Influence des constituants atmosphériques sur le rayonnement solaire > Description générale

Lorsqu’une radiation électromagnétique rencontre un milieu matériel, deux phénomènes se produisent : une diminution de son énergie et une modification de sa direction. À la sortie de chaque molécule rencontrée, outre la fraction absorbée, deux rayonnements sont identifiés : un rayonnement transmis et un rayonnement diffusé. Après la traversée d’un ensemble de particules (atmosphère, nuage), l’ensemble du rayonnement transmis devient le rayonnement direct, la partie diffusée dans le sens de propagation initiale est appelée rayonnement diffus transmis (ou plus généralement l’éclairement diffus en ce qui concerne un observateur au sol) et la partie diffusée vers l’hémisphère d’incidence est dénommée rayonnement réfléchi.



On appelle diffusion et absorption les phénomènes qui sont à l’origine de la variation algébrique et directionnelle des radiations. L’expression générale de la variation de l’intensité spectrale I(λ) dans une direction donnée (notée z) est donnée par l’équation de transfert suivante :



Avec :

• λ longueur d’onde
• I(λ) distribution spectrale au point de traversée atmosphérique de longueur z
• K_abs(λ) coefficient d’absorption massique spectrale [cm².g^-1]
• K_diff(λ) coefficient de diffusion massique spectrale [cm2.g-1]
• ρ masse volumique du milieu traversé [g.cm^-3]
• dz distance traversée par le rayon [cm]

Avec :

• K(λ) est le coefficient global (diffusion et absorption) massique spectral [cm².g^-1]
• u [g.cm^-2] est appelée longueur du chemin parcouru, bien que son unité ne corresponde pas à celle d’une distance.

L’atténuation du rayonnement solaire dans la direction du soleil est prise en compte au moyen du coefficient global spectral a(λ) sans dimension. L’éclairement énergétique solaire spectral dans le plan normal aux rayons du soleil E_esn s’exprime de la façon suivante :



Avec :

• m est la masse d’air optique relative, définie dans le paragraphe suivant,
• E_esno est l’éclairement énergétique solaire extraterrestre normal hors atmosphère.

La masse d’air optique relative est définie comme l’augmentation relative à la direction du zénith de la longueur du chemin parcouru par les rayons solaires au travers de l’atmosphère dans la direction du soleil. La figure suivante montre qu’elle est directement liée à l’élévation du soleil et à l’altitude du site.





Avec :

• p est la pression atmosphérique moyenne du lieu considéré
• p₀ est la pression atmosphérique moyenne au niveau de la mer
• m₀ est la masse d air relative au niveau de la mer
• γ_Sest la hauteur du soleil en degrés
• h est l altitude du lieu en m

Retenons pour l’essentiel que la masse d’air optique relative :

• augmente au fur et à mesure que la hauteur du soleil diminue,
• augmente avec la pression atmosphérique du site d’observation. Elle diminue donc avec l’altitude du lieu en première approximation.

La masse d’air optique relative est directement liée à l’atténuation du rayonnement lumineux. Elle illustre bien la quantité d’atmosphère rencontrée par un rayonnement lumineux en tenant compte d’un profil de pression. Le rayon optique suit en fait un chemin courbé au travers des couches atmosphériques en raison des différents indices optiques (la densité n’est pas uniforme).

Pour cette raison, la référence au niveau de la mer (altitude de référence égale à 0 m) et l’altitude du site sont pertinentes. La première donne une connaissance sur le chemin optique du rayonnement solaire en fonction de l’élévation du soleil. La différence d’altitude entre le site et le niveau de la mer permet de corriger ainsi le chemin optique en partant des couches atmosphériques inférieures, à l’aide des niveaux de pression (qui modifient les indices optiques et par conséquent la courbure du rayonnement transmis).

Le coefficient global d’atténuation spectrale de l’atmosphère a(λ) tient compte de l’influence des différents constituants de l’atmosphère. En voici le détail pour chaque élément :

• a_R(λ) est le coefficient d’atténuation spectral relatif aux molécules d’air,
• a_g(λ) est le coefficient d’atténuation spectral relatif aux gaz permanents hors ozone (CO2, O2),
• a_M(λ) est le coefficient d’atténuation spectral relatif aux aérosols,
• a_O(λ) est le coefficient d’atténuation spectral relatif à l’ozone,
• a_W(λ) est le coefficient d’atténuation spectral relatif à la vapeur d’eau,
• m est la masse d’air optique relative,
• m₀ est la masse d’air optique relative au niveau de la mer