Mesure de la Constante Solaire et de la température du Soleil:
| Matériel
nécessaire:
1 bidon d’huile moteur (2L), en métal, et rincé à l’acétone 1 thermomètre acceptant 0,2°C de précision 2L d’eau environ pour en remplir le bidon... De la peinture noire mate De quoi mesurer un intervalle de temps à 10 secondes près |
Qu'est-ce que la constante Solaire?
C'est l'énergie reçue de la part du Soleil, au niveau de
l'orbite terrestre, par seconde et par mètre carré.
Nous, nous devrons nous contenter de ce qui est reçu au niveau du sol, c'est à
dire ce qui reste de cette énergie après la traversée de notre atmosphère.
Principe de la mesure:
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L'énergie reçue du Soleil peut servir à chauffer de la matière. L'élévation de température est proportionnelle à l'énergie qu'absorbe ce matériau. De plus, l'absorption sera d'autant plus efficace que le matériau en question sera sombre. En résumé, il suffira d'exposer face au rayonnement solaire, un bidon métallique (bon conducteur de chaleur...) peint en noir mat (très absorbant...) et plein d'eau, et de mesurer à chaque instant (toutes les minutes...) sa température, pour obtenir par un calcul simple, la puissance solaire reçue au niveau du sol. Les mesures seront d'autant "meilleures" que le Soleil sera haut dans le ciel et que celui-ci sera dégagé... |
Résultats:
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La courbe obtenue est une droite, dont la pente est en fait l'augmentation de température par intervalle de temps (DT/Dt ). |
Calculs:
La puissance reçue réchauffe le bidon métallique, et l'eau qu'il contient:
ou
P =(mbidon.cfer+meau.ceau).DT/Dt |
P: Puissance reçue (en Watts) mbidon: masse du bidon meau: masse d'eau (ces 2 masses sont en grammes) cfer: chaleur massique du métal du bidon: 0,46 J.g-1.K-1 ceau: idem pour l'eau: 4,18 J.g-1.K-1 DT: variation de température (en °C ou en K, c'est pareil...) Dt: intervalle de temps (en secondes) |
Enfin, pour finir, la constante Solaire: C = P / S
S: Surface du bidon faisant face au Soleil (en m2)
Trois remarques:
1/ Cette " constante " varie suivant l'état
du ciel. Elle vaut 1370 W/m2 hors atmosphère, et est diminuée d'environ
20 à 25% sur le plancher des vaches.
2/ Ne pas tenir compte des 2 ou 3
premières minutes de la courbe, qui ne reflètent que le temps nécessaire au
système pour atteindre un état stationnaire.
3/ Éviter de secouer le bidon ou de déplacer
le thermomètre en cours de mesure...
Extension possible:
La constante solaire et la distance
Terre-Soleil permettent de remonter à la température de surface du Soleil:
En effet, la puissance émise par 1 m² de surface solaire (M: son émittance) est diluée le long de son trajet jusqu'à la Terre. Cette dilution se fait suivant la loi habituelle de l'inverse du carré des distances, plus précisément:
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et donc |
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C: constante solaire; d = 150 millions de km; R = 0,7 millions de km |
Il reste à connaître la relation entre l'émittance du Soleil et sa température, c'est la loi de Stefan:
M = s . T4 (s: constante de Stefan valant 5,6697.10-8 W.m-2.K-4).
D'où, TK = (M/s)0,25 ce qui doit donner non loin de 5800 Kelvin.