Rayonnement solaire et éclairage naturel > Influence des nuages

Les nuages sont principalement constitués d’eau sous divers états et secondairement d’aérosols et de molécules d’air sec. Toutefois, compte tenu des concentrations et effets optiques de ses constituants, il est possible (sauf rares cas de nuages fortement chargés en aérosols comme à la suite d’une éruption volcanique) de réduire l’atténuation sur le rayonnement solaire dont il est responsable à la seule contribution de l’eau. Par conséquent, l’absorption dans le domaine visible est réduite aux rouges et IR (celle de l’eau). Elle explique la teinte parfois bleuâtre des nuages épais. Toutefois, l’absorption globale du rayonnement énergétique est relativement faible (environ 8% pour les nuages les plus épais).



En revanche, les phénomènes de diffusion sont importants si bien que le rayon incident subit une suite de réflexions et réfractions considérable sur les gouttelettes d’eau, donnant lieu à des rayons émergeant dans toutes les directions sans coloration particulière.

Dans un brouillard ou dans un nuage liquide, les gouttelettes ont généralement un rayon compris en moyenne entre 4 et 10 µm. La théorie de la diffusion de Mie reste applicable, mais lorsque le rayon devient nettement plus grand que la longueur d’onde, il est possible de faire appel aux résultats fournis par l’optique géométrique à condition toutefois de les corriger par ceux de la diffraction. Liou indique que pour des particules dont le rayon est supérieur à r=8 µm, le coefficient de diffusion de la théorie de Mie est égal à deux fois le coefficient de diffusion qui serait obtenu, si seules les lois de l’optique géométrique étaient appliquées [LIOU, 1980]. Les résultats fournis par la théorie de Mie deviennent identiques à ceux de l’optique géométrique pour des paramètres de taille (2pr/λ) supérieurs à r=400µm. On peut donc raisonner avec des rayons sur des gouttes d’eau approximativement sphériques ou des particules de glace. Dans une goutte d’eau, le rayon incident subit une suite théoriquement illimitée de réfractions et réflexions, de sorte qu’on a finalement des rayons émergeant dans toutes les directions, mais il faut tenir compte également de la diffraction pour les rayons voisins de ceux qui sont tangents à la sphère. L’indice de réfraction de l’eau ou de la glace variant peu avec λ, il en est de même pour le pouvoir diffusant des nuages, tout du moins dans l’UV et le visible. Il n’y a donc pas de coloration de la lumière diffusée par les nuages.

La taille des gouttes influence la diffusion du rayonnement lumineux : lorsqu’elle croît, l’énergie est diffusée plus particulièrement dans la direction de propagation.

La pollution de l’eau contenue dans les nuages n’a que peu d’effet sur le spectre visible et seulement un effet modéré dans l’ultraviolet. En revanche, Middleton a observé que la couleur du sol terrestre est un paramètre notable de la couleur de la lumière en provenance des ciels couverts. En effet, les interréflexions entre la couverture nuageuse et le sol sont nombreuses et la couleur réflechie par l’albedo terrestre affecte ainsi le rayonnement global incident sur le plan horizontal.

Finalement, l’atténuation du rayonnement solaire par les nuages est essentiellement due à la diffusion ; elle est telle qu’au bout de 100 m dans un nuage, la fraction solaire directe transmise n’est alors que de 2% (à cela s’ajoute la fraction diffuse vers le sol qui est conséquente) : a_M=6,3.10-4 cm^-1 pour un nuage moyen.

Souvent, un nuage est caractérisé par l’atténuation qu’il entraine à une longueur d’onde de 500 nanomètres. La figure ci-dessous illustre ce que devient le rayonnement énergétique spectral global après la traversée d’un ciel totalement couvert (caractérisé par son épaisseur optique à 500 nm), la masse d’air relative étant égale à 1,5, la hauteur d’eau précipitable à 2 cm, l’albédo du sol à 20%.



En synthèse, les radiations solaires incidentes sur la terre sont largement modifiées par l’atmosphère : en direction comme en composition spectrale. De ce fait, il devient difficile de modéliser simplement le cheminement de la lumière depuis l’astre solaire jusqu’au sol terrestre. En outre, il est impossible de considérer de tels rayonnements comme ceux émis par un corps noir.

La proportion de rayonnement diffus (par rapport au rayonnement global) dans l’atmosphère est considérable puisque par ciel couvert, il peut être la seule contribution de la lumière céleste (les radiations solaires directes peuvent devenir inexistantes après la traversée dans l’atmosphère).