Généralités sur le rayonnement solaire

EFFETS BENEFIQUES ET DELETERES DES RAYONNEMENTS ULTRAVIOLETS ET  PHOTOPROTECTION

Le spectre solaire

Le Soleil est une étoile – notre étoile – située à environ 150 millions de kilomètres de la Terre, vu de notre planète, il se présente sous la forme d’un disque assez homogène. Le Soleil est en tous points semblables à une multitude d’autres étoiles et tire son énergie de réactions thermonucléaires se produisant en permanence dans son noyau, l’énergie émise par le Soleil est sous la forme de rayonnements électromagnétiques dont l’ensemble forme le rayonnement solaire, qui constitue la seule source externe notable d’énergie pour l’atmosphère. C’est en 1669 qu’Isaac Newton découvrit le spectre de la lumière visible avec les différentes couleurs de l’arc-en-ciel. Notre œil perçoit une partie seulement du rayonnement solaire, celle située dans le domaine dit visible, de longueurs d’onde comprises entre 400- 700 nm (figure 1). Le Soleil émet cependant dans une large gamme de longueurs d’onde, allant des rayons gamma (longueurs d’ondes inférieures à 1 nm) aux grandes ondes radioélectriques (de longueur d’onde atteignant 1 000 m), en passant par les rayons X, le rayonnement ultraviolet, le rayonnement visible, le rayonnement infrarouge et le rayonnement hyperfréquences. Figure 1: Spectre électromagnétique La théorie « corpusculaire » de Max Planck prévoit que tout rayonnement de fréquence f peut être considéré comme un flux de photons dont l’énergie élémentaire est directement proportionnelle à cette fréquence (figure 2). De ce fait, ce sont les 5 rayonnements de courte longueur d’onde (ou de haute fréquence) qui sont les plus énergétiques donc les plus dangereux tel que les UV-C, ces derniers sont heureusement arrêtés dès les premières couches atmosphériques, ainsi nous parviennent les UV-B et UV-A, cela explique la raison pour laquelle la photoprotection s’intéresse beaucoup plus à ces rayonnements ultraviolets. Figure 2: Équation de Planck • Les rayonnements ultraviolets: Les rayonnements ultraviolets (UV) sont des rayonnements électromagnétiques dont la longueur d’onde est comprise entre 100 et 400 nm. Le spectre UV est sous‐divisé en 3 régions : les UVA (λ = 320–400 nm), les UVB (λ = 280–320 nm) et les UVC (λ = 100–280 nm). • Les UV-A (320 nm – 400 nm) sont peu absorbés par l’ozone pénètrent plus profondément dans la peau que les UV-B et semblent jouer un rôle important dans le développement de cancers, en conjonction avec les infrarouges et les UV-B. Ils présentent des effets nocifs additionnels comme le vieillissement prématuré des cellules cutanées et peuvent être à l’origine de cataractes en cas d’expositions prolongées et répétées. • Les UV-B (280 nm – 320 nm), bien que ne constituant que 0,1 % du rayonnement solaire atteignant le sol (la plus grande partie est absorbée par l’ozone stratosphérique), n’en sont pas moins les plus dangereux par leurs effets cancérigènes sur la peau. En association avec les infrarouges, ils sont en outre responsables des réactions cutanées aiguës. À noter que l’OMM (organisation mondiale de la météorologie) fixe leur limite spectrale supérieure à 315 nm. Cela n’a pas beaucoup d’importance, car la nocivité du rayonnement UV n’a pas de limite spectrale bien 6 nette (cette nocivité diminue cependant rapidement lorsque la longueur d’onde augmente). Il convient pourtant d’être conscient, si l’on s’intéresse à l’aspect énergétique, que les résultats des mesures des UV-B peuvent être donnés dans les deux domaines spectraux. Ainsi, l’éclairement énergétique des UV-B pourra être égal à 1 ou 2 W.m2 selon la façon dont le radiomètre aura été étalonné. Outre leurs effets sur la peau humaine (érythèmes, affaiblissement des fonctions immunitaires, photodermatoses), on s’intéresse aux UV-B pour d’autres raisons : leur rôle sur les végétaux (dans la photosynthèse et l’induction de phénomènes de nanisme et d’épaississement des feuilles) et sur les organismes marins (production du phytoplancton, nourriture de base pour nombre d’espèces marines), dans la physicochimie atmosphérique (étude des photo-oxydants et des radicaux OH), dans le vieillissement des plastiques et des peintures ou encore dans l’épidémiologie des insectes. • Les UV-C (200 nm – 280 nm) sont très dangereux, mais n’arrivent pas jusqu’au sol, étant totalement absorbés par la haute atmosphère [2, 3]. 2. Les facteurs influençants: 2-1. L’atmosphère et ses composantes: Lorsque le rayonnement solaire se propage dans l’atmosphère, il interagit avec les constituants gazeux de celle-ci et avec toutes les particules présentes en suspension (aérosols, gouttelettes d’eau et cristaux de glace). Les particules dont on parle ici ont des dimensions variant du centième de micromètre à quelques centaines de micromètres. Le rayonnement solaire peut être réfléchi, diffusé ou absorbé : • Réfléchi par la surface terrestre, c’est-à-dire renvoyé dans une direction privilégiée (réflexion dite spéculaire) ou de manière diffuse. Le sol réfléchit plutôt le rayonnement de manière diffuse et anisotrope. • Diffusé, c’est-à-dire renvoyé dans toutes les directions. Le phénomène de diffusion se produit dans un milieu contenant de fines particules ou des molécules et dépend fortement de la taille des particules considérées. Par exemple, l’influence des molécules est plus intense pour les courtes longueurs d’onde (bleu) que pour les 7 grandes (rouge), en raison de la loi de diffusion de Rayleigh en λ-4 , où λ est la longueur d’onde. C’est la raison pour laquelle la voûte céleste apparaît en général bleue et le Soleil couchant rougeâtre (les rayonnements violet et bleu ayant été diffusés). Les molécules diffusent la lumière dans toutes les directions ; cependant, deux directions sont privilégiées : la diffusion avant et la diffusion arrière. Pour les particules les plus grosses (cas des gouttelettes de nuages), la diffusion se fait majoritairement en avant. • Absorbé par les composants gazeux de l’atmosphère Cette absorption est dite sélective, car elle s’opère pour des valeurs de longueur d’onde bien précises. Elle est due essentiellement à la vapeur d’eau, à l’ozone, au dioxyde de carbone et, à un degré moindre, à l’oxygène L’ensemble des UV-C et près de 90 % des UV-B sont absorbés par l’ozone, la vapeur d’eau, l’oxygène et le dioxyde de carbone. Les UV-A sont moins absorbés par l’atmosphère Par conséquent, le rayonnement UV atteignant la surface de la terre est en grande partie composé d’UV-A, auxquels s’ajoutent une petite fraction d’UV-B.

La couche d’ozone

L’ozone est une molécule composée de trois atomes d’oxygène C’est un gaz présent à l’état de traces dans l’atmosphère : il n’y a en moyenne que 3 molécules d’ozone pour 10 millions de molécules d’air Malgré cette concentration très faible, l’ozone joue un rôle essentiel en absorbant les ultraviolets solaires et en conditionnant fortement la température de la stratosphère. Les rayonnements solaires ultraviolet sont très énergétiques lors de leur entrée dans la stratosphère, ils ont la propriété de scinder des molécules d’oxygène en atomes d’oxygène très réactifs. Ceux-ci se lient à d’autres molécules d’oxygène pour donner naissance à l’ozone (figure 3). Une fois formé, l’ozone joue un rôle majeur dans la dégradation des rayons ultraviolets en rayonnement infrarouges, ce qui a pour effet d’être un bouclier contre les radiations solaires les plus nocives pour la vie. Cette absorption d’énergie transforme l’ozone en ses constituants moléculaires et atomique 8 d’oxygène Le cycle de l’ozone, de sa naissance à sa mort, est ainsi bouclé sous l’influence des rayonnements solaires [4, 5]. Figure 3: Schéma de formation de l’ozone Certains éléments peuvent cependant perturber cet équilibre en augmentant la destruction de l’ozone Parmi eux, des composés naturels comme l’eau ou l’hémioxyde d’azote qui se lient à l’oxygène moléculaire pour donner naissance à des radicaux très réactifs qui, à leur tour, réagissent avec l’ozone pour le détruire. Cette destruction est due à l’émission de composés chimiques artificiels qui peuvent atteindre la stratosphère. Heureusement, dans la troposphère, la plupart de ces substances sont détruites ou renvoyées au sol par les pluies. Parmi les coupables potentiels qui échappent à ces mécanismes, les chlorofluorocarbones, encore appelés CFC ou fréons, sont en première ligne, leur durée de vie varie de 50 à 250 ans, le mécanisme de destruction de l’ozone pas ces substances est analogue, mais beaucoup plus puissant que celui de l’eau ou de l’hémioxyde d’azote C’est de là que résulte vraisemblablement le « trou d’ozone ». L’absorption du rayonnement ultraviolet par l’ozone justifie l’attention portée au « trou d’ozone » stratosphérique, qui fait une apparition régulière depuis près de deux décennies au-dessus de l’Antarctique et qui commence à menacer l’Arctique et les latitudes moyennes, entraînant une augmentation des ultraviolets solaires parvenant au sol. En effet, toute diminution du contenu intégré en ozone se traduit par une 9 augmentation du rayonnement UV-B arrivant au sol, dans d’autres termes, une diminution de 1% en ozone entrainera une augmentation de 2% d’UV-B.

La nébulosité

Les nuages bas réduisent fortement le rayonnement, tandis que les nuages élevés laissent passer la majeure partie des UV. D’autre part, plus le ciel est nuageux, plus le rayonnement UV est atténué. De plus, tous les rayonnements solaires sont diffusés par les gouttelettes contenues dans les nuages; l’intensité du rayonnement UV atteignant le sol va lui aussi varier. • Un voile nuageux de forte altitude n’entraînera qu’une diminution de 5 à 10,5 % des UV reçus au sol. Nous avons souvent une fausse impression de sécurité car la température (rayonnement infrarouge) et la luminosité (lumière visible) diminuent fortement. • Une couche de nuages épais à une altitude moyenne entraînera une diminution d’intensité de 30 à 70 % des UV au sol. • Avec un ciel peu nuageux, même si l’intensité des UV diminue, la réflexion des UV sur les bords des nuages va compenser une partie de cette diminution d’intensité. Les UV sont en effet plus diffusés que les infrarouges ou la lumière visible (c’est pour cette raison que l’on peut bronzer à l’ombre près d’un lac). En effet, les nuages (quand ils ne sont pas noir foncé) ne bloquent que les infrarouges (il fait moins chaud) et la lumière (il fait moins lumineux) et la vigilance baisse (même par temps couvert, 85 % des rayons UV peuvent traverser les nuages). Les UV-A et UV-B traversent les nuages et le risque est identique. De ce fait, on observe en été de nombreux coups de soleil lorsque le temps est couvert. L’absorption et la diffusion du rayonnement UV-B par les constituants de l’atmosphère est très bien connue, et peut facilement être estimée par le calcul. En revanche, le rôle des nuages l’est beaucoup moins. On estime qu’au sol, par ciel clair, le rayonnement UV-B diffus représente entre 50 % et 80 % du rayonnement UV-B global, en revanche par ciel couvert, la totalité du rayonnement UV-B se retrouve sous forme de rayonnement diffus. Une raison de plus de se méfier de ce type de situation.