ce qui maintient constante sa température moyenne.

★ À maîtriser

• À l’équilibre radiatif, la puissance solaire absorbée par l’ensemble surface terrestre-atmosphère est égale à la puissance infrarouge émise vers l’espace.

• 🔄 L’augmentation des gaz à effet de serre entraîne : une absorption atmosphérique accrue du rayonnement infrarouge émis par la surface, une hausse de la puissance radiative reçue par la surface, une perturbation de l’équilibre radiatif préindustriel

Compléments

• La température moyenne de la surface terrestre à l’équilibre radiatif est de 15 °C.

📐 Formule - Le bilan radiatif simplifié s’écrit $342 - 102 - 240 = 0$, en W/m², pour la puissance solaire reçue, la puissance renvoyée par réflexion et la puissance infrarouge réémise.

• Le réchauffement climatique global mesuré depuis un siècle et demi est présenté comme une réponse du système climatique à l’augmentation du forçage radiatif due aux émissions de gaz à effet de serre, principalement le CO₂, le CH₄, le N₂O et la vapeur d’eau.

💡 Astuce mémo

Hausse des GES → absorption infrarouge accrue → perturbation de l’équilibre radiatif.