La nouvelle méthode Heliosat-4 pour l’évaluation du rayonnement solaire au sol

La nouvelle méthode Heliosat-4 pour l’évaluation du
rayonnement solaire au sol

Le phénomène d’extinction de rayonnement

Le rayonnement traversant un milieu homogène d’épaisseur r sera atténué par son interaction avec les particules de la matière composant le milieu traversé. Cette atténuation est causée par deux effets : la diffusion et l’aďsorption. La diffusion est due aux phénomènes de diffraction, de réfraction et de réflexion (cf. figure 2.3Ϳ. “elon la longueur d’onde de raLJonnement, l’aďsorption provorue la dissociation de molécules ;cas du raLJonnement UVͿ, la transition d’électron entre les niveaux d’énergie correspondant aux configurations électronirues ;domaine visiďleͿ, la transition vibrationnelle et rotationnelle des molécules ou atomes (infrarouge ou micro-ondes) (Liou, 1980). Figure 2.3 : Interaction rayonnement-matière (Jacob, 1999) Avec un élément de matière et une intensité incidente, après la traversée sur une distance r, l’intensité sortie I sera plus faible que . La relation entre et est donnée par : (2.3) où I/I0 est la transmittance, ς est la transmittivité.

Absorption et émission du rayonnement

L’aďsorption de rayonnement électromagnétique décrit comment l’énergie d’un photon est aďsorďée par la matière. L’énergie électromagnétirue est ensuite transformée en d’autres formes d’énergie, par exemple, la chaleur. L’aďsorption de raLJonnement par les particules et molécules conduit à l’émission. Conformément aux principes de la mécanique quantirue, l’aďsorption de raLJonnement se produit seulement lorsrue l’atome effectue une transition de l’état avec l’énergie Ej à un état d’énergie plus élevée Ek. Nous pouvons écrire : (2.4) où h est la constante de Planck, est la fréquence du rayonnement électromagnétique. hʐ représente le quantum d’énergie rapporté par le photon absorbé. ne peut prendre que des valeurs entières. Le processus inverse donne l’émission de rayonnement électromagnétique. Un atome émet un photon avec la quantité d’énergie hʐ et effectue une transition d’un état énergétirue élevé à un état énergétique moins élevé. Chaque saut quantique entre les niveaux d’énergie fixes conduit à une absorption ou une émission de rayonnement avec la fréquence ou longueur d’onde caractéristique. Ces quanta apparaissent dans les spectres d’émission ou d’aďsorption des matières comme les raies monochromatiques d’émission ou d’absorption. Cependant, l’aďsorption et l’émission monochromatique ne sont pratiquement jamais observées. Les niveaux d’énergie lors des transitions énergétiques sont normalement légèrement modifiés en raison d’influences externes sur les atomes et les molécules ou encore de la perte d’énergie en émission. Par conséquent, le rayonnement émis lors de transitions énergétiques n’est pas parfaitement monochromatique, et les raies spectrales observées possèdent une certaine largeur (Liou, 1980). Il existe une connexion entre les raies d’absorption/émission de gaz et un spectre continu issu d’un solide. Comme les atomes s’entassent entre eux dans un solide, les niveaux d’énergie d’un atome se déforment sous l’influence du champ électrique des atomes voisins. Ces déformations des niveaux d’énergie conduisent à des raies d’aďsorption/émission légèrement différentes. Une distribution de ces déformations conduit à une répartition des raies qui éventuellement forment un continuum. L’absorption par un corps de longueur dr, vu sous un angle solide, diminue la luminance incidente (Houghton, 1986) : (2.5) où est la densité de la matière, est le coefficient d’aďsorption de la couche gazeuse pour la longueur d’onde ʄ, dépendant de la température et de la pression du milieu. est un vecteur directionnel unitaire défini par ses angles zénithal et azimutal.

Diffusion du rayonnement

Une part du rayonnement qui arrive à nos yeux ne provient pas directement des sources de lumière mais indirectement par le processus de diffusion. Dans l’atmosphère, nous pouvons oďserver la diffusion avec les différentes couleurs générées par les molécules, les aérosols, les gouttelettes d’eau ou cristaux de glace dans les nuages, etc. Ciel bleu, nuage blanc, arc en ciel et halo sont tous des phénomènes dus à la diffusion. La diffusion est un phénomène phLJsirue par leruel une particule dans le chemin d’une onde électromagnétirue aďsorďe l’énergie de l’onde incidente et raLJonne cette énergie dans toutes les directions. Par conséquent, la particule peut être considérée comme une source d’énergie diffusée. Dans l’atmosphère, les particules responsaďles de la diffusion couvrent une grande étendue de dimensions allant des molécules gazeuses (diamètre de l’ordre de 10-8 cm) aux gouttes de pluie ou particules de grêle (de l’ordre 1 cm). La distribution angulaire de diffusion dépend fortement du rapport de la taille de la particule sur la longueur d’onde de l’onde incidente. Une particule anisotrope petite devant la longueur d’onde considérée aura tendance à diffuser la lumière également dans les toutes les directions en avant comme en arrière. Quand la taille de particule augmente devant la longueur d’onde considérée, l’énergie diffusée est de plus en plus concentrée dans la direction vers l’avant avec une distriďution angulaire plus complexe (figure 2.). Pour les particules ďeaucoup plus petites rue la longueur d’onde de la lumière incidente, la diffusion est appelée diffusion de Rayleigh, qui peut expliquer le ciel bleu ou la polarisation du ciel. Pour les  particules de taille similaire ou plus grande rue la longueur d’onde, la diffusion est haďituellement appelée diffusion de Mie. Ceci peut expliquer la couleur blanche des nuages. Figure 2.4 : distributions angulaires typiques des diffusions en fonction de la taille de la particule diffusante : (a) particules petite ;< ϭ/ϭϬ de longueur d’onde de la lumière incidenteͿ, (b) particules moyennes ;environ ϭ/4 de longueur d’ondeͿ, (c) particules grandes ;> longueur d’ondeͿ. (Inspiré de Liou, 1980) Dans un volume de diffusion, où se trouvent plusieurs particules, chaque particule est exposée à la lumière qui est déjà diffusée par les autres particules et la diffuse à nouveau. Ce phénomène est appelé diffusion multiple. Dans la figure 2., une particule à la position P diffuse la première fois la lumière incidente, c’est-à-dire une diffusion simple, dans toutes les directions. Une fraction de cette lumière arrive sur la particule située à la position Q, qui diffuse la lumière une deuxième fois dans toutes les directions, appelé diffusion secondaire. Similairement, une troisième diffusion se produit à la position R. D’après ce processus, il est évident rue la lumière originalement diffusée hors de la direction d peut réapparaitre dans cette direction par la diffusion multiple. La diffusion multiple est un processus important pour le transfert radiatif dans l’atmosphère, en particulier lorsque les aérosols et les nuages sont impliqués.