Question:
Pourquoi l'intensité de la lumière du soleil dépend-elle de votre latitude?
Aaron
2017-09-29 01:28:45 UTC
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Les habitants de l'équateur peuvent profiter de plus de soleil que le Père Noël et les autres habitants des régions arctiques. Pas tout à fait aussi prononcé, mais ils obtiennent plus que moi aussi.

Pourquoi la lumière du soleil est-elle plus intense plus près de l'équateur et moins intense plus loin?

Quand j'ai posté cette question , Je ne pensais pas aux ambiguïtés possibles, telles que «Parlez-vous de l'exposition sur une surface avec un angle non perpendiculaire au soleil» ou «Parlez-vous de la lumière recueillie par une optique faisant face au soleil? " Il existe une différence. Étant donné que "se prélasser au soleil" était l'exemple d'utilisation, supposons une exposition sur une surface qui repose sur le sol.

J'avais posté ceci à l'origine comme réponse à une question sur un autre site Stack Exchange (The Great Outdoors), puis j'ai réalisé que j'avais mal lu l'autre question et que ma réponse n'y répondait pas vraiment. Pour enregistrer la réponse, quelqu'un m'a suggéré de publier un Q&R ici sur earthscience.stackexchange. J'espère que ça va mieux ici.
Merci @Spencer. Les questions ne sont pas identiques, mais oui, elles sont suffisamment proches pour être marquées en double, et les réponses sont les mêmes. La réponse à l'autre question a également de meilleures images et traite de l'effet atmosphérique plus en détail. Merci.
Mon erreur - c'est moi qui ai conseillé de republier ceci à l'extérieur. J'ai d'abord recherché les doublons, mais j'ai manqué celui-là.
Deux réponses:
#1
+13
Aaron
2017-09-29 01:28:45 UTC
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Comme indiqué dans les commentaires, cette réponse s'applique à des choses comme les bains de soleil et les panneaux solaires, mais elle ne s'applique pas tellement à un récepteur ponctuel spécifique comme un globe oculaire. Si tous les objets en question pointent directement vers le soleil, alors l'angle d'incidence est égal pour tous et cette réponse ne s'applique pas.

Pour une optique faisant face à sa cible, la quantité d'atmosphère que le la lumière passe à travers est un très grand influenceur. Aux latitudes plus élevées, le soleil n'est pas directement au-dessus de la tête, et donc la lumière ne descend pas directement par le chemin de la moindre atmosphère. Au lieu de cela, il entre sous un angle, traversant une plus grande partie de l'atmosphère avant de vous atteindre.

Pour les baigneurs de soleil, les panneaux solaires et le sol en général, la lumière du soleil absorbée et réfléchie dépend beaucoup beaucoup sur ce qui est décrit dans cette réponse. Pour cette raison, des panneaux solaires plus chers sont montés sur des appareils qui modifient leur angle pour faire face au soleil pour une exposition accrue à la lumière. Et un baigneur de soleil pourrait également augmenter son exposition en montant sa plate-forme en biais. C'est la direction que prendra le reste de la réponse.

La réponse est similaire à la réponse à d'autres questions, telles que "Pourquoi l'intensité de l'énergie solaire change-t-elle avec la saison?" et "Pourquoi l'intensité solaire change-t-elle avec la hauteur du soleil dans le ciel (c'est-à-dire: avec l'heure du jour)?"

La version très courte et non technique (tl; dr)

Chaque unité (pensez "rayon de soleil") est répartie sur une plus grande surface.

Cela peut ne pas sembler intuitif au début, mais c'est la réponse en un mot. Pour comprendre pourquoi, continuez vers la version longue.

La mécanique de la situation

Le soleil est énorme, mais à de grandes distances, il peut être considéré comme une source ponctuelle de lumière. Le soleil émet de la lumière dans toutes les directions, de sorte que son énergie, le rayonnement électromagnétique, peut être considéré comme des rayons de soleil qui en sortent dans toutes les directions. Cependant, plus vous vous éloignez, moins il y a de rayons de soleil qui traversent votre chemin, et si vous vous éloignez, vous pouvez voir, à partir de l'illustration ci-dessous, que les lignes qui croisent votre chemin deviennent de plus en plus parallèles et directionnelles .

Sun as point source of light

Cependant, le soleil est très, très, très loin - beaucoup à des millions de kilomètres (et de kilomètres). À cette distance, le rayonnement électromagnétique arrive tous selon des trajectoires à peu près parallèles. Autrement dit, la lumière qui nous parvient peut être considérée comme provenant d'une source lumineuse directionnelle ; tout va dans le même sens. Vous verrez mon illustration grossière de cela après la photo suivante, mais d'abord ...

Lorsque cela se produit, l'angle auquel la lumière arrive par rapport à la surface de la terre à laquelle elle arrive , appelé angle d'incidence , c'est ce qui fait toute la différence ici. Dans l'image ci-dessous, nous avons de la lumière arrivant de la gauche, peut-être d'une ou plusieurs lampes de poche, et deux objets que nous voulons voir. La surface de l'objet ci-dessous sera davantage éclairée, mais la surface de l'objet ci-dessus sera moins éclairée.

Surface area illumination of triangles at different angles of incidence

Remarquez l'objet ci-dessus obtient 2 unités de lumière pour éclairer toute sa surface, tandis que l'objet ci-dessous reçoit 5 unités de lumière pour sa surface.

Vu d'une autre manière, l'objet ci-dessus doit répandre 2 unités de lumière sur toute sa surface. surface, où l'objet ci-dessous reçoit la même quantité de lumière concentrée sur une petite partie seulement.

Revenons maintenant sur Terre

Nous voyons la même chose se produire. Remarquez dans l'image ci-dessous que j'ai étiqueté le diamètre de la zone couverte par mon unité arbitraire de lumière. La distance est littéralement mesurée en pixels d'image. Près de l'équateur, 1 unité de lumière éclaire 27 pixels, mais plus près du pôle, la même quantité de lumière doit être répartie sur 61 pixels de la surface de la Terre, elle est donc moins éclairée.

enter image description here

Et c'est la réponse à la question, et aux questions connexes mentionnées dans mon introduction.

Quelques calculs spécifiques

Le spécifique le rapport de différence d'éclairage pour les deux zones de l'image ci-dessus serait ( approximativement ) simplement la division des deux nombres.

La zone la plus proche du pôle devient 27/61 autant de lumière par section transversale unitaire longitudinale (une bande de terre nord / sud) que la zone la plus proche de l'équateur, soit 0,4426 fois plus de lumière.

Ou, en dans l'autre sens, la zone à l'équateur reçoit 61/27 autant de lumière, soit 2,26 fois plus de lumière. La zone de l'équateur reçoit donc plus de deux fois plus de lumière.

Nous pouvons facilement voir à partir de là pourquoi le soleil peut apparaître beaucoup plus lumineux ou plus sombre en fonction de l'angle, et donc en fonction de la latitude. Cela explique aussi la différence de température: l'équateur reçoit beaucoup plus d'énergie, donc il fait plus chaud.

Réponse appliquée aux saisons

J'ai dit plus tôt que cela répond également à la question sur le changement d'éclairage pour les saisons. La seule information supplémentaire que nous devons comprendre est la suivante: le pôle terrestre autour duquel il tourne n'est pas parfaitement perpendiculaire à la direction d'où la lumière arrive. Pour cette raison, l'angle spécifique change lorsque la Terre tourne autour du soleil. L'orbite autour du soleil prend un an (c'est ce qu'une année est , par définition), donc ce changement d'angle dans le temps a un cycle annuel au cours duquel l'angle d'incidence (le terme de fantaisie d'en haut à nouveau , qui signifie simplement "la différence d'angle de la lumière par rapport à l'objet qu'elle frappe") change. Ce changement est suffisamment important pour modifier davantage la lumière du soleil que nous recevons, exactement de la même manière que celle décrite ci-dessus.

Autres notes sur la température

Tout comme avant, cela affecte également la température. La température, cependant, ne peut pas être calculée par un simple rapport de couverture de zone. La température est affectée par plusieurs autres systèmes complexes. L'un des principaux facteurs d'influence de la température est la météo . Une autre est la différence entre l'énergie absorbée et l'énergie perdue (une chose physique: la Terre n'est pas un radiateur à " corps noir ").

L'effet du temps sur la température est très compliqué et nécessiterait son propre post beaucoup plus long que celui-ci, mais pour résumer très succinctement: des trucs comme le vent et la pluie et ainsi de modifier la température et aussi de le déplacer.

La chose physique du corps noir nécessiterait également son propre long post, mais encore une fois, très succinctement: la Terre émet également sa propre énergie dans l'espace en même temps qu'elle reçoit l'énergie du soleil, et l'effet que cela a sur la température est un bel équilibre. Une fois que cet acte d'équilibrage a basculé d'un côté, la température oscille beaucoup dans cette direction: au printemps, lorsque les températures augmentent, l'absorption d'énergie est suffisamment supérieure au rayonnement énergétique pour que la température augmente, et l'inverse est vrai pour l'automne lorsque les températures sont en baisse.

Les descriptions ci-dessus des radiations météorologiques et des corps de blocs sont simplifiées à l'extrême.

Voilà

Et maintenant, la réponse s'applique pleinement aux changements saisonniers comme bien, et cela s'applique non seulement à l'éclairage mais aussi à la température. Je laisserai cela comme un exercice au lecteur pour réfléchir à l'effet quotidien (Pourquoi est-il tellement plus facile de regarder le soleil quand il est bas à l'horizon juste avant qu'il se couche?)

Et, comme indiqué précédemment, il existe d'autres influenceurs pour ces choses; c'est le plus gros.

D'un point de vue technique / physique, la réponse contient plusieurs inexactitudes: 1) mieux parler de l'irradiance que de l'intensité, bien que pas complètement faux, l'intensité est souvent utilisée en fonction de la source (= sortante) et mesurée perpendiculairement à la direction de propagation, tandis que l'irradiance est le flux rayonnant (puissance) ** reçu ** par une surface par unité de surface 2) la luminosité du soleil ne dépend pas vraiment de la latitude mais de l'épaisseur relative et de la nature de l'atmosphère (atténuation). Sous ciel clair / atmosphère, le soleil au pôle nord a presque la même luminosité qu'à l'équateur.
2b) Sans atmosphère, le soleil aurait presque (± 0,007%) la même "luminosité" vue du pôle nord ou de l'équateur au cours du semestre d'été. La seule différence est la distance de +6375 km du soleil au pôle nord à l'équinoxe (encore moins en été nord).
Je suis d'accord avec @klanomath. OP répond correctement à la question: comment l'angle d'élévation du soleil affecte-t-il l'irradiance par surface de la terre. Ce qui est (je pense) assez important à noter, c'est que si c'était le seul mécanisme affectant, alors une personne prenant un bain de soleil en se tenant debout dans le poteau obtiendrait autant de «soleil» qu'une personne allongée sur l'équateur. La clé ici est que la «quantité d'atmosphère» atténuant la lumière du soleil est plus grande dans les pôles.
@klanomath Vous soulevez un bon point. L'effet que je dessine concerne l'exposition sur une surface. Pour tout point singulier donné dans l'espace à la surface de la Terre (si toutes les autres variables sont égales) se trouve théoriquement sur le chemin approximativement de la même quantité de lumière solaire; la différence de +/- quelques milliers de miles (l'équateur est à quelques milliers de miles plus près du soleil que du pôle) fait peu de différence, et un point ne se soucie pas de l'angle puisque le point n'est pas 2D. Cependant, le bain de soleil ou le panneau solaire (espace éclairé en 2D) se soucient beaucoup, si vous avez incliné votre lit ou votre panneau solaire (1/2)
(2/2) différemment pour qu'il pointe vers le soleil et ne se soucie pas de l'angle de la surface de la Terre, alors vous venez de changer l'angle. Pour une optique ou un panneau correctement incliné, la quantité d'atmosphère est un facteur important, oui. Tout dépend donc de ce dont nous parlons exactement. Peut-être que la question initiale n'est pas assez précise, bien qu'elle soit basée sur une autre question à un autre SE et a été conçue pour imiter cette autre question de près. Je mettrai probablement à jour la réponse avec ce processus de réflexion. Merci.
#2
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Jack Denur
2017-10-04 00:36:35 UTC
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L'altitude solaire au-dessus de l'horizon et la durée du jour influencent l'énergie solaire totale reçue. Le 21 décembre, les deux diminuent avec l'augmentation de la latitude (dans l'hémisphère nord), tous deux tombant à zéro au cercle polaire arctique. Le 21 juin, l'altitude solaire au-dessus de l'horizon diminue avec l'augmentation de la latitude au nord du tropique du cancer, mais la longueur du jour augmente avec l'augmentation de la latitude. Ainsi, le 21 juin, l'énergie solaire totale quotidienne maximale est reçue à 30 à 35 degrés de latitude nord en supposant une nébulosité moyenne, et à 35 à 40 degrés de latitude nord avec un ciel clair. C'est l'une des raisons pour lesquelles la Vallée de la Mort devient si chaude en été - elle se situe à ou près de la latitude de la réception maximale quotidienne d'énergie solaire totale, compte tenu à la fois de l'altitude du soleil au-dessus de l'horizon et de la durée du jour.



Ce Q&R a été automatiquement traduit de la langue anglaise.Le contenu original est disponible sur stackexchange, que nous remercions pour la licence cc by-sa 3.0 sous laquelle il est distribué.
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