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Rayonnement

Qu'est ce que le rayonnement? Quels types de rayonnement existe-t-il?

Le rayonnement est la propagation de particules ou d'ondes. En météorologie, une distinction est faite entre le rayonnement solaire à ondes courtes et le rayonnement terrestre à ondes longues. Plus la longueur d'onde est petite, plus l'énergie transportée est élevée. La lumière visible fait partie du rayonnement à ondes courtes. Le rayonnement infrarouge ou thermique, la radio et les micro-ondes sont des exemples de rayonnement à ondes longues. Sur la figure 1, le rayonnement solaire à ondes courtes est représenté en jaune et le rayonnement terrestre à ondes longues en rouge.

Figure 1: Overview on irradiation on earth

Le rayonnement se différencie en:

  • Rayonnement global (ondes courtes vers le bas (KW ↓))
  • Rayonnement direct et diffus (diffusé)
  • Réflexion de rayonnement de ondes courtes (ondes courtes vers le haut (KW ↑))
  • Rayonnement terrestre (ondes longues vers le haut (LW ↑)
  • Contre-radiation atmosphérique (ondes longues vers le bas (LW ↓)) (également appelé "greenhouse")

En relation avec le rayonnement à ondes courtes, il existe également des définitions importantes:

Rayonnement global (GHI): Le rayonnement global fait référence à l'ensemble du rayonnement à ondes courtes qui frappe la surface (horizontale) de la Terre. Celui-ci peut être divisé en ses composants: le rayonnement direct et le rayonnement diffus.

Rayonnement diffus (DIF): Ici, seul un pyranomètre mesure la lumière diffuse du ciel, recouvrant le soleil d'un projecteur d'ombre.

Rayonnement direct (DIR): Le rayonnement horizontal direct n'est généralement pas mesuré mais calculé à partir d'un rayonnement diffus et global.

Irradiation normale directe (DNI): Le rayonnement normal direct désigne le rayonnement qui frappe l'instrument à angle droit, c'est-à-dire le rayonnement direct sur une surface perpendiculaire à la position du soleil. Ce rayonnement est mesuré par un pyrhéliomètre et peut être un multiple du rayonnement direct sur une surface horizontale, en particulier lorsque le soleil est peu profond (voir instruments de mesure).

Comment le rayonnement est-il mesuré?

Le rayonnement est mesuré en unités de watts par mètre carré (W/m2). Dans ce but, une thermopile est utilisée dans la plupart des instruments de mesure. Il consiste en un matériau noir conducteur qui absorbe tout rayonnement incident et le convertit ainsi en chaleur. Plus il y a de rayonnement qui frappe la thermopile noire, plus il fait chaud. Le matériau utilisé doit également avoir une conductivité proportionnelle à la température. Ainsi, le rayonnement total peut être déterminé à partir de la différence de tension par rapport à la valeur 0. Le principe est similaire à celui d'un thermomètre électrique.

Comment installer un appareil de mesure du rayonnement?

Pour toutes les jauges qui mesurent le rayonnement, le plus important est que le ciel ne soit pas caché dans aucune direction. Les appareils doivent être placés de telle manière qu'ils aient une ligne directe avec le soleil à tout moment de la journée et en toute saison, de sorte que le rayonnement puisse frapper les instruments de mesure sans aucun changement, c.-à-d. toute l'année. De plus, il faut veiller à ce qu’il n’y ait pas de murs/objets brillants ou vitrés à proximité, car ils reflètent la lumière (c’est-à-dire le rayonnement) et peuvent donc fausser la mesure.

Difficultés avec les mesures de rayonnement

Figure 2: <a href="http://www.kippzonen.com/Product/14/CMP21-Pyranometer#.W4Ztu5MzbXQ">Pyranometer</a>

Dans les lieux où il y a beaucoup de neige, directement sur la mer ou à proximité de façades vitrées, les réflexions peuvent influencer radicalement les mesures de rayonnement. Le moulage par ombre est souvent une source d'erreur importante à proximité de la mesure des mâts ou des bâtiments.

Le plus gros problème avec les mesures de rayonnement est la pollution des capteurs par la poussière ou d'autres particules. Les capteurs étant très sensibles et même les plus petites impuretés pouvant absorber ou refléter le rayonnement, le résultat de la mesure est fortement déformé. Les appareils exigent donc beaucoup de maintenance car ils doivent être nettoyés manuellement régulièrement.

Quels instruments de mesure sont utilisés pour quel type de rayonnement?

Rayonnement à ondes courtes (tous les deux ↑ et ↓, direct et diffus):

  • Pyranomètre: Il mesure tout rayonnement à ondes courtes sur une surface horizontale. Deux dispositifs sont généralement utilisés, l’un pour le rayonnement global et l’autre pour l’albédo (réflexion sur la surface de la terre).

Figure 3: Pyrheliometer

SW ↓ direct:

  • Pyrhéliomètre: Le pyrhéliomètre est installé sur un tracker de soleil et suit toujours la position du soleil, il capture donc uniquement le rayonnement normal direct (toujours perpendiculaire au soleil).

SW ↓ diffus:

  • Pyranomètre avec projecteur d'ombre. Le projecteur d'ombre est également connecté à un tracker de soleil et se trouve toujours directement entre le Soleil et le Thermopile. Ainsi, aucun rayonnement direct, mais seulement diffus, peut atteindre le compteur.

Rayonnement à ondes longues (tous les deux ↑ et ↓):

  • Pyrgéomètre: Mesure tout le rayonnement des ondes longues sur une surface horizontale. Ici aussi, deux appareils sont utilisés, l’un pour le rayonnement terrestre et l’autre pour la réflexion de ce rayonnement dans l’atmosphère (effet "greenhouse").

La combinaison de 2 pyranomètres et de 2 pyrgéomètres est appelée pyrradiomètre. Ceci mesure le rayonnement complet des ondes courtes et longues et donc le bilan radiatif complet.

Figure 4: Weather station in Davos

Le Service Météorologique National Suisse, ainsi qu'une grande partie du réseau de radioprotection de référence BSRN, utilisent des pyrano- et pyrgéomètres de Kipp et Zonen pour les mesures de rayonnement, qui sont installées horizontalement et mesurent ainsi le rayonnement global et le rayonnement terrestre.

En raison de l’utilisation croissante de systèmes à énergie solaire, des capteurs de plus en plus favorables, comme par ex. cellules de référence photovoltaïques sont disponibles et assez répandues. Cependant, en raison du manque de qualité, ceux-ci sont plutôt inappropriés pour une utilisation à des fins météorologiques.

Combien de stations de mesure y a-t-il?

MétéoSwiss exploite 133 stations météorologiques automatiques qui mesurent le rayonnement. À l'échelle mondiale, il existe le BSRN, qui exploite 68 stations de mesure de qualité contrôlée dans le monde entier et qui collecte et traite les données. Ces stations ont été sélectionnées car elles représentent la région dans laquelle elles sont très bien spatialement et se sont avérées répondre à des normes de qualité très élevées. Par rapport aux autres paramètres météorologiques, il y a beaucoup moins de stations de mesure parce que les capteurs sont très coûteux et que le fonctionnement nécessite beaucoup de personnel, ce qui signifie que de nombreuses données de mesure ne sont pas fiables.

meteoblue utilise des données provenant d'environ 200 stations de mesure réparties dans le monde entier à des fins de validation et d'étalonnage.