Caracterisation de la lumiere

7/25/2019 Caracterisation de la lumiere

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Nd o r d r e 0 3 ISALXXXX An n e 2 0 0 4

Thse

CARACTRISATIONSPECTRALEETDIRECTIONNELLEDELALUMIRENATURELLE

APPLICATIONLCLAIRAGEDESBTIMENTS

pr sente devant

LInstitut National des Sciences Appliques de Lyon

pour ob ten ir

l e grade de do cteur

Eco le d o cto r ale : MCANIQUE, NERGTIQUE, GNIE CIVIL, ACOUSTIQUE ( MEGA)Spcialit : Gnie Civil

p arCyril CHAIN

Soutenu e le 27 sep tembr e 200 4 devant la Com m iss ion dexamen

JuryDr. FONTOYNONT Ma r c : Dir e cte u r d e Th se ( HDR)

Dr. DUMORTIER Dom inique : D irec teur de Thse ( HDR)Dr. VINOT Fr an o ise : Rap po r teu se d e Th se ( HDR)Dr. PREZ Rich a r d : Rap p o r teu r de Th se ( Pr o fesseu r )P ro f. ROUX Je an -Ja cq u es : Exa m in a te u rM. REHFELD Mar c : Exam in ateu r

Labo ratoir e des Sciences d e lHabitatDp ar tem en t Gn ie Civil et Btim en t ( DGCB) URA CNRS 16 52

ENTPE-Ministre d e lquipem ent, des Tran spo rts et du Logem ent


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Cyri l CHAIN p. i


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p. i i Cyri l CHAIN

SIGLE ECOLE DOCTORALE NOM ET COORDONNEES DU RESPONSABLE

CHIMIE DE LYON M. Denis SINOUUniversit Claude Bernard Lyon 1Lab Synthse Asymtrique UMR UCB/CNRS 5622

Bt 308

2metage

43 bd du 11 novembre 191869622 VILLEURBANNE Cedex

Tl : 04.72.44.81.83

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ECONOMIE, ESPACE ET MODELISATION

DES COMPORTEMENTSM. Alain BONNAFOUSUniversit Lyon 2

14 avenue BerthelotMRASHLaboratoire dEconomie des Transports

69363 LYON Cedex 07Tl : 04.78.69.72.76

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ELECTRONIQUE, ELECTROTECHNIQUE,

AUTOMATIQUE

M. Daniel BARBIER

INSA DE LYONLaboratoire Physique de la MatireBtiment Blaise Pascal

69621 VILLEURBANNE CedexTl : 04.72.43.64.43

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EVOLUTION, ECOSYSTEME,

MICROBIOLOGIE, MODELISATION

http://biomserv.univ-lyon1.fr/E2M2

M. Jean-Pierre FLANDROIS

UMR 5558 Biomtrie et Biologie EvolutiveEquipe Dynamique des Populations BactriennesFacult de Mdecine Lyon-Sud Laboratoire de Bactriologie BP

1269600 OULLINSTl : 04.78.86.31.50

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M. Lionel BRUNIEINSA DE LYON

EDIISBtiment Blaise Pascal

69621 VILLEURBANNE CedexTl : [email protected]

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INTERDISCIPLINAIRE SCIENCES-SANTE

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M. Jacques JOSEPHEcole Centrale de Lyon

Bt F7 Lab. Sciences et Techniques des Matriaux et desSurfaces36 Avenue Guy de Collongue BP 163

69131 ECULLY CedexTl : 04.72.18.62.51

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M. Franck WAGNERUniversit Claude Bernard Lyon1

Institut Girard DesarguesUMR 5028 MATHEMATIQUESBtiment Doyen Jean Braconnier

Bureau 101 Bis, 1ertage69622 VILLEURBANNE Cedex

Tl : 04.72.43.27.86

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CIVIL, ACOUSTIQUE

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M. Franois SIDOROFF

Ecole Centrale de LyonLab. Tribologie et Dynamique des Systmes Bt G8

36 avenue Guy de CollongueBP 16369131 ECULLY Cedex


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Cyri l CHAIN p. i i i

Novembre 2003

INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE LYON

Di recteur: STORCK A.

Professeur s:

AMGHAR Y. LIRISAUDISIO S. PHYSICOCHIMIE INDUSTRIELLEBABOT D. CONT. NON DESTR. PAR RAYONNEMENTS IONISANTSBABOUX J.C. GEMPPM***BALLAND B. PHYSIQUE DE LA MATIERE

BAPTISTE P. PRODUCTIQUE ET INFORMATIQUE DES SYSTEMES MANUFACTURIERSBARBIER D. PHYSIQUE DE LA MATIEREBASKURT A. LIRISBASTIDE J.P. LAEPSI****BAYADA G. MECANIQUE DES CONTACTSBENADDA B. LAEPSI****BETEMPS M. AUTOMATIQUE INDUSTRIELLEBIENNIER F. PRODUCTIQUE ET INFORMATIQUE DES SYSTEMES MANUFACTURIERSBLANCHARD J.M. LAEPSI****BOISSE P. LAMCOSBOISSON C. VIBRATIONS-ACOUSTIQUEBOIVIN M. (Prof. mrite) MECANIQUE DES SOLIDESBOTTA H. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Dveloppement UrbainBOTTA-ZIMMERMANN M. (Mme) UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Dveloppement UrbainBOULAYE G. (Prof. mrite) INFORMATIQUEBOYER J.C. MECANIQUE DES SOLIDESBRAU J. CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Thermique du btimentBREMOND G. PHYSIQUE DE LA MATIEREBRISSAUD M. GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITEBRUNET M. MECANIQUE DES SOLIDESBRUNIE L. INGENIERIE DES SYSTEMES DINFORMATIONBUFFIERE J-Y. GEMPPM***BUREAU J.C. CEGELY*CAMPAGNE J-P. PRISMACAVAILLE J.Y. GEMPPM***CHAMPAGNE J-Y. LMFACHANTE J.P. CEGELY*- Composants de puissance et applicationsCHOCAT B. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Hydrologie urbaineCOMBESCURE A. MECANIQUE DES CONTACTSCOURBON GEMPPMCOUSIN M. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - StructuresDAUMAS F. (Mme) CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Energtique et ThermiqueDJERAN-MAIGRE I. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVILDOUTHEAU A. CHIMIE ORGANIQUEDUBUY-MASSARD N. ESCHILDUFOUR R. MECANIQUE DES STRUCTURESDUPUY J.C. PHYSIQUE DE LA MATIERE

EMPTOZ H. RECONNAISSANCE DE FORMES ET VISIONESNOUF C. GEMPPM***EYRAUD L. (Prof. mrite) GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITEFANTOZZI G. GEMPPM***FAVREL J. PRODUCTIQUE ET INFORMATIQUE DES SYSTEMES MANUFACTURIERSFAYARD J.M. BIOLOGIE FONCTIONNELLE, INSECTES ET INTERACTIONSFAYET M.(Prof. mrite) MECANIQUE DES SOLIDESFAZEKAS A. GEMPPMFERRARIS-BESSO G. MECANIQUE DES STRUCTURESFLAMAND L. MECANIQUE DES CONTACTSFLEURY E. CITIFLORY A. INGENIERIE DES SYSTEMES DINFORMATIONSFOUGERES R. GEMPPM***FOUQUET F. GEMPPM***FRECON L. (Prof. mrite) REGROUPEMENT DES ENSEIGNANTS CHERCHEURS ISOLESGERARD J.F. INGENIERIE DES MATERIAUX POLYMERESGERMAIN P. LAEPSI****GIMENEZ G. CREATIS**GOBIN P.F. (Prof. mrite) GEMPPM***

GONNARD P. GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITEGONTRAND M. PHYSIQUE DE LA MATIEREGOUTTE R. (Prof. mrite) CREATIS**GOUJON L. GEMPPM***GOURDON R. LAEPSI****.GRANGE G. (Prof. mrite) GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITEGUENIN G. GEMPPM***GUICHARDANT M. BIOCHIMIE ET PHARMACOLOGIEGUILLOT G. PHYSIQUE DE LA MATIEREGUINET A. PRODUCTIQUE ET INFORMATIQUE DES SYSTEMES MANUFACTURIERSGUYADER J.L. VIBRATIONS-ACOUSTIQUEGUYOMAR D. GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITEHEIBIG A. MATHEMATIQUE APPLIQUEES DE LYONJACQUET-RICHARDET G. MECANIQUE DES STRUCTURESJAYET Y. GEMPPM***JOLION J.M. RECONNAISSANCE DE FORMES ET VISIONJULLIEN J.F. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - StructuresJUTARD A. (Prof. mrite) AUTOMATIQUE INDUSTRIELLE

KASTNER R. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - GotechniqueKOULOUMDJIAN J. (Prof. mrite) INGENIERIE DES SYSTEMES DINFORMATIONLAGARDE M. BIOCHIMIE ET PHARMACOLOGIELALANNE M. (Prof. mrite) MECANIQUE DES STRUCTURESLALLEMAND A. CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Energtique et thermiqueLALLEMAND M. (Mme) CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Energtique et thermique


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p. i v Cyri l CHAIN

LAREAL P (Prof. mrite) UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - GotechniqueLAUGIER A. (Prof. mrite) PHYSIQUE DE LA MATIERELAUGIER C. BIOCHIMIE ET PHARMACOLOGIELAURINI R. INFORMATIQUE EN IMAGE ET SYSTEMES DINFORMATIONLEJEUNE P. UNITE MICROBIOLOGIE ET GENETIQUELUBRECHT A. MECANIQUE DES CONTACTSMASSARD N. INTERACTION COLLABORATIVE TELEFORMATION TELEACTIVITEMAZILLE H. (Prof. mrite) PHYSICOCHIMIE INDUSTRIELLEMERLE P. GEMPPM***MERLIN J. GEMPPM***MIGNOTTE A. (Mle) INGENIERIE, INFORMATIQUE INDUSTRIELLE

MILLET J.P. PHYSICOCHIMIE INDUSTRIELLEMIRAMOND M. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Hydrologie urbaineMOREL R. (Prof. mrite) MECANIQUE DES FLUIDES ET DACOUSTIQUESMOSZKOWICZ P. LAEPSI****NARDON P. (Prof. mrite) BIOLOGIE FONCTIONNELLE, INSECTES ET INTERACTIONSNAVARRO Alain (Prof. mrite) LAEPSI****NELIAS D. LAMCOSNIEL E. AUTOMATIQUE INDUSTRIELLENORMAND B. GEMPPMNORTIER P. DREPODET C. CREATIS**OTTERBEIN M. (Prof. mrite) LAEPSI****PARIZET E. VIBRATIONS-ACOUSTIQUEPASCAULT J.P. INGENIERIE DES MATERIAUX POLYMERESPAVIC G. VIBRATIONS-ACOUSTIQUEPECORARO S. GEMPPMPELLETIER J.M. GEMPPM***PERA J. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - MatriauxPERRIAT P. GEMPPM***PERRIN J. INTERACTION COLLABORATIVE TELEFORMATION TELEACTIVITEPINARD P. (Prof. mrite) PHYSIQUE DE LA MATIEREPINON J.M. INGENIERIE DES SYSTEMES DINFORMATIONPONCET A. PHYSIQUE DE LA MATIEREPOUSIN J. MODELISATION MATHEMATIQUE ET CALCUL SCIENTIFIQUEPREVOT P. INTERACTION COLLABORATIVE TELEFORMATION TELEACTIVITEPROST R. CREATIS**RAYNAUD M. CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Transferts Interfaces et MatriauxREDARCE H. AUTOMATIQUE INDUSTRIELLERETIF J-M. CEGELY*REYNOUARD J.M. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - StructuresRICHARD C. LGEFRIGAL J.F. MECANIQUE DES SOLIDESRIEUTORD E. (Prof. mrite) MECANIQUE DES FLUIDESROBERT-BAUDOUY J. (Mme) (Prof. mrite) GENETIQUE MOLECULAIRE DES MICROORGANISMESROUBY D. GEMPPM***ROUX J.J. CENTRE DE THERMIQUE DE LYON Thermique de lHabitatRUBEL P. INGENIERIE DES SYSTEMES DINFORMATION

SACADURA J.F. CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Transferts Interfaces et MatriauxSAUTEREAU H. INGENIERIE DES MATERIAUX POLYMERESSCAVARDA S. (Prof. mrite) AUTOMATIQUE INDUSTRIELLESOUIFI A. PHYSIQUE DE LA MATIERESOUROUILLE J.L. INGENIERIE INFORMATIQUE INDUSTRIELLETHOMASSET D. AUTOMATIQUE INDUSTRIELLETHUDEROZ C. ESCHIL Equipe Sciences Humaines de lInsa de LyonUBEDA S. CENTRE DINNOV. EN TELECOM ET INTEGRATION DE SERVICESVELEX P. MECANIQUE DES CONTACTSVERMANDE P. (Prof mrite) LAEPSIVIGIER G. GEMPPM***VINCENT A. GEMPPM***VRAY D. CREATIS**VUILLERMOZ P.L. (Prof. mrite) PHYSIQUE DE LA MATIERE

Directeurs de recherche C.N.R.S.:

BERTHIER Y. MECANIQUE DES CONTACTSCONDEMINE G. UNITE MICROBIOLOGIE ET GENETIQUECOTTE-PATAT N.(Mme) UNITE MICROBIOLOGIE ET GENETIQUE

ESCUDIE D. (Mme) CENTRE DE THERMIQUE DE LYONFRANCIOSI P. GEMPPM***MANDRAND M.A.(Mme) UNITE MICROBIOLOGIE ET GENETIQUEPOUSIN G. BIOLOGIE ET PHARMACOLOGIEROCHE A. INGENIERIE DES MATERIAUX POLYMERESSEGUELA A. GEMPPM***VERGNE P. LaMcos

Directeurs de recherche I.N .R.A.:

FEBVAY G. BIOLOGIE FONCTIONNELLE, INSECTES ET INTERACTIONSGRENIER S. BIOLOGIE FONCTIONNELLE, INSECTES ET INTERACTIONSRAHBE Y. BIOLOGIE FONCTIONNELLE, INSECTES ET INTERACTIONS

Directeurs de recherche I.N .S.E.R.M. :

KOBAYASHI T. PLMPRIGENT A.F. (Mme) BIOLOGIE ET PHARMACOLOGIEMAGNIN I. (Mme) CREATIS**

* CEGELY CENTRE DE GENIE ELECTRIQUE DE LYON

** CREATI S CENTRE DE RECHERCHE ET DAPPLICATIONS EN TRAITEMENT DE LIMAGE ET DU SIGNAL

***GEMPPM GROUPE DETUDE METALLURGIE PHYSIQUE ET PHYSIQUE DES MATERIAUX

****LAEPSI LABORATOIRE DANALYSE ENVIRONNEMENTALE DES PROCEDES ET SYSTEMES INDUSTRIELS


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Cyri l CHAIN p. v

RSUMENFRANAISLa qu al it dun pro jet dclai rage de bt imen t inclut des n ot ions qua nt it de lum ire et de cara ct-

ristiques colorimtriques. La lumire naturelle est bien plus difficile dfinir que les sources artif icielles

et les m atr iaux, notam me nt sa dimen sion spectrale et di rect ionne l le . Deux car actr isations val ides d e la

lumire du jour son t p r inc ipa lement u t il is es : (1 ) l es modles de luminance ab ord en t l a d i r ec tionna l it e t

la tem po ral i t , ( 2) la mthod e CIE per m et de dterm iner la dis tr ibut ion ne rgt iqu e spectrale vis ible de lalumire naturel le , selon sa temprature de couleur proximale. Notre object i f cons is te caractr iser le

cl im at lum ineux de faon d i rect ionn el le et spectrale , en vue de p rolon ger les mo dles existants et de les

ut i li ser dan s le dom aine de l clai rage.

Deux procds expr imentaux ont t labors : une acquis i t ion manuel le des dis t r ibut ions de

spec t r es pour d iver ses cond i tions mtoro log iques , e t des me sures long t e rme d e do nnes ch rom at i-

ques . Les analyses rsul tantes met tent en vidence une relat ion entre la luminance et la temprature de

cou leur p roxima le du ciel di ffus . On d fini t a ins i un facteur LCF (Lum inance-Colour Factor) cara ctr isant

l e com por temen t co lo r du c i e l. Ce t te ca r ac t r is a tion perm et de r e l ie r l es m odles voqus p rcd em-

m ent et dabo ut i r un mo dle de lum inances n ergt iques spectrales . Lalgor i thm e globa l dp end d es

do nn es dentre d isponibles par l ut i li sateur ains i que des grand eur s color imtr ique s attendu es .

Fina lemen t , une mthodo logie es t p rop ose po ur ( 1 ) mo dl is e r l e g is ement de lumire na tu re l le

pn trant dans le bt im ent sous sa for me sp ectrale et di rect ionne l le , ( 2) l implm enter d ans des logiciels

usue ls de s imu lation sous form e de co mp osan tes tr ichro m at iqu es . Lana lyse des r par t it ion s chro m at i-

qu es perm et de ret rou ver d iverses gran deu rs color imtr iques . Cet te m thodo logie, val ide su r un logiciel

per form ant pou r de s cas s im ples , es t ut il ise dan s une tude d im pact des types de ciels , denviron nem ents

et de vitra ges.

MOTSCLSENFRANAISLum ire na tu re l le , t empor e l , d ir ec t ionn e l , spec t r a l, m odle de luminance , m odle de luminances

ne rgt ique s spectrales , temp ratur e de cou leur p ro xim ale, dis tr ibut ion n ergt iqu e spe ctrale , LCF, fac-

teur de lum inance-co uleur , logiciel de s im ulat ion d e la lum ire dan s le bt imen t


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p. vi Cyri l CHAIN

RSUMENANGLAISThe qu ality of a l ighting pro ject involves no tion s of quan tity of light and c olor ime tric ch ar acter istics.

Daylight is far more difficult to define than artif icial l ight sources and indoor materials , especially i ts

di rect ional and spectral dime ns ions . Two validated cha rac ter isat ion of dayl ight are m ainly used : (1 ) sky

luminance model s dea l wi th t empora l and d i r ec t iona l in format ion , (2 ) the CIE method enab les the

determinat ion of the vis ible spectral power dis t r ibut ion of dayl ight , according to i t s correlated colourtempe rature . Our aim l ies in the spectral an d d i rect ion al char acter isation o f daylight , with the intent ion to

extend the existing models and to use them in the field of l ighting for buildings.

Two exper imental setups have been e labora ted : a man ual acqu is it ion of spectral dis tr ibut ion un der

var ious sky condi t ions , and long- term measurement of chromat ic data . The resul t ing analys is shows a

relat ion between lum inance and cor related co lour tem per ature o f the di ffuse sky. We can thus def ine a LCF

factor ( Lum inance-Colour Factor) cha racter is ing the colou r be haviou r of the sky. This char acter isat ion

al lows to br idge the two above models and to lead to a spectral radiance model . The comprehens ive

algor i thm dep end s on the a vai lable inpu t data as well as the e xpected co lor imetr ic inform at ion .

Final ly, a m ethodo logy is pro pose d to ( 1) m ode l the spec tral and di rect ional availabi li ty of daylight

enter ing a b ui lding, ( 2) implem ent i t ins ide l ight s imulat ion software un der a t r ichro m at ic d efini tion. This

me thodo logy, val idated wi th a high-perform ance s imulat ion tool and s imple tes t cases , is used to s tudy the

impac t of var ious sky types , ou tdoor albedo and glazing.

MOTSCLSENANGLAISDayl lght , temporal , d i rect ionnal , spectral , luminance model , spectral radiance model , correlated

colour temperature, spectral power distr ibution, LCF, Luminance-Colour Factor, software for l ighting si-

mu lation ins ide b ui ldings .


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Cyri l CHAIN Table des matires gntale p. 1

TABLEDESMATIRESGNRALE

TABLEDESMATIRESGNRALE . . . . . . .. . . . . . .. . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . 1

INTRODUCTION . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . .. . 5

CHAPITREIDESCRIPTIONDELALUMIRENATURELLEETDESMODLESUTILISSPOURLACARAC-TRISER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

I.1. La source principale : le soleil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10I.1.1. La position gomtrique du soleil ................................................................................10

I .1.2. Le rayonne m ent solaire ho rs atmo sph re. . . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . . .. . . .. . . . 13

I.2. Une s o urce se con daire : la vo te cle ste. Structure e t com po sition de lat-

mosphre. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . 15I.2.1 . Stru ctur e de latmo sph r e. .......................................................................................... 15

I.2.2 . Lair sec atm osp h riqu e. ............................................................................................. 17

I.2.3 . Leau . ..........................................................................................................................1 9

I.2.4 . Les ar oso ls. ............................................................................................................... 20

I.2.5 . Les nu ages. .................................................................................................................. 22

I.3. Influence de s constituants atmo sphriques s ur le rayonne ment solaire. . 29I.3.1 . Descr iption gnr ale. .................................................................................................. 29

I .3.2. Absor pt ion spectrale du rayonne me nt solaire . . . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . 31I.3.3. Diffusion spectrale du rayonnement solaire.................................................................35

I.3.4 . Influe nc e des nu ages. .................................................................................................. 40

I .3.5. Bi lan sur la for m e spectrale et la co uleur du ciel di ffus. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . 42

I.4. La mo dlisation des luminances de ciel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46I .4.1. Pr incipes gn rau x de s m od les de luminan ces. . . . .. . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . . .. . . .. . . . 47

I.4.2 . Mod le tout tem ps de Prez. ....................................................................................... 48

I.4.3 . Ciels gn r au x no rm aliss CIE..................................................................................... 51

I.4.4 . Inter pr tation des for m ulations. .................................................................................. 53

I.5. Une caractrisation spectrale de la lumire naturelle selon sa temprature


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p. 2 Table des matires gntale Cyri l CHAIN

de couleur proximale. . . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . . . 57I .5.1. Dfini t ion du l ieu de lumire natur el le ( daylight locu s) . . . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .5 7

I .5.2. Dfinit ion du mo dle des i l lum inants spectrau x de lumir e natur el le de la CIE. . . . .. . . . .. 58

I.5.3 . Avan tages et limites du m od le. ................................................................................... 61

I.6. Autre source secondaire : lenvironne ment. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63I.6.1 . Car actr isation dun enviro nn em en t. ........................................................................... 63

I.6.2 . Mod lisation dun en viron ne m en t. .............................................................................. 63

I.6.3. Interactions avec les autres lments...........................................................................64

I.7 . Conclusion. . . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . . . 66

CHAPITREIICARACTRISATIONSPECTRALEETDIRECTIONNELLEDUGISEMENTDELUMIRENATU-RELLE- VERSUNEMODLISATIONDESLUMINANCESNERGTIQUESSPECTRALESDURAYONNEMENTDIFFUS . . . . . . .. . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . .. . . . . . .. . 6 7

II.1. Protoco le e xprimental de m es ures spe ctrales e t directionne lles de lavote cleste . . . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . .. . . . 68

II.1.1. Le bu t. ........................................................................................................................ 68

II.1.2. Le pro toco le de me sur es. ........................................................................................... 68

II.2. Analyse de s rsultats et propo sitions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

I I.2 .1 . Com para i son expr imenta le e t num r ique d e l a d i s tr ibut ion des luminances . . . .. . .. . .. . 77I I.2 .2 . Rela t ion ent re l es luminances e t l es temp ra tures d e co uleur p roximales du rayonn e-

m en t spe ctral m esu r . .......................................................................................................... 88

II .2.3. Rsul tats sur le l ieu des i lluminan ts de lumire natur el le . . . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . . 10 6

II .2.4. Val idat ion d e la m thod e p ou r d term iner les sp ectres d es i lluminan ts D-CIE et nou vel-

les pro po sitions. ................................................................................................................. 11 3

II.3. Protocole exprimental de mesures colo rimtriques en continu. .. . . . . . . 13 5II.3.1. Le bu t. ...................................................................................................................... 13 5

II.3.2. Le pr otoc ole de m esu re s. ......................................................................................... 13 5

II.4. Analyse des rsultats et nouvelles propositions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3II .4.1. Hypo thses d ana lyse e t pr par at ion des do nn es. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . 14 3

II .4.2. Dbu ts danalyse par t ir des facteur s LCF instantans. . . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . . 14 4

II.4.3. Dter m ination et analyse de s facteu rs LCF pa r ind ices de clar t de ciel et intervalles de

ha uteu r d e so leil. ................................................................................................................ 15 1

II.5. Prse ntation glo bale du mo dle de lum inances ne rgtiques s pectrales.1 7 2

II .5.1. Mod le de lum inance s ner gtiques spe ctrales tout tem ps. . . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . 17 2II .5.2. Mod le de lum inance s ne rgt iqu es instantanes . . . . .. . . .. . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . 17 4

II .5.3. Mod le tendu dautres infor m ation s color imtr iques. . . . .. . . .. . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . . .. . . .. . 17 4


10/281

Cyri l CHAIN Table des matires gntale p. 3

II.5.4. Per for m an ces du m od le. ........................................................................................ 17 5

CHAPITREIIIUTILISATIONDUMODLEDANSLCLAIRAGEDESBTIMENTS . . .. . .. . . .. . .. . . .. . .. . 1 7 7

III.1 Ncessit et choix dun logiciel de simulation de la lumire dans le bti-ment. . . . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . 17 8

I II .1 .1 . Mthodes pou r d te rminer l a rpar ti tion de la lum ire dans l e b t imen t . . . .. . .. . .. . .. . . 178

III.1.2. Aspect spe ctral et color imtr ique des logiciels de s imulat ion dclairage.. . . . . . . .. . . .. . . 17 8

III.1.3. Pr sentat ion gnr ale des logiciels de s imulat ion dclairage. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. 17 9

III.1.4. Form at des sou rce s de lum ire d ans les logiciels de s imu lation dclairage et cho ix

po ur imp lm en ter lclaira ge na ture l. ................................................................................ 18 1

III.1.5. Le logiciel Lightsca pe : prin cipes dutil isation e t validations. ................................... 18 4

III.2 Pro pos ition d une m tho dolo gie po ur implme nter la lumire naturelleso us laspect spectral et colo rimtrique dans les logiciels de simulation dclai-rage. . . . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . 18 9

III.2.1. Mod l isat ion de la lum ire en pr ovena nce de la vo te cleste . . . . .. . . .. . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. 18 9

III.2.2. Dfini tion des car actr is tiques de l enviro nn em ent . . . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . 19 0

III.2.3. Dfinition de s cara ctristique s des vitra ges ............................................................. 19 1

III.2.4. Prp ara t ion des f ichiers d e ph otom tr ies tr ichr om atiqu es dan s le for m at IES et char-

gem en t da ns le logiciel de simu lation . ................................................................................ 19 4

III.2.5. Gran deu rs dispon ibles l issue des s imulat ion s. . . . .. . . .. . . .. . . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . 19 5III.3. Validation du processus global, depuis limplmentation de la lumirenaturelle sous sa forme directionnelle et colorimtrique, jusqu lanalyse desrsultats en temp ratures de couleur proximales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 9

III.3.1. Tests dunifor m it des temp ra tures de co uleur p ro xim ales pour l clai reme nt direct .

2 0 0

III.3.2. Test sur les r ayon nem ents rsu l tants des inter-rf lexion s. . . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . 20 1

III.3.3. Test sur la valeur d e temp ra ture d e cou leur p ro xim ale. . . . .. . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. 20 2

III.3.4. Bilan de ce s cas tests. ............................................................................................. 20 2III.4. tudes de cas m ettant en avant limpact des diffre nts l me nts relatifs la lumire naturel le . . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . . 20 4

III.4.1. Descr ipt ion gnr ale des diffre nts cas envisags. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. 20 4

III.4.2. Impact du type de ciel.............................................................................................205

III.4.3. Imp act de len viron ne m en t. .................................................................................... 20 8

III.4.4. Imp act des vitra ges. ................................................................................................ 21 2

III.5. Conclusion. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 6

CONCLUSION . . . . . . .. . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . 2 1 7


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p. 4 Table des matires gntale Cyri l CHAIN

RFRENCESGNRALES . . . . . . .. . . . . . .. . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . 2 1 9

ANNEXEALUMIRE, VISIONETNOTIONSDECOLORIMTRIEUTILISESDANSLETRAVAILDETHSE . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . .. . . . . . .. . . . . 2 2 7

A.1 La Lumire et la vision des couleurs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 7A.1.1 La n ature de la lumire et sa c ara ctr isation gnr ale. . . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. 22 7

A.1.2 L il hum ain e t sa se nsibili t. .................................................................................... 22 8

A.1.3 App ar en ce de s co uleu rs. ........................................................................................... 23 2

A.2 Dfinition de paramtres lumineux et notions de colorimtrie. . . . . . . . . . . . . 23 3A.2.1. Luminance, intensit et clairement..........................................................................233

A.2.2 . Rep ra ge de s co uleu rs. ............................................................................................ 23 3

A.2.3 . Diffr en ce de cou leur s. ............................................................................................ 24 1

A.2.4 . Teinte dun r ayon ne m en t. ......................................................................................... 24 3

A.2.5. Rendu des cou leurs dun e sour ce lumineu se. . . . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . . 24 5

A.3. Discussion sur laspect pragmatique de ces paramtres. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 9A.3.1. Discussion sur le cho ix de l ob servateur de rfrenc e. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. 24 9

A.3.2. Discussion su r la not ion de temp ra ture de c ou leur pr oximale. . . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . . 25 0

A.3.3. Discussion su r la n ot ion de ren du des c ou leurs . . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . .. . . . .. . . . .2 50

ANNEXEBCORRESPONDANCEDESMODLESDELUMINANCESTOUTTEMPS DEPREZETDELACIE. . . . . . . .. . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . 2 5 3

ANNEXECIMPORTANCEDURAYONNEMENTVISIBLESURLHOMME . . .. . . .. . .. . .. . . .. . .. . . .. . .. . 2 6 5

C.1 Importance de la couleur dans la vision. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 6C.2. Considrations psychologiques de la lumire et de sa couleur. . . . . . . . . . . . . 26 8

C.3. Rayonne ment spectral et sant de lhomm e. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3


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Cyri l CHAIN Introduction p. 5

INTRODUCTION

peine vei l ls et la lumire appara t , e l le nous accompagne de pice en pice, dans la rue, lescou loirs d u m tro, au t ravai l, pend ant no s lois i rs et nos rep as . Je m e de ma nda is si l y avai t un ins tant o lalumire dispara t rai t de notre quot idien. La nui t , lorsque nous dormons ? Je regardais le r ideau de mafentre et ral isais qu i l ne faisait pas no ir, que j essayais pou r q uelque s heu res d e som m eil de m en isolermais quelle ne steindrait pas, puisque la ville continuait vivre. Pourquoi la lumire , que l le s o itdor ig ine nature l le ou arti fic ie l le , e s t -e l le o mniprse nte ? Parce que nous en avons be so in .

Limpact de la lumire sur le vivant es t cons idrable, qu i l s agisse du monde animal ou bien delord re vgtal, pu isqui l es t n et s es t dvelop p sous cet te r fre nce dep uis des mil lions d ann es . I ln es t donc pas tonnan t de dcouvr i r que l le rg it un grand nombre de fonct ions bio logiques ,phys io logiques e t psychologiques . On y cons tate que la donne spectrale de la lumire ( in-c luant l informat ion co lo re) joue galement une grande impo rtance e t que l le entre dans la

dterm ination de critre s de qualit dun pro jet dclairage d une part et quelle joue u n rle

sur la sant de l hom me. Ains i, de faon c onsciente o u n on , lho m me interagit avec la lum ire ( i l ragi tet agit ) . I l en a b esoin po ur voluer dan s ses diverses ac t ivi ts . Ds que les t res hu m ains ont su la cr er ,depuis lge du feu, i ls nont cess de la cultiver. Ds lors , ce ntait plus lhomme de sadapter lalumire m ai s l a lum ire de r pon dre aux beso ins pu i s aux env ies de l hom me. Mais depu i s un s ic le

environ, les prat iques s acclrent . Outre l avnement des thor ies sur les rayonnements , on ass is te audve loppem ent de no uvel les sources lum ineuses par incandescence , p u i s par fluorescence ou par d-cha rge, de no uveau x suppo r ts , dautres m oyens pour t ranspo r ter et di ffuser les rayons , de no uvel les pra -t iques , de nouveaux besoins , des cr i tres supplmentaires , e tc . De la lumire pour tout , de la lumirebel le , pr at ique , confor table, m a tr isable, dom est icable, mo dulable.

Es t-ce la cr ise ptrol ire des ann es 197 0 qu i aur ai t fai t pr end re co nscience au x hom m es que s i lalumire du jour na pas tous ce s cr i tres , e l le co ns t itue toutefois la sou rce la plus ut i li se et souvent lapr fre ? I l fal lai t revenir su r so n u t il isat ion et son exploi tat ion : plus et m ieux. Pour cela, enc or e e t-i l

fal lu qu e nou s conn aissions mieux la natur e de son gisemen t . Non p as en terme s dond es lectrom agnt i-qu es , dther o u de cor pu scules , mais dun point de vue bien plus pr agma tique . Les sour ces ar t i ficiel lestaient bien caractr ises , leurs puissances lect r iques thermiques et lumineuses , les photomtr ies etm m e les spectres . Et de s ape rcevoir quen co m par aison, la lumire nature l le tait pe ine co nnue .

Ce q ui faisait frein a ux re che rch es tai t sa var iabi li t ; sa d ynam ique tait pr cismen t la r aison p ou rlaquel le elle navai t pas t exploi te au mieux. Alors que no us t ions ca pab le de cr er d es sour ces surm esur e, co ns tantes , ut il isables de jour e t de nu i t, l intr ieur com m e l extr ieur, ma niable dun s implecl ic d inter ru pteur , nou s pou vions no us af fran chir d effor ts sur une lumire natur el le cap r icieuse et insuf-fisante ds la tom be d u jour .

Si nous prcisons prsent que l homme vi t de moins en moins l extr ieur , cela nous condui tnatur el lem ent no us intresser l arc hi tecture . Le Laboratoire des Sciences de lHabitat, au s e in duq uelcet te thse a t ral ise, s intre sse l am biance e t au con for t dans le bt imen t , en c ons idr ant les aspects


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p. 6 Introduction Cyri l CHAIN

Lumire rsul tante

dans un l ocal

Cielcouvert

Cielserein

4 8 9 3 K

6 6 5 6 K

5 8 5 4 K

4 4 7 1 K

4 2 3 4 K

3 8 7 9 K

4 6 1 8 K

8 7 1 2 K

3 3 0 2 K

4 7 7 3 K

4 6 7 1 K

4 0 5 1 K

2 9 3 9 K

3 1 0 6 K

3 9 9 2 K

6 0 3 8 K

therm iques, arau lique s, aco ustiqu es et lumineu x. Le group e clai rage et Rayonnement lectomagntiquecon cen tre ses act ivi ts de re cher che su r la carac tr isation de la lumire d ans le bt im ent en tudiant lessour ces de lum ire, les matr iaux ut il iss dans les pr ojets arc hi tectura ux ( plus par t icul irem ent les vi tra-ges) , le confor t et le comportement des usagers placs dans divers scnar i i lumineux. Cependant , la lu-mire du jou r es t souvent uti li se sous for m e de ciels de r fren ce, q ui ne re fltent pas la ral i t dunpro je t ; pour ce t t e r a i son , des ac t ions on t t menes pour mettre la connaissace de la lumirenature l le au niveau de ce l le d es so urces arti fic ie l les , no tamme nt ce travai l de doctorat.

Les btiments so nt caractr iss par une g om tr ie , une expo s it ion, la nature de s rev-

teme nts internes e t externes , des sys tmes doccultation ( s tores , vi trages ) qui mo difient con-

sid rablem ent la nature de la lum ire in cidente. La performance visue lle du lusage r, sa per-

ception de l environne men t, so n hume ur, sa sant , so n confort gnral e t visue l s ont a ins i

soum is la conjugaison

- du g isem ent de lumi re nature l le sur le s i te du pro jet

- de la forme e t la nature m me d u btiment .

Par exem ple, les pho tographies ci-con-t r es r eprsen ten t l e mme loca l , sous deuxcon di t ions cl im at iqu es di ffre ntes : un cielcouver t ( en hau t ) e t un c ie l sans nuages ( enbas) . Lam biance gn rale de la pice es t mo -dif ie, de mme que la dis t r ibut ion des ni -veaux dclai rements et des teintes ( les va-l eur s de temp ra tu res de cou leur expr imentdes car ts notables) . Ces paramtres inter -

viennen t dans d es cr i tre s de sat is fact ion delclaira ge pa r lutil isateu r.

Figure i-1 : La variation du gisement de lumire naturelle engendre une dynamique de lclairage, sur les distributions des niveauxdclairement comme sur la teinte (caractrise ici par les valeurs de tempratures de couleur proximales en Kelvins).

Lenvironnement peu t tre extrm em ent var i ( figur e i -2) et renvoyer vers le bt im ent un r ayon -nem ent t rs mod ifi . Les pho tograph ies ci-dessous i llus tren t des cas o le masqu e du r ayon nem ent di rect

es t for t di ffren t , de m m e qu e la teinte du rayonnem ent rf lchi .

Un au t r e fac teur con s idrab le r epose sur le s matr iaux ut i l i ss dans les btiments . Plus p ar-t icul irement , les s tores , selon leur nature ( t i s sus , mat ire syntht ique opaque perce, etc . ) et leur cou-

Figure i-2 : lenvironnementextrieur joue un rle sur la

lumire incidente sur lesouvertures du btiment.


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Cyri l CHAIN Introduction p. 7

leurs , peu vent chan ger rad icalem ent la dis t r ibut ion spec trale du ra yonn em ent t ransm is. I ls mo difient ains ila qual i t de la lum ire rsu l tante ( sa teinte et son ren du d es cou leurs sont deu x cr i tre s sur la qual i t dunpr ojet dclai rage mis en viden ce d ans l ann exe C) . Parfois les con squ ence s sur l am biance d e la piceet le con for t de son u t il isateur p euvent tre lour des co m me l i llus tre la ph otograp hie de gauc he ci -dessous( sensat ion dop pre ss ion , de bou ffe de c haleur ) . Il s m odifient galeme nt la per cep t ion d e l extr ieur quepeut avoir l usager de ce bureau. La photographie de droi te i l lus t re la vue extr ieure au t ravers duneou ver tur e su r laquel le no us a von s plac deu x vi trages ; la lumino s it et les teintes son t t rs di ffren tes . Lespr ogrs techn ologiqu es ral iss ces dern ires ann es on t condu i t l labor at ion d e vi trages et de fi lm s quimodif ient la lumire sur le plan spectral et di rect ionnel . Cer tains vont jusqu avoir une t ransmiss ionspec t r a le mod ulab le comm e les p rodu i t s l ec troch rom es ou therm ochro mes .

Figure i-3 : les matriaux utiliss dans le btiment, notamment les vitrages et les stores, modifient galement la nature durayonnement lumineux. Lambiance de la pice, la perception de lextrieur, le confort de lusager peuvent tre largement modifis.

Ces m atr iaux du bt imen t , depuis les revtem ents intr ieurs jusqu aux vit rages et s tor es pe uventt re car actr iss parfaitemen t , tant dun p oint de vue d irect ionn el (selon la di rec t ion inciden te du rayon-nem ent ) que d u po in t de vue spec t r a l . Malheureu sement , po ur tre pert inen tes , ces caractrist ique sdoivent se conjuguer avec une bo nne connaiss ance du g iseme nt de lumi re nature l , puisque

cest la lumire rsultante dans la pice que lon apprcie . Cest dans cette optique que se

situe lenjeu de ma thse : vers une caractrisat ion spectrale et direct ionnelle de la lumire

du jour.

Les travaux de rech erc he da ns ce do ma ine sont relati -vem ent rc ents . Nous p ar ton s toutefois sur d es rsu l tats djbien avancs et valids.

Les t ravaux sur le giseme nt de lum ire du jour o nt tpr ogress i fs . En 1 991 , la CIE ( Com m iss ion Intern at iona le delclai rage) lance un vas te progra m m e ( IDMP - Internat ionalDayl ight Measurement Program) pour ins tal ler des s tat ionsde m esures su r l e c l imat lumineux . De nom breu ses qu ipest ravai llent alors sur des m od l isat ion s de ciel . Les scan ner sde c iel, effectuant de s me sure s di rect ionnel les de la lumire( luminance) en p rovenance de l a vo te c leste , perm et ten tno tamm ent de m odl is e r l a lumire s e lon un mai ll age du c ie l. Laspe ct direct ionn el e st alors p lus o u

moins c onnu s o us la for me de mod le s de luminance de c ie l. Depuis l e dbu t des annes 19 90 ,des m od les on t t dvelopp s et ado pts par la CIE. Rcem me nt , de n ouveaux ciels s tand ard o nt encor et appr ouvs comm e r eprsen tati fs de cond i tions m torologiques par t icul ires . Des m odles tout temps

Figure i-4 : la recherche sur la lumire naturelle est relanceen 1991 par un programme international de mesures au sol.


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p. 8 Introduction Cyri l CHAIN

donnent une formulat ion gnrale couvrant les diverses condi t ions atmosphr iques depuis les ciels cou-ver ts au x ciels sans nu ages .

En revanche, aucun naborde l informat ion colore ou spectrale . Les t ravaux en ce domaine sersum ent ceux dune qu ipe de c herch eur s qu i , par t ir de mesur es spec t r a les ava ien t observ que l espectre de la lumire natur el le n tait pas s i var i q uon pou vai t limaginer . Ils ar r ivent m ontrer qu en ce

qu i concer ne l es r ayonnem ents en p r ovenance de l a vo te c les te , ceux ayan t l a mm e te in te ( expr imepar l eur va leur de t empra tu re de cou leur p rox imale) ava ien t une d i s tr ibu t ion spec t r a le n erg tique s imi -laire d ans le do m aine du vis ible. Une re lat ion e s t a lors tabl ie puis approu ve par la CIE en 19 66 ,permettant , part ir de la seule informat ion sur la temprature de couleur proximale , de

retrouver la df init ion sp ectrale relat ive au vis ible .

Ains i, s i lon rsu m e ces t deu x der niers p oints , il es t poss ible de mo dl iser les quan t its de lum ireen p rovenance du c ie l d un po in t de vue d i r ec tionne l ( lum inance) , au co ur s d u t emps . E t s i nous conn ai s-sons l a te in te de ce r ayonne men t ( l a temp ra tu re de co u leur p ro x imale) a lo r s nous pou vons en d du i r eson spectre nergt ique dans le domaine du vis ible et ains i avoir accs toute grandeur lumineuse et

co lo re . Le pont entre ces deux propos it ions , va l ides e t ut i l i ses , es t prc isment le sujetpr inc ipal de mes travaux de re cherche : es t - i l poss ib le de re l ier la te inte dun rayonne ment

en p rovenance du c ie l sa valeur de luminance ? Pour toutes le s cond itions de c ie l ? Si ce la

ta it fa isable , nous pourr ions tabl ir un modle de luminances nergt iques spectrales du

c ie l perme ttant, partir de do nne s c l imat iques s imple s , d tabl ir des cartes de c ie l donnant

les d is tr ibutions spectrales nergt iques d irectionne l les ( rduite au do maine v is ib le ) .

Dans l e p re mier chap i tr e , es sen t ie l leme nt b ib liograph ique , n ous p rsen te rons l es phnom nes p hy-s iques et opt iqu es qui sont mis en jeu dan s latmo sphr e, respo nsab les de la dis tr ibut ion et de la colora-

t ion de la lumire sur la vote cles te . Puis , nous prsenterons les deux modles qui encadrent notretude, ces t--dire le m od le de lum inance d e ciel dune par t , e t la m thod ologie CIE po ur d term iner lespec t r e d un r ayonne men t de lumire na tu re l le p ar t ir de s a te in te ( de s a t empr a tu re de co u leur p r ox i-ma le) d au t r e par t .

Le s econ d c hap i tr e r as semble d e f aon as sez chrono logique l es expr imenta tions mises en uvresafin de car ac t r is e r l a r e l a tion en t r e luminance e t temp ra tu re d e cou leur p ro x imale .

Le der nier cha pi tre p erm et de con fron ter les rsul tats au do m aine de l clai rage des bt iments .Afin de faci l iter la com pr hen s ion du t ravai l qui a t r al is, j ai plac en ann exe A les nom br euses

grandeurs photomtr iques et color imtr iques ut i l i ses au cours du rappor t . En outre, je fais ment ion de

cer taines cr i t iques sur ces paramtres . Lannexe B cons t i tue une compar ison entre les deux modles deluminan ces pr sents dan s le chap i tre I . Lann exe C rassem ble des r sul tats sur l influence de la lum ire,de la couleur et du spectre vis ible sur l homme, sur sa vis ion, son comportement , son apprciat ion desam biances lumineuses , a ins i que sur ce r t a ins aspec t s p lus m dicaux .

Dans l imm diat , ces t dans l atmo sphr e qu e no us avon s rend ez-vou s , pour e xpl iqu er ce q ui con-f re au c ie l la dynamique lumineuse , co lo re e t spec tr a le don t nous som mes spec ta teur s .


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Cyri l CHAIN Chapi tre I - Description de la lumire naturelle et des modles utiliss pour la caractriser p. 9

CHAPITREIDESCRIPTIONDELALUMIRENATURELLE

ETDESMODLESUTILISSPOURLACARACTRISER

Le soleil a t la lumire de rfrence sous laquelle notre humanit sest dveloppe. Lapparitiondes sources artificielles est ce titre trs rcente : les lampes filament de tungstne nont que 80 annesdexistence tandis que les tubes fluorescents nont t dcouverts qu la fin des annes 1940. Cest sous cerayonnement solaire que sest constitue, pas pas, la biologie terrestre ; il nest pas tonnant de constater

combien la lumire naturelle agit sur lhomme, tant du point de vue biologique que psychologique. Pour-tant la caractrisation de la lumire naturelle est bien moins connue que celle des sources artificielles. Sadynamique est plus large et les phnomnes dont elle rsulte sont bien plus complexes.

Ce chapitre a pour but de dcrire lorigine et les caractristiques de la lumire naturelle. Cependant,ce serait une erreur de ne parler que du soleil. En effet, sil est la source originale de lumire naturelle surterre, nous devons toutefois nous intresser pleinement aux sources secondaires gnres par les phno-mnes optiques de rflexion, diffusion, absorption sur son rayonnement : distinguons la vote clestedune part et lenvironnement terrestredautre part. Voil ainsi trois lments qui composent un toutquenous appelons communment lumire naturelle. Exceptionnellement, certains chercheurs dfinis-

sent par ce terme les seules contributions du soleil direct et de la vote cleste ; concernant en outre ledomaine architectural auquel nous nous intressons comme application de ltude, il est ncessaire dyinclure le rayonnement rflchi par lenvironnement du btiment, quil sagisse du sol et son relief ou biendu bti gnrant tous deux des rflexions et ventuellement des ombres.

Dans un premier temps, le soleil est prsent comme la source primaire du rayonnement ; saposition et sa quantit dnergie mise sont values dans le temps et sous nimporte quelle latitude (I.1).Latmosphre est dcompose selon ses divers lments chimiques (I.2) et les phnomnes dabsorptionet de diffusion du rayonnement incident quils suscitent (I.3). Les nuages seront considrs part.

Dans un second temps, nous dvelopperons les modles usuels qui seront repris lors de ltudeprsente dans le chapitre III. Ils permettent de dterminer les distributions de luminances sur la vote

cleste (I.4), ainsi que de gnrer des illuminants spectraux de lumire naturelle (I.5).Enfin, lenvironnement est considr dans son impact sur la lumire diffuse du ciel ainsi que sur sa

contribution directe sur un observateur (I.6). Quelques lments denvironnement sont dfinis, les unssont naturels, tandis que dautres sont dorigine humaine.

A lissue de ce chapitre I, il sera ds lors possible de comprendre le rayonnement de lumirenaturelle, sa nature, les phnomnes physiques mis en jeu, et de connatre les divers paramtres quientrent en jeu dans lvaluation et la prdiction du rayonnement sur terre. Nous pourrons galement nousappuyer sur les deux modles prsents afin de poursuivre la caractrisation du gisement de lumirenaturelle au cours du chapitre suivant.


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p. 10 Chapitre I - Descri ption de la lumire naturelle et des modles utiliss pour la caractriser Cyri l CHAIN

I.1. La source principale : le soleil.Le rayonnement solaire est une nergie lectromagntique libre par les ractions thermonuclai-

resau sein du soleil. Il est assez proche de celui mis par un corps noir port une temprature lgre-ment infrieure 5800 Kelvins. Malgr la distance entre le soleil et notre plante, limpact de ce rayonne-ment sur la terre reprsente un apport nergtique important. En effet, on peut estimer 178.1015Watts la

puissance intercepte par lhmisphre clair. Sa rpartition nest pas uniforme, ni dun point de vuegographique, ni temporellement. En effet, la rotation de la terre sur elle-mme dune part et de sa rvo-lution au sein du systme solaire dautre part, produisent une mobilit apparente du soleil en tout site.

I.1.1. La position gomtrique du soleil.La plante terre tourne autour dun axe dfinissant les ples nord et sud du globe en 24 heures. Ce

phnomne gnre ainsi une alternance de jours (lhmisphre du site considr est alors clair) et denuit (lhmisphre est lombre).

La trajectoire de la terre autour du soleil constitue une ellipse de trs faible excentricit (cest--dire proche dun cercle), ralise en environ 365 jours. Linclinaison de laxe des ples terrestres parrapport au plan de lcliptique est constante et gale 2327' ; elle est lorigine du phnomne de saisonque nous connaissons. La distance terre-soleil varie entre 153.106km (le 3 juillet) et 147.106km (le 3janvier) ; sa valeur moyenne vaut 150.106km, ce qui donne un rayon apparent du soleil depuis la terregal 0,27.

Solstice d't= +2327'

Solstice d'hiver= -2327'

Equinoxe d'automne= 0

Equinoxe de printemps= 0

153.106km le 3 juillet

147.106kmle 3 janvier

s > 0s < 0

euqitpilcnalP

Figure I-1 : la position du soleil en un site varie suivant la rotation de la terre sur elle-mme et autour du soleil.

Notons que la distance moyenne entre la terre et le soleil dfinit lunit astronomique [UA] :

1 UA = 149 597 890 +/-500 km.Les distances minimale et maximale entre les deux astres valent donc respectivement 0,983 et 1,017 UA

La dclinaison solaire sreprsente langle entre les rayons du soleil et le plan quatorial. Dans

lhmisphre nord de notre plante, elle est positive au printemps et en t, ngative le reste du temps ; ellevarie entre +2327' au solstice dt (le 21 juin) et -2327' au solstice dhiver (le 21 dcembre). Elle estdonne par lexpression mathmatique suivante [BRICHAMBAUT, 1982] :

s J= +( )[ ]23 45 0 986 284, .sin , . [I-1]

J est le jour Julien, variant de 1 365.


18/281


-25

-20

-15

-10

-5

05

10

15

20

25

Dclinaisonsolaire[degrs]

Jan

Fv

Mars

Avril

Mai

Juin

Juil

Aot

Sep

Oct

Nov

Dc

Solsticed't

quinoxed'automne

quinoxede printemps

Solstice d'hiver

Mois

Figure I-2 : graphique reprsentant langle entre le soleil et le plan quatorial de la terre, responsable des saisons.

Ainsi, la combinaison des mouvements de la terre sur elle-mme et autour du soleilinduit un mouvement apparent du soleil en tout point terrestre.Des donnes spatiales relatives ces deux astres, il est possible de dterminer dune part la position du soleil dans la vote cleste enfonction du site (sa latitude et sa longitude) et de linstant (jour de lanne et heure), et la dure du jourdautre part.

La position du soleil est exprime par deux angles, savoir- sa hauteur angulaire au-dessus de lhorizon communment appele laltitude du soleil,ou encore langle entre le znith du site et la direction du soleil appel angle znithal.- lazimut, qui est son angle horizontal par rapport au sud (pour lhmisphre nord).

Figure I-3 : la position du soleil est repre en tout site par desdfinitions angulaires traditionnelles.

s: azimut

s: altitude

ud

Ouest

N rd

Est

zs: angle znithal

Znith

La figure suivante reprsente le diagramme solaire tabli Lyon. Le soleil est repr en fonction de

la date et lheure considres. Il est possible daccder cette information partir du serveur Satellight(www.satel-light.com).


19/281


90

0

10

20

30

40

50

60

70

80

SUD -10

-20

-30

-40

-50

-60

-70

-80

EST

-100

-110

-120

10

20

30

40

50

60

70

80

OUEST

100

110

120

20h

19h

18h

17h

16h

15h14h

13h12h

11h10h

9h

8h

7h

6h

5h

4h 21 Juin

21 Mai21 Juillet

21 Avril21 Aot

21 Mars21 Septembre

21 Fvrier21 Octobre

21 Janvier21 Novembre

21 Dcembre

lvation

Azim

ut

Figure I-4 : le diagramme solaire permet de connatre la course annuelle du soleil en unsite (Lyon en loccurrence) au cours du temps (repris de [DUMORTIER, 1995]).

On peut dfinir la dure astronomique densoleillement ou dure du jour comme la priodede temps sparant les vnements o le soleil est lhorizon, cest--dire que sa hauteur est nulle (cer-tains, tels que les astronomes, tiennent compte de la rfraction cest--dire quils prennent en considra-tion la position visible du soleil, ce qui allonge un peu la dure du jour en raison de la courbe que suitle rayon au travers des couches atmosphriques de diverses densits optiques). Le diagramme suivant

donne la dure du jour en fonction de la date et de la latitude du site, sur la base dun calcul effectu partir de la position gomtrique relle du soleil.


20/281


21 Mai /24 Juil11 Mai / 3 Aot1 Mai / 13 Aot21 Avr / 22 Aot11 Avr / 2 Sep1 Avr / 12 Sep21 Mar / 21 Sep20 Mar / 22 Sep

11 Mar / 3 Oct1 Mar / 13 Oct

21 Fv / 21 Oct11 Fv / 31 Oct1 Fv / 10 Nov

21 Jan / 21 Nov

0 2 6 10 14 18 224 8 12 16 20 240

10

20

30

40

50

60

6633'

Lyon : 4547'

2327'

70

80

90

Variations de la dure de jour

Dure de jour [heures]

Latitude[

N]

FRANCE

EUROPE

Tropiques

Cercle Polaire

21 Juin21 Dc

Figure I-5 : la dure du jour varie selon la latitude et de la dclinaison solaire.

I.1.2. Le rayonnement solaire hors atmosphre.Les radiations principales mises par le soleil proviennent dune zone dont la temprature est trs

variable : de 4 500 K au niveau de la couche externe, 10 000 K quelques centaines de kilomtres endessous de la surface apparente. Cependant, il est pratique en premire approximation de modliserlastre solaire en un point dont la temprature est de 5755 K. Dun point de vue spectral, Il est pratiquegalement de considrer le soleil quivalent un corps noir, mme si les mesures spectrales extraterres-tres ont montr que le spectre du rayonnement solaire global ne correspondait pas celui dun radiateurde Planck [HENDERSON, 1977]. En effet, dune part ce rayonnement provient de diverses zones plus oumoins profondes du soleil, chacune des zones ayant ses propres particularits et, dautre part, les couchesles plus externes (la chromosphre) absorbent une partie de lnergie mise par des couches plus profon-

des. Il en rsulte un spectre complexe comportant des raies et bandes dabsorption slective (plus de25 000 entre le proche infrarouge et le proche ultraviolet). Lirrgularit des priodes de forte activitsolaire (apparition de tches solaires associes aux ruptions chromosphriques) gnre un cart aurayonnement habituel, mais ne modifie que fort peu la puissance rayonne ni mme sa distribution spec-trale lumineuse ou nergtique, lexception de fines raies dmission.

En termes de recommandations, la Commission Internationale de lclairage a tabli un rapporttechnique relatif au rayonnement solaire [CIE 85, 1989]. La composition spectrale du rayonnement so-laire hors atmosphre peut tre assimile celle dun corps noir 6000K pour des longueurs dondesuprieures 1,2 m (infrarouge). En revanche, dans le visible et surtout dans lultraviolet, lcart est

notable. Toutefois, nous pouvons retenir que globalement, la composition spectrale du rayonnement so-laire hors atmosphre est rpartie de la manire suivante : 9,2% dans lultraviolet, 42,4% dans le visible et48,4% dans linfrarouge.


21/281


VISIBLE

2000

2200

2400

2600

1600

1800

1000

1200

1400

200

0

400

600

800

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4

IR

Corps noir 6000 K.

Rayonnement solaire la limite suprieure de l'atmosphre.

Sensibilit spectrale de l'oeil.

Longueur d'onde [mm]

Rayonnementsolairespectr

al[W.m-2parmm]

UV

Figure I-6 : Moins de 50% du spectre lectromagntique du rayonnement solaire est dans le domaine visible, la plus grande partie se

situe dans les infrarouges.

En ce qui concerne lclairement solaire extraterrestre hors atmosphre (cest--dire incident surla couche externe de latmosphre), les recommandations de la CIE [CIE 85, 1989] donnent les valeursnergtiques et lumineuses suivantes en fonction du jour de lanne (la distance terre-soleil est prise enconsidration dans le calcul de la CIE).

E E

Jesno esc= +

1 0 0334360 2 7206

365 25, cos

( , )

,pour lclairement nergtique, [I-2]

E E

Jvsno vsc= +

1 0 0334

360 2 7206

365 25, cos( , )

, pour lclairement lumineux, [I-3]

Eesno

= clairement nergtique solaire extraterrestre direct normal hors atmosphre,E

vsno= clairement lumineux solaire extraterrestre direct normal hors atmosphre,

Eesc

= constante solaire nergtique = 1367 W/m2,E

vsc= constante solaire lumineuse = 133800 Lux,

J = jour Julien

1320

1340

1360

1380

1400

1420

0 61 122 183 244 305 366

clairement nergtique extraterrestre

Eesno[W.m

-2]

Jour de l'anne

Constante solaire: 1367 W.m-2

129

130

131

132

133

134

135

136

137

138139

0 61 122 183 244 305 366

clairement lumineux extraterrestre

Evsno[klx]

Jour de l'anne

Moyenne: 133.8 klx

Figure I-7 : les clairements nergtique (gauche) et lumineux (droite) normaux aux rayons du soleil atteignant latmosphrevarient au cours de lanne autour dune moyenne souvent prise comme rfrence.


22/281


I.2. Une source secondaire : la vote cleste. Structure et composition de lat-mosphre.

En traversant latmosphre, le rayonnement solaire subit des modifications spectrales et direction-nelles. Des phnomnes dabsorption et de diffusion sont gnrs par les particules atmosphriques sibien que la lumire connat une redistribution spatiale donnant lieu une source de lumire secondaire

constitue de lhmisphre cleste au-dessus de lhorizon.Cette nouvelle donne de la lumire naturelle nous conduit considrer deux contributions en

provenance du ciel : une partie directe caractrise par le rayonnement solaire non dvi etune partie diffuse relative la lumire provenant du reste du ciel. Lensemble constitue lacontribution globale de la lumire du ciel.

I.2.1. Structure de latmosphre.Latmosphre est la couche gazeuse qui enveloppe la terre. Sa densit et sa pression diminuent au

fur et mesure que laltitude augmente et lon observe que la moiti de la masse atmosphrique est situeen dessous de 5 km, les 3/4 en dessous de 10 km. La limite avec le milieu interplantaire nest pas francheet lon peut considrer que lpaisseur gomtrique de latmosphre suppose parfaitement homognenest que de 7,9 km. La temprature nest pas constante non plus ; elle ne varie pas uniformment (con-trairement la pression et la densit).

Figure I-8 : ce croquis illustre la compositiontypique de latmosphre. Elle est compose

dlments qui agissent sur le rayonnementsolaire incident, comme nous allons ledvelopper dans la suite de ce chapitre

LOrganisation Mondiale de la Mtorologie (OMM) dfinit quatre zones successives qui caractri-sent les phnomnes thermiques (cest--dire les variations de temprature au sein de latmosphre): latroposphre (de la surface terrestre une distance de 6 11/12 km selon la latitude), la stratosphre

(jusqu 50 km daltitude environ), la msosphre (jusqu 70/85 km) et la thermosphre (couche ext-rieure).


23/281


Figure I-9 : latmosphre est compose de diverses couches thermiques.

Pour caractriser la composition de latmosphre, trois rgions sont ainsi dfinies : lhomosphre(qui comprend la troposphre, la stratosphre et la msosphre) dans laquelle la composition de lair

sec est uniforme et invariable en premire approximation, lhtrosphre dans laquelle la compositionde lair est sujette une variation verticale systmatique et la protosphre forme exclusivement deprotons et dlectrons libres. Seule lhomosphre intervient dans les phnomnes de propaga-

tion du rayonnement solaire car elle contient les principaux lments qui modifient lacomposition spectrale de la lumire, savoir :- lair sec,- la quasi-totalit deleau atmosphrique- etles arosols, .

Ce dcoupage en trois groupes nest pas hasardeux. Les radiations solaires pntrant dans latmos-phre sont affectes par chacun de ces ensembles. En outre, la composition en eau et arosols variefortement au cours du temps et du lieu tandis que la prsence des constituants de lair sec est moinsalatoire. ces trois ensembles, jai prfr ajouter un quatrime dfini par la couverture nuageuse. Eneffet, quoique composs principalement deau sous divers tats, les nuages modifient le rayonnementsolaire de faon notable et particulire. Nous verrons en outre quils jouent un rle important dans lacaractrisation spectrale et directionnelle du gisement de lumire naturelle. Ces trois groupes seront ex-plors dans les sections suivantes (de I.2.2 I.2.5).

Pour donner un exemple global de la composition chimique de latmosphre, jai retenu le tableauci-aprs. Dtermin en 1976 aux tats-Unis par le US Standard Atmosphere [US-SA, 1976], il dtaille les

quantits dlments prsents dans latmosphre en distinguant les constituants permanents de ceux dontla composition varie largement. Retenons que lazote, loxygne et largon reprsentent 99,9% des gazpermanents. Le dioxyde de carbone est class parmi les gaz permanents alors que sa concentration varienotablement selon les activits naturelles (ocan, photosynthse, respiration animale) et industrielles (com-bustion de matire organique).


24/281


Constituant % volume Constituant % volume

Azote (N2) 78,084 Vapeur d'eau (H2O) 0-0,04

Oxygne (O2) 20,948 Ozone (O3) 0-12.10-4

Argon (Ar) 0,93 4 Dioxyde de soufre (SO2)* 0,001.10-4

Dioxyde de carbon (CO2) 0,033 Dioxyde d'azote (NO2)* 0,001.10-4

Non (Ne) 18,18.10-4 Ammoniac (NH3)* 0,004.10-4

Helium (He) 5,24.10-4 Monoxyde d'azote (NO)* 0,0005.10 -4

Krypton (Kr) 1,14.10-4 Sulfate d'hydrogne (H2S)* 0,00005.10 -4

Xenon (Xe) 0,089.10-4 Vapeur d'acide nitrique (HNO3) traces

Hydrogne (H2) 0,5.10-4 Chlorofluocarbones traces

Mthane (CH4) 1,5.10-4

Protoxyde d'azote (N2O)* 0,27.10-4

Monoxyde de carbone (CO)* 0,19.10-4

* Concentration proximit de la surfae terrestre

Constituants permanents Constituants variables

COMPOSITION DE L'ATMOSPHRE

Donnes d'aprs U.S Standard Atmosphere, 1976 [US-SA, 1976]

Figure I-10 : De nombreux lments chimiques composent latmosphre. Nous verrons en I.3. quils sont responsables desphnomnes dabsorption et de diffusion du rayonnement spectral solaire.

I.2.2. Lair sec atmosphrique.Lair sec se compose essentiellement de quatre lments, savoir : lazote (N

2

, 78,08% du volume),loxygne (O2, 20,94%), largon (Ar, 0,93%) et le dioxyde de carbone (CO2, 0,033%). Appels gaz perma-nents, ces constituants ont toutefois des concentrations qui varient en fonction de la latitude, du vent, dusite plus ou moins urbain ainsi que de la saison.

Parmi les autres composants de lair sec,lozone est un lment particulier quil faut pren-dre en considration dans les phnomnes dabsorption spectrale de la lumiremalgr safaible concentration (10-6% du volume). En effet, la plupart des radiations ultraviolettes est absorbe parcet lment, protgeant ainsi la terre de ces radiations haute nergie (cf. Annexe A.1.1) . La teneur enozone dpend de la latitude et de la saison [QUENEY, 1974]. Elle est notable dans une couche atmosph-rique comprise entre 15 et 45 km daltitude comme lillustre le graphe suivant (figure [I-11]) reprenant

la distribution propose par Elterman [ELTERMAN, 1968]. Dans cette rgion de lespace, elle est simulta-nment produite et dtruite par des ractions photochimiques [LIOU, 1980] : dans la haute atmosphre,lozone est cre par les radiations ultraviolettes du soleil (dissociant les molcules doxygne en atomes serecombinant aux autres molcules doxygne) ; en revanche, les gaz dusine, combustions et feu de fortsentranent la dcomposition des molcules doxyde de nitrogne(NO), lorigine principale de lozone auniveau du sol.


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Figure I-11 : la teneur en ozone varie en fonction de laltitude

On dtermine lpaisseur optique globale de lozone (cest--dire la masse totale dozone contenuedans un cylindre vertical de section unit) par spectroscopie au sol. Cette grandeur est souvent exprimeen hauteur quivalente dozone normal et dnomme paisseur rduite dozone(ozone pur dans lesconditions normales 0C : 760 mmHg ou encore 2,1415 kg/m3).

La hauteur dozone moyenne est denviron 2,4 mm lquateur et augmente avec la latitude pouratteindre des valeurs proches de 4,5 cm aux ples. Ces valeurs varient au cours de lanne, suivant un

profil trigonomtrique. Queney [QUENEY, 1974] propose une synthse du profil annuel de lozone r-sum dans les deux graphes suivants. la latitude de Lyon, lpaisseur rduite dozone est de 3,6 mm auprintemps, 3,2 mm en t, 2,8 mm en automne et 3,3 mm en hiver.

90

80

70

60

50

40

30

20

100

J0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 F M A M J J A S O N D

Latitude

[N]

4.0

4.2

4.4

3.8

3.6

3.4

3.23.0

2.8

2.6

2.4

2.2paisseurrduited'ozone[mm]

Mois

paisseur rduite d'ozone [mm]

Latitude [N]

4,5

4,2

3,9

3,63,3

3,0

3,0

2,7

2,7

2,4

Printem

psHiv

er

t

Automne

LatitudedeLyon

Latitude de Lyon

Figure : I-12 : il est possible dtablir un profil annuel de teneur en ozone, fonction de la latitude du site daprs [QUENEY, 1974].

Loxygne et le dioxyde de carbone interviennent galement dans les phnomnes dab-

sorptioncomme cela sera dvelopp dans la partie traitant de ces vnements.


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I.2.3. Leau.Leau contenue dans latmosphre est principalement localise dans les 10 kilomtres infrieurs de

latmosphre. Elle provient de lvaporation de leau la surface de la terre : des ocans et mers principa-lement, mais aussi de la couverture vgtale. Sa concentration varie ainsi largement, tant gographique-ment que temporellement. On trouve leau atmosphrique essentiellement ltat de gaz mlang lair

(appel alors vapeur deau), mais galement sous forme liquide et solide dans les nuages. Comme pourlozone, son influence sur le rayonnement solaire est importante et il convient de dterminer sa teneuratmosphrique. Pour cela, on sintresse lpaisseur optique totale de vapeur deau sur le site concern,cest--dire la masse totale de vapeur deau contenue dans un cylindre vertical de section unit. Onlexprime en hauteur deau quivalente sous le nom de hauteur deau prcipitableavec la conventionque 1 cm deau prcipitable reprsente 1 g.cm -2de vapeur deau.

La hauteur deau prcipitable dpend de la capacit de lair contenir de la vapeur deau, donc deson humidit relative et de sa temprature. Leckner propose une relation et le diagramme illustrs ci-dessous [LECKNER, 1978]. Il tient compte de lhumidit relative et de la temprature de lair. Ces deuxparamtres conditionnent en effet la capacit de lair contenir de la vapeur deau.

w

HR

t t=

+

+

0 00493273

26 235416

273, exp , [I-4]

w hauteur deau prcipitable [cm]HR humidit relative de lair [%]t temprature de lair [C]

Figure I-13 : la teneur en eau estdtermine en fonction de la tempra-

ture et lhumidit relative de lair. Cegraphe est tabli daprs lquation [4]

formule par [LECKNER, 1978].

0123456789

1011

12

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Hauteurd'eauprcipitable[cm]

HumiditRelative HR [%]

0C

40C

30C

20C

10C

Temprature de l'air [C]

Dautres formulations antrieures existent et sont prsentes dans [IQBAL, 1983] ; lauteur donnele maximum dexactitude la formule de Leckner. Plus tard, Richard Prez propose galement une rela-tion qui lie la hauteur deau prcipitable la temprature de rose. Cette dernire est calcule partir dela temprature de lair et de lhumidit relative [PEREZ, 1990]. Une validation est effectue localement(Albany, NY) pour des valeurs moyennes mensuelles dans [WRIGHT, 1989]. Les rsultats sont semblablespour une temprature infrieure 30C mais divergent au-del des humidits relatives suprieures 60%,pouvant conduire un cart de 1 cm suprieur dans la formulation de Prez [PEREZ, 1990]. Toutefoisaucune validation de ces formules na t ralise en labsence de mesure de la teneur en eau sur Lyon.


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Lalgorithme de Leckner sera donc retenu pour la suite du travail de thse.La hauteur deau prcipitable est trs variable, de 0,1 1 cm au ple et dans le dsert o lair est sec,

de 2 5 cm en climat tempr et suprieure 5 cm en climat tropical. La valeur moyenne annuelle pourlanne 1994 est dtermine par Dominique Dumortier selon lalgorithme de Leckner Vaulx-en-Velin estde 2 cm [DUMORTIER, 1995]. La figure I-14 illustre ces donnes locales.

Les mesures des tempratures dair et des humidits relatives la station mtorologique de Vaulx-en-Velin permettent dtablir des hauteurs deau prcipitable moyennes (la formule de Leckner a tutilise). Les deux graphes suivants illustrent :- le profil des moyennes mensuelles sur les annes 1992, 1993 et 1994 ainsi que les trois moyennesannuelles,- la distribution frquentielle de la hauteur deau prcipitable en 1994.

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

J F M A M J J A S O N D

199219931994Moyenne 1992Moyenne 1993Moyenne 1994

H

auteurd'eauprcipitablemoyennemensuelle

[cm]

Mois

Teneur en eau Lyon

0

2

4

6

8

10

12

0.0

0

0.4

0

0.8

0

1.2

0

1.6

0

2.0

0

2.4

0

2.8

0

3.2

0

3.6

0

4.0

0

4.4

0

Frquence des teneurs en eau Lyon en 1994

Frquence[%]

Hauteur d'eau prcipitable w [cm]

Valeur mdiane 2.0 cm

4.6

0

Figure I-14 : ces donnes proviennent de la station IDMP de Vaulx-en-Velin. Elles permettent de donner en exemple les teneurs eneau observes en 1992, 1993 et 1994 [DUMORTIER, 1995]. Cependant, contrairement la teneur en ozone, il est difficile dtablir

un profil annuel.

I.2.4. Les arosols.Sont appels arosols toutes les particules en suspension dans lair et provenant des activits in-

dustrielles et naturelles varies : les pollens, cristaux de sels marins, et sable apports par les vents, lesruptions volcaniques, les poussires de mtorites, les feux agricoles et de forts, etc. La pluie, la neige etla grle ne sont pas considres comme des arosols. Par opposition aux molcules des gaz permanentsde lair sec, les particules suspendues dans lair ont des volumes, concentrations, distributions, formes etcompositions de matriaux trs divers. Leurs dimensions varient de quelques nanomtres (appeles par-ticules Aitken selon [IQBAL, 1983]) la centaine de micromtres pour les plus larges (particules gantes); elles sont sensiblement suprieures aux molcules dair sec et comparables aux longueurs donde durayonnement lumineux.

Ces arosols sont principalement rpartis dans deux couches illustres sur la figure I-9 : lunetroposphrique de 1 3 km daltitude affecte essentiellement par les temptes de poussires naturelles etles productions humaines, lautre stratosphrique de 15 25 km daltitude affecte par les ruptions


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volcaniques et les sources cosmiques. Par exemple, Michalsky a constat quaprs lruption volcaniqueEl Chichon en 1993 au Mexique, lattnuation avait connu un pic de 11% dans le visible dans lhmisphrenord pour des latitudes moyennes [MICHALSKY, 1994]. Lattnuation provoque par le mont Pinatubo en1992 tait de lordre de 15%. Ces deux volcans ont rejet de 6 20 millions de tonnes de dioxyde de soufreSO

2dans la stratosphre, devenant du H

2SO

4,puis un arosol. Une autre tude effectue lors dune tempte

de poussire au Nigeria a caractris une attnuation de lclairement nergtique de lordre de 50%[ADEYEFA, 1996].

Les arosols sont caractriss par deux coefficients :- le paramtre caractrise la taille moyenne des particules atmosphriques. Plus est levplus il dcrit des arosols de petites tailles,- la valeur du facteur de trouble dAngstrm , qui dcrit la teneur en arosols.Ce param-tre est calcul partir de la valeur de lclairement nergtique direct normal (ou partir de la visibilithorizontale).

Nous verrons plus loin que ces deux paramtres ont t dfinis avec pertinence partir de leurimpact en terme de diffusion du rayonnement solaire (cf. section I.1.3 sur les phnomnes de diffusion

dans latmosphre).De manire gnrale, la concentration en arosols est

- suprieure en site pollu celle constate en site rural,- suprieure au-dessus du continent quau-dessus des ocans,- plus importante en priode sche.

Les prcipitations jouent un rle sur la teneur en arosols dans les 20 km infrieurs de latmosphreen rduisant la concentration de ces particules tout en augmentant la taille des lments qui persistent. Surles continents, le facteur de trouble varie de 0,05 pour un environnement rural [DOGNIAUX, 1975] 0,40pour un environnement trs trouble [IDERIAH, 1992]. Vaulx-en-Velin, la valeur moyenne observe est

de 0,15. Ceci nest gure une tendance puisque la concentration en arosols peut varier duneheure lautre en raison des vents, des courants thermiques et des prcipitations. En outre legraphe des valeurs tablies sur Lyon pour 1992-1993-1994 naffiche pas de tendance similaire duneanne sur lautre. Retenons donc la forte variabilit du facteur de trouble dAngstrm(davan-

tage que pour le facteur ).Les mesures dclairements nergtiques horizontaux global et diffus la station mtorologique de

Vaulx-en-Velin permettent dtablir le facteur de trouble dAngstrm moyen (selon la mthode dcriteci-dessous par Louche). Les deux graphes suivants, issus des donnes observes par Dominique Dumortierpendant les annes 1992, 1993 et 1994, illustrent

- le profil des moyennes mensuelles sur les annes 1992, 1993 et 1994 ainsi que les trois moyennesannuelles,- la distribution frquentielle de en 1994.

Nous observons que la teneur en arosols est fort variable au cours de lanne et dune anne surlautre. Il est ainsi ncessaire de dterminer systmatiquement sa valeur selon linstant dobservation.


29/281


0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

J F M A M J J A S O N D

199219931994Moyenne 1992Moyenne 1993Moyenne 1994

Facteurdutroubled'Angstrmm

oyenmensuel

Mois

Teneur en arosols Lyon

0

5

10

15

20

25

0.0

0

0.0

4

0.0

8

0.1

2

0.1

6

0.2

0

0.2

4

0.2

8

0.3

2

0.3

6

Frquence des teneurs en arosols Lyon en 1994

Frquence[%]

Facteur de trouble d'Angstrm

Valeur mdiane: 0.13

0.

40

Figure I-15 : partir des mesures ralises par la station IDMP de Vaulx-en-Velin, on dtermine la teneur en arosols au cours dutemps (les donnes de 1992, 1993 et 1994 ont t utilises sur la base des donnes de [DUMORTIER, 1995]). Comme pour la teneur

en eau, il nest pas possible dtablir un profil annuel reproductible.

Dun point de vue pratique, on peut dterminer et partir de deux valeurs de lattnuationa

M(). Ce paramtre sera dfini ultrieurement en I.3.3 par lquation [I-30]. On les dtermine par spec-

tromtrie sur deux longueurs donde en dehors des bandes dabsorption. Iqbal propose =380 et =500nm. Ou bien, il est possible de ne rduire qu une seule mesure spectrale si on suppose que =1,3 ou

bien si cette mesure est ralise 1000 nm (lexposant nentre plus dans le calcul de ).Lorsque de telles mesures ne sont pas ralises, peut tre estim par mesure de la visibilit (enkm). Nous obtenons une valeur du trouble dont la justesse dpend de lapproximation de la visibilit[IQBAL, 1983].

Enfin, Louche [LOUCHE, 1987] prsente une lgante faon de dterminer partir de la valeur delclairement nergtique direct normal, valeur souvent disponible soit par mesure directe, soit partirdes valeurs dclairements nergtiques horizontaux diffus et global (valeurs mesures par la station m-torologique de Vaulx-en-Velin). Louche utilise le modle nergtique de Bird et Hulstrom [BIRD, 1981]et dtermine lattnuation de chacun des lments atmosphriques except limpact des arosols. Con-naissant les clairements nergtiques directs normaux la surface terrestre dune part et extraterrestredautre part (cf. I.1.2, eq. [I-2]), il est ais de calculer lattnuation globale et donc celle rsultante de ladiffusion des arosols. Plusieurs valeurs de sont utilises (1,0 et 1,3) mais naffectent que faiblement la

valeur finale de .

I.2.5. Les nuages.Les constituants qui viennent dtre prsents dcrivent une atmosphre absente de nuages. De par

leur composition et leur densit, les corps nuageux modifient radicalement le comportement des rayonne-ments lectromagntiques dans le ciel. Par consquent, il est important de les distinguer du reste de

latmosphre.Les nuages contiennent des particules en suspension dans lair, sur lesquelles la condensation se

forme. Ceci explique pourquoi aprs certains orages le ciel semble plus limpide, pur des poussires


30/281


atmosphriques.Mais les nuages sont essentiellement des formations damas de vapeur, de gouttes et

parfois de corps solides base deau (glace plus ou moins pure). Ils sont crs soit par refroidis-sement des masses dair en altitude, soit par condensation dair ascendant. Parfois, une turbulence atmos-phrique peut gnrer une humidification suffisante lapparition de nuages. l'tat de vapeur, l'eau est

invisible : contrairement ce que l'on pourrait penser, la bue qui s'chappe d'un liquide en bullitionn'est pas de la vapeur d'eau mais bien de l'eau dj condense en trs fines gouttelettes. Ainsi, contraire-ment la vapeur deau en suspension dans lair, un nuage visible est ncessairement constitu d'unesuspension de minuscules particules d'eau. La quantit de vapeur contenue dans l'air dpend de sa temp-rature : plus la temprature est leve, plus l'air peut contenir de vapeur d'eau. chaque temprature del'air correspond donc un certain "seuil de saturation" au-del duquel cette vapeur passe l'tat liquide :c'est le processus de condensation.

Figure I-16 : les nuages sont le sige de variationsthermodynamiques sur les molcules deau, expliquant les

diffrentes phases de cet lment et par consquent lesdiverses configurations nuageuses.

La taille des amas deau est variable : de quelques micromtres (vapeur deau fine dunbrouillard) quelques centaines de micromtres (grosses gouttelettes), voire plusieurs millimtres pourles gouttes et grains de glace. Mais outre la diversit des particules, cest davantage leur concentrationqui diffre du reste de latmosphre sans nuage. Cest galement ce qui les distingue des arosols.

Afin de caractriser la couverture nuageuse, lobservateur va se rfrer deux paramtres : dunepart leur type et dautre part leur quantit.

i. Les varits de nuages sont dfinies laide dune classification internationale, quicatgorise les types de nuages daprs leur aspect, leur dimension et altitude. C'est une classification engenres, espces et varits correspondant respectivement leurs formes, structure internes et particulari-

ts. Ce moyen permet didentifier indirectement limpact quils ont sur le rayonnement solaire. Voici, pourinformation complmentaire (non utilise dans la suite de ce travail de thse), la caractrisation desprincipaux types de nuages telle que dcrite par la classification internationale [ATLAS NUAGES, 1975][QUENEY, 1974].


31/281


Fa

mille

Genres(nom

etsymbole)

Hauteurde

labase:

Minima

Hauteur

de

labase:

Maxim

a

Hauteurde

labase:

Moyenne

Epaisseur:

Minima

Epaisseur:

Maxima

Epaisseur:

Moyenne

Classificat

ionInternationaledesnuages,lmentsreprisd'aprsdiversessources.

500

300

5

000

3

000

2

000

1

500

500

4

000

3

000

3

000

150

150

150

3

000

2

000

8

000

1

500

800

3

500

3

500

6

000

6

000

5

000

6

000

2

500

2

000

5

000

5

000

12

00

0

7

000

12

50

0

300

1

500

1

500

3

500

50

200

1

000

500

500

800

200entet

400enhiver

500

2

000

voisinagedu

sol

1

200

500

600

5

000

1

2

000

7

000

1600

(mediocris)

5

000

(congestus)

150

(humilis)

300

3

500

1

000

1

200

2

000

400

nuagetotalementliquide

nuageglacsapartiesuprieure

Nuagenon

totalement

glacoudont

l'altitudedela

baseest

infrieure2

km

N

uages

infrieurs

Nuages

dveloppem

ent

vertical

Caracterisation de la lumiere

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