Rayonnement et insolation

Météo

Définitions

Les mesures sont destinées à chiffrer les échanges énergétiques s’effectuant par l’intermédiaire du rayonnement électromagnétique;

on distingue le rayonnement solaire dont le spectre le plus énergétique au sol est compris entre 0,3 et 4 μm et le rayonnement terrestre émis par l’ensemble surface terrestre-atmosphère, dont le spectre d’énergie le plus intense s’étale de 4 à 100 μm.

Les différentes composantes du rayonnement solaire intéressant la météorologie sont :

— le rayonnement solaire direct I qui provient du disque solaire seulement, à l’exclusion de tout rayonnement diffusé, réfléchi ou réfracté par l’atmosphère ; sa mesure s’effectue à l’aide d’un pyrhéliomètre, appareil dont la surface sensible est toujours perpendiculaire aux rayons solaires ;

— le rayonnement solaire global G : c’est le rayonnement, reçu sur une surface horizontale, provenant du soleil et de la totalité de la voûte céleste ; on le mesure avec un pyranomètre ;

— le rayonnement solaire diffus D : en provenance de la voûte céleste, à l’exception du disque solaire, sa mesure s’effectue avec un pyranomètre muni d’une bande pare-soleil ou d’un disque écran.

Les trois termes G, I et D sont reliés par la relation : G = I sin h + D avec h hauteur angulaire du soleil (en degrés) ;

— l’albédo, défini comme le rapport du rayonnement diffusé ou réfléchi par le sol au rayonnement global, est déterminé à l’aide d’un appareil (albédomètre) constitué par deux pyranomètres : l’un est tourné vers la surface du sol, l’autre vers le ciel ;

— la durée d’insolation, mesurée par un héliographe, est le temps pendant lequel le rayonnement solaire direct est supérieur à un seuil de 120 W/m² ; elle est exprimée en dixièmes d’heure.

Le rayonnement terrestre est mesuré à l’aide d’un pyrgéomètre.

Le rayonnement total (somme du rayonnement solaire global et du rayonnement terrestre) couvrant le domaine spectral 0,3 à 100 μm est mesuré à l’aide d’un pyrradiomètre. Enfin, les pyrradiomètres différentiels permettent la mesure du bilan radiatif Q (différence entre le rayonnement total dirigé vers le sol est celui dirigé vers l’espace).

En météorologie, on s’intéresse principalement :

— soit aux mesures d’éclairement énergétique (quotient du flux énergétique reçu par un élément de surface par l’aire de cet élément) qui s’exprime en W/m² (ou en mW/cm²) ;

— soit aux mesures d’exposition énergétique (valeur intégrée dans le temps de l’éclairement énergétique) qui s’exprime en J/m².

Pyrhéliomètres : mesure du rayonnement solaire direct

Ils se présentent sous la forme d’un tube (figure 19) dont l’ouverture est dirigée vers le soleil et au fond duquel se trouve un récepteur thermique transformant le flux radiatif incident en flux de chaleur grâce à un revêtement noir absorbant.

Figure 19 – Pyrhéliomètre Linke-Feussner

Ce flux de chaleur est matérialisé par l’échauffement d’une partie du récepteur thermique proportionnel au rayonnement solaire direct incident. Différents types de récepteurs thermiques sont utilisés, selon l’exactitude de mesure recherchée :

— dans les pyrhéliomètres étalons (pyrhéliomètres « absolus » ou pyrhéliomètres de type Angström), au flux de chaleur radiatif est substitué un flux de chaleur connu créé par effet Joule et entraînant un échauffement du récepteur thermique équivalent ;

— dans les pyrhéliomètres de terrain, l’échauffement est mesuré directement par une thermopile (ensemble de couples thermoélectriques en série).

Pyranomètres : mesure du rayonnement solaire global

Pyranomètres à thermopile

Les plus précis (figure 20) sont munis d’un détecteur à thermopile formé par un ensemble de couples thermoélectriques montés en série;

Figure 20 – Pyranomètre Kipp-Zonen

les soudures chaudes sont soumises à l’irradiation solaire, alors que les soudures froides sont en contact avec des parties métalliques sensiblement à la température de l’air. Aux bornes de ce circuit, il apparaît une force électromotrice proportionnelle à l’éclairement énergétique solaire.

L’élément sensible est placé dans un boîtier métallique qui garantit sa stabilité thermique et mécanique. Des coupelles de verre assurent le filtrage des grandes longueurs d’onde et la protection contre les intempéries. Ces appareils ont une sensibilité comprise entre 50 et 150 μV/mW · cm2. Le temps de réponse (1/e du signal) est de l’ordre de 1 à 10 s.

Pyranomètres à détecteurs quantiques

Leur détecteur est constitué par une cellule photovoltaïque ou une photodiode sur laquelle on a placé un diffuseur destiné à corriger l’effet de cosinus. Ces cellules ont une réponse sélective, si bien qu’elles ne peuvent être utilisées pour des mesures de rayonnement sur de courtes périodes (de l’ordre de l’heure), mais à l’échelon de la journée, elles fournissent des résultats concordants, à 7 % près, avec ceux des pyranomètres à thermopile.

Exposition et entretien des pyranomètres

Les pyranomètres doivent être installés dans un lieu parfaitement dégagé. Dans les secteurs explorés par le soleil, il ne doit pas y avoir d’obstacle de hauteur angulaire supérieure à 5 degrés. La proximité d’obstacles susceptibles de réfléchir le rayonnement est à éviter (bâtiment). Les zones poussiéreuses sont à proscrire (situations proches de cheminées, chemins, pistes, etc.). L’appareil doit être disposé sur un support stable et de manière que la partie sensible soit rigoureusement horizontale. En utilisation permanente, les pyranomètres à sortie électrique doivent faire l’objet d’un contrôle journalier avec essuyage des coupelles et d’un étalonnage tous les deux ans à partir d’un pyrhéliomètre.

Mesure du rayonnement solaire diffus

Une bande pare-soleil, formée d’un cylindre de révolution de 70 cm de diamètre et de 8 à 10 cm de largeur, dont l’axe est parallèle à la ligne des pôles, maintient à l’ombre la partie sensible du pyranomètre. Cette pièce doit être réglée manuellement pour tenir compte de la variation de la déclinaison solaire au cours de l’année.

La bande occulte, en plus du soleil, une portion du ciel, si bien que les valeurs du rayonnement diffus D obtenues sont inférieures de 5 à 10 % aux valeurs réelles. Des corrections doivent être appliquées aux valeurs brutes. On peut aussi utiliser un disque mobile de 6 à 8 cm de diamètre, porté par un bras de 80 cm et déplacé à l’aide d’une monture équatoriale.

Pyrgéomètres : mesure du rayonnement terrestre

Le pyrgéomètre se présente, du point de vue mécanique, comme un pyranomètre, la coupelle de verre étant remplacée par une coupelle de silicium ou de KRS5, transparente au rayonnement infrarouge de grande longueur d’onde et bloquant le rayonnement solaire.

L’élément de mesure est une thermopile classique dont le rayonnement infrarouge propre est compensé par un circuit électrique interne alimenté par une pile au mercure.

Pyrradiomètres différentiels : mesure du bilan radiatif

Grâce à deux capteurs branchés en opposition, dont l’un est tourné vers le sol et l’autre vers le ciel, les pyrradiomètres différentiels fournissent directement le bilan radiatif ; les rayonnements propres des capteurs s’annulent puisque étant sensiblement égaux et de sens opposés.

Les étalonnages sont effectués en laboratoire à l’aide de corps noirs. Les appareils étant installés, on opère par comparaison avec un pyrradiomètre nouvellement étalonné. Les mesures au cours des périodes de pluie sont impossibles ; de même les dépôts de poussières, de rosée ou de givre sur les coupelles modifient, dans de grandes proportions, la réponse de l’appareil.

À l’aide d’une petite soufflerie et d’un anneau chauffant, il est possible de limiter ces dépôts. Malgré ces améliorations, les pyrradiomètres différentiels restent des instruments fragiles qui demandent une constante et minutieuse surveillance.

Mesure de la durée d’insolation

L’automatisation des mesures a entraîné le remplacement des héliographes type Campbell-Stokes par des héliographes à sortie électrique.

Héliographe Campbell-Stokes

Il est constitué par une sphère de verre de 10 cm de diamètre, qui concentre les rayons solaires sur une bande de carton disposée sur une monture concentrique. Suivant l’intensité du rayonnement solaire reçu, l’image du soleil qui se déplace sur le diagramme provoque une brûlure, un brunissement ou une décoloration. La longueur de la trace sur la bande de carton représente la durée d’insolation. L’énergie nécessitée pour le brûlage est de l’ordre de 120 W/m².

Héliographe à fibre optique

Il se présente sous la forme d’un cylindre dont l’axe est parallèle à l’axe pôle nord-pôle sud. Une fenêtre de verre cylindrique laisse pénétrer le rayonnement solaire direct qui est intercepté par une fibre optique courbée à 90° et animée d’un mouvement de rotation continu autour de l’axe du capteur.

Lorsque, lors de sa rotation, la partie libre de la fibre optique munie du diaphragme est orientée vers le disque solaire, elle conduit le rayonnement solaire direct intercepté sur un détecteur fixe aligné avec l’autre extrémité de la fibre. Le détecteur est une photodiode compensée en température dont la sélectivité spectrale et la faible constante de temps permettent de répondre à la variation du flux solaire. La période de rotation de la fibre optique est égale à 36 s.

Le capteur délivre donc, tous les centièmes d’heure, une impulsion dont l’amplitude est proportionnelle à l’éclairement énergétique solaire direct. Le signal est comparé à une tension de référence qui correspond au seuil d’insolation de 120 W/m². Si le signal est supérieur à ce seuil, on considère qu’il y a insolation et l’interface délivre une impulsion vers le système d’enregistrement.

Intégrateurs

Les tensions électriques issues des capteurs (pyrhéliomètres de terrain, pyranomètres, pyrgéomètres) sont amplifiées et intégrées afin d’obtenir l’exposition énergétique. Cela peut être réalisé soit par des intégrateurs spécifiques, soit par la station automatique à laquelle est raccordé le capteur. L’intégration analogique (amplificateur opérationnel monté en intégrateur) est de plus en plus supplantée par l’intégration numérique (système à microprocesseur), après échantillonnage et numérisation du signal.

les principales caractéristiques sont :

— précision : de l’ordre de 1 % ;

— période d’échantillonnage souhaitée : environ 4 s ;

— période d’intégration réglable de 6 min à 24 h.