Les nuages et leur formation
Un nuage est une masse visible constituée initialement d’une grande quantité de gouttelettes d’eau (parfois de cristaux de glace associés à des aérosols chimiques ou des minéraux) en suspension dans l’atmosphère au-dessus de la surface d’une planète. L’aspect d’un nuage dépend de la lumière qu’il reçoit, de sa nature, de sa dimension, du nombre et de la répartition des particules qui le constituent. Les gouttelettes d’eau d’un nuage proviennent de la condensation de la vapeur d’eau contenue dans l’air. La quantité maximale de vapeur d’eau (gaz invisible) qui peut être contenue dans une masse d’air est fonction de la température : plus l’air est chaud, plus il peut contenir de vapeur d’eau. La formation de nuages résulte du refroidissement d’un volume d’air jusqu’à la condensation d’une partie de sa vapeur d’eau. Si le processus de refroidissement se produit au sol (par contact avec une surface froide, par exemple), on assiste à la formation de brouillard. Dans l’atmosphère libre, le refroidissement se produit généralement par soulèvement, en vertu du comportement des gaz parfaits dans une atmosphère hydrostatique, selon lequel un gaz se refroidit spontanément lorsque la pression baisse. Les nuages peuvent aussi perdre une partie de leur masse sous forme de précipitations, par exemple sous forme de pluie, grêle ou neige. La condensation de la vapeur d’eau, en eau liquide ou en glace, se produit initialement autour de certains types de microparticules de matière solide (aérosols), qu’on appelle des noyaux de condensation ou de congélation. La congélation spontanée de l’eau liquide en glace, dans une atmosphère très pure, ne se produit pas au-dessus de -40°C. Entre 0 et -40°C, les gouttes d’eau restent dans un état métastable (surfusion), qui cesse dès qu’elles rentrent en contact avec un noyau de condensation (poussière, cristal de glace, obstacle). Lorsque ce phénomène se produit au sol, on assiste à des brouillards givrants. Juste après la condensation ou la congélation, les particules sont encore très petites. Pour des particules de cette taille, les collisions et l’agrégation ne peuvent pas être les facteurs principaux de croissance. Il se produit plutôt un phénomène connu sous le nom de «effet Bergeron (L’effet Bergeron est un processus de microphysique des nuages en météorologie, décrit par Tor Bergeron en (1935), qui explique la croissance des cristaux de glace dans les nuages à des températures sous le point de congélation. À ces températures, la pression de surface des cristaux de glace est moindre que celle de l’eau liquide, ce qui fait que les flocons de neige grossissent aux dépens des gouttelettes d’eau surfondues)». Ce mécanisme repose sur le fait que la pression partielle de saturation de la glace est inférieure à celle de l’eau liquide. Ceci signifie que, dans un milieu où coexistent des cristaux de glace et des gouttelettes d’eau surfondue, la vapeur d’eau ambiante se condensera en glace sur les cristaux de glace déjà
existants, et que les gouttelettes d’eau s’évaporeront d’autant. On voit ainsi que le soulèvement est doublement important dans la formation de nuages et de précipitations : en premier lieu comme mécanisme de refroidissement, et ensuite comme porteur de gouttelettes d’eau liquide jusqu’au niveau où elles deviennent surfondues. Le soulèvement peut être dû à la convection, à la présence de terrains montagneux faisant obstacle à l’écoulement de l’air ou à des facteurs de la dynamique atmosphérique.
Caractérisation optique des particules nuageuses
Dans cette section, d’une part nous nous limiterons à présenter les quantités qui seront estimées par la suite à partir de mesures directes ou indirectes. Les paramètres optiques doivent donc être appliqués à un cas réaliste de nuage composé d’un ensemble de particules définies par une distribution dimensionnelle en taille. D’autre part, nous serons amenés par la suite à caractériser différents types de nuages pour plusieurs longueurs d’onde λ. En effet, les mesures en télédétection sont basées sur les variations de certains paramètres optiques en fonction de la longueur d’onde et de l’indice complexe m des particules, afin de restituer des paramètres microphysiques de grande importance dans les modèles climatiques globaux tel que le rayon effectif. Le «Néphélomètre Polaire» aéroporté est l’instrument unique utilisé pour caractériser optiquement les particules nuageuses. Cet instrument mesure la puissance angulaire diffusée par un ensemble de particules nuageuses orientées aléatoirement et irradiées par un faisceau laser de longueur d’onde proche de 0.8 µm. D’autres part, la réflexion de l’énergie diffusée par les particules via un miroir parabolique empêche toute mesure précise de la polarisation
Bilan radiatif du rayonnement solaire
La surface du soleil est à une température d’environ 6000 ̊K. Elle émet des radiations dans la gamme de longueur d’onde variant entre 0.2 et 4 μm. Si l’on considère un modèle simple avec des sources et des puits d’énergie du Terre-Océan-Atmosphère qui doivent être en équilibre, la température obtenue à la surface de la terre serait trop faible (-18 ̊C). En réalité, elle vaut 15 ̊C et cette grande différence est due à l’effet de serre (naturel) lié à l’absorption du rayonnement dans les grandes longueurs d’ondes, principalement par la vapeur d’eau.
Le soleil émet un rayonnement incident de 342 W/m² au sommet de l’atmosphère . Environ 30% (107 W/m2 ) de ce flux est réfléchi ou diffusé vers l’espace par les constituants de l’atmosphère et la surface de la Terre. En effet, la surface de la terre en réfléchit à peu près 30 W/m² et le reste (77 W/m²) est dû en grande partie à l’effet des nuages, des gaz et des aérosols. 70% du rayonnement incident est absorbé par l’atmosphère (67 W/m²) et par la surface (168 W/m²). La Terre, dont la température superficielle est beaucoup plus basse, émet à son tour une irradiation tellurique (infrarouge termique) de l’ordre de 390 W/m², ce qui permet au système Terre-Atmosphère d’atteindre son équilibre.
Impact des nuages sur l’énergie solaire disponible
L’atmosphère est constituée de plusieurs éléments tels que les nuages, la vapeur d’eau, les molécules, les gaz et les aérosols. En toute rigueur, ils contribuent tous à la modification du rayonnement solaire. Cependant, l’effet des molécules sur ce rayonnement sera négligé dans cette étude car l’épaisseur optique moléculaire est très inférieure devant celle des nuages et des particules. Dans des études précédentes, l’impact des aérosols sur le potentiel solaire a été évalué à Mbour au Sénégal (Drame et al. 2012; Drame et al. 2015). Elles ont permis de montrer que ces aérosols influaient considérablement sur le rayonnement solaire au Sahel. Dans la suite de ce travail, nous allons considérer grossièrement que le rayonnement varie uniquement avec les nuages car les journées choisies seront considérées comme claires en terme d’aérosols. En effet, les très petites quantités d’aérosols (AOD<0.10) affectent de très peu le rayonnement et donc leurs impacts sur le potentiel d’énergie solaire seront négligés dans cette étude.
Table des matières
Chapitre I : Introduction générale
1.1. Contexte général
1.2. Objectifs et Organisation du manuscrit
Chapitre II : Notions générales sur les nuages et le rayonnement solaire
2.1. Notions générales sur les nuages
2.1.1. Les nuages et leur formation
2.1.2. Caractérisation microphysique des particules nuageuses
2.1.3. Caractérisation optique des particules nuageuses
2.2. Bilan radiatif du rayonnement solaire
2.3. Méthode de calcul du potentiel d’énergie solaire à partir des données du Fluxmètre
2.3.1. Rayonnement sur plan horizontal
2.3.2. Calcul du potentiel d’énergie solaire à partir du rayonnement mesuré
Chapitre III : Présentations de la station et des données
3.1. Présentation des données in situ de la station de Mbour
3.2. Présentation des produits satellitaires et Réanalyses
Chapitre IV : Résultats et Discussions
4.1. Caractérisation mensuelle des nuages au-dessus de l’Afrique de l’Ouest et du Sénégal
4.1.1. Au-dessus de l’Afrique de l’Ouest et du Sénégal
4.2. Impact des produits nuageux sur le rayonnement solaire; zoom sur Mbour
4.2.1. Evolution mensuelle du potentiel d’énergie solaire à Mbour à 2006
4.2.2. Caractérisation mensuelle des nuages au dessus de Mbour
4.2.3. Évolution qualitative des produits nuageux par rapport au potentiel solaire à Mbour en 2006
4.2.4. Choix des types de journées
4.2.5. Impact des nuages sur l’énergie solaire disponible
4.2.5.1. Journées à ciel clair (clean days)
4.2.5.2. Journées à ciel nuageux
Conclusion et Perspectives
Bibliographie et Webographie
