Énergie de rayonnement

Le terme « énergie rayonnante » est le plus couramment utilisé dans les domaines de la radiométrie, de l'énergie solaire, du chauffage et de l'éclairage, mais il l'est également dans d'autres domaines (comme dans les télécommunications). Dans les applications modernes impliquant le transport de l'énergie, le terme « énergie rayonnante » est parfois utilisé pour désigner les ondes électromagnétiques elles-mêmes, plutôt que leur énergie, qui n'est qu'une propriété des ondes. Par le passé, le terme « énergie électro-rayonnante » était également utilisé^[4].

Le terme « énergie rayonnante » s'applique également au rayonnement gravitationnel^[5],[6]. Par exemple, les premières ondes gravitationnelles jamais observées ont été produites par la fusion de deux trous noirs qui a émis environ 5,3 × 10⁴⁷ joules d'énergie d'ondes gravitationnelles^[7].

Il y a deux façons de conceptualiser le rayonnement électromagnétique. Premièrement, il peut être vu comme un flux de photons, l'énergie rayonnante est alors considérée comme de l'énergie photonique, c'est-à-dire l'énergie transportée par ces photons. Alternativement, le rayonnement électromagnétique peut être considéré comme une onde électromagnétique, qui transporte de l'énergie dans ses champs électriques et magnétiques oscillants. Ces deux points de vue sont complètement équivalents et se réconcilient dans la théorie quantique des champs (voir dualité onde-corpuscule)^[8]:11-15.

Un rayonnement électromagnétique peut avoir différentes fréquences. Les bandes de fréquence présentes dans un signal électromagnétique donné peuvent être nettement définies, comme c'est le cas dans les spectres des atomes, ou peuvent être larges, comme dans le rayonnement du corps noir. Dans le point de vue corpusculaire, l'énergie transportée par chaque photon est proportionnelle à sa fréquence. Dans le point de vue ondulatoire, l'énergie d'une onde monochromatique est proportionnelle à son intensité^[8]:10-11. Ceci implique que si deux ondes électromagnétiques ont la même intensité, mais des fréquences différentes, celle avec la fréquence la plus élevée est composée d'un nombre plus faible de photons, puisque chaque photon individuel transporte plus d'énergie.

Lorsque des ondes électromagnétiques sont absorbées par un objet, l'énergie qu'elles transportent est convertie en chaleur (ou en électricité dans le cas d'un matériau photoélectrique). C'est un effet bien connu, puisque la lumière du soleil réchauffe les surfaces qu'elle irradie. Ce phénomène est associé le plus souvent au rayonnement infrarouge, mais n'importe quel type de rayonnement électromagnétique réchauffe les objets qui l'absorbent. Les ondes électromagnétiques peuvent aussi être réfléchies ou diffusées, auquel cas leur énergie est redirigée ou redistribuée.

L'énergie rayonnante est l'un des mécanismes par lesquels l'énergie peut entrer ou sortir d'un système ouvert^{[9],[10],[11]}. Un tel système peut être artificiel, comme dans le cas d'un capteur d'énergie solaire, ou naturel, comme l'atmosphère terrestre. En géophysique, la plupart des gaz atmosphériques, y compris les gaz à effet de serre, permettent à l'énergie rayonnante du Soleil (composée de rayonnement de petites longueurs d'onde) de traverser l'atmosphère jusqu'à la surface de la Terre, permettant de réchauffer le sol et l'eau des océans. L'énergie solaire absorbée est en partie réémise sous forme de rayonnement, principalement du rayonnement infrarouge de longueur d'onde plus grande. Une partie de ce rayonnement est absorbée par les gaz à effet de serre de l'atmosphère. L'énergie rayonnante est produite dans le soleil par des réactions de fusion nucléaire^[12].