La Terre dans le système solaire : saisons et climats

Le flux thermique parvenant à la surface de la Terre peut être modélisé à l'aide du dispositif expérimental suivant :

Doc. 1. Montage pour observer les variations du rayonnement solaire reçu par la Terre.

La mesure de l'énergie solaire à la surface de la Terre ne traduit pas exactement la quantité d'énergie reçue, car une partie de celle-ci est absorbée par l'atmosphère ou renvoyée dans l'espace.

Des satellites placés à la limite supérieure de l'atmosphère permettent une mesure précise de cette énergie solaire définie alors comme la constante solaire et correspondant à la puissance thermique reçue par une surface plane de 1 m² exposée perpendiculairement aux rayons du Soleil. Cette constante est d'environ 1 370 W.m^-2.

Les autres planètes reçoivent également de l'énergie du Soleil. Cependant, les observations montrent que le flux solaire reçu par une planète décroît au fur et à mesure que son éloignement de la source d'énergie augmente. La constante solaire est donc inversement proportionnelle à la distance au Soleil.

Une modélisation permet de comprendre ce phénomène : si on projette un faisceau de rayons lumineux parallèles sur un globe terrestre au niveau de l'équateur, la surface éclairée s'élargit lorsqu'on déplace le faisceau vers les pôles.

Cette modélisation démontre que la quantité d'énergie reçue est constante et qu'un point situé vers les pôles reçoit moins d'énergie qu'un point situé près de l'équateur. En effet, la surface éclairée étant plus grande, la quantité d'énergie reçue par unité de surface est plus faible. Cette diminution est encore accentuée par l'épaisseur de l'atmosphère traversée par les rayons solaires.

La répartition des climats selon la latitude n'est pas constante sur l'année : c'est le phénomène des saisons. Au cours de l'année, la rotation de la Terre autour du Soleil modifie sa position par rapport à celui-ci selon une trajectoire elliptique.

Par ailleurs, l'axe de rotation de la Terre n'est pas perpendiculaire au plan de l'écliptique. Il en résulte que, pour une même région, l'angle d'incidence du rayonnement solaire sur cette surface varie en fonction de la position de la Terre au cours de sa révolution autour du Soleil.

Dans ces positions extrêmes, la Terre "présente" alternativement son hémisphère Nord, puis son hémisphère Sud au Soleil. La durée d'éclairement et donc d'échauffement varie ainsi pour une même région au cours du trajet de la Terre autour du Soleil. 

Lors des solstices, un même hémisphère est tantôt incliné vers le Soleil, c'est l'été, tantôt incliné dans la direction opposée, c'est l'hiver.

L'inclinaison de l'axe de rotation de la Terre par rapport au plan de révolution autour du Soleil, constante au cours du temps, conduit à une variation de la quantité d'énergie reçue en fonction du temps, se traduisant par le phénomène des saisons.