Modélisation du rayonnement solaire
Le rayonnement solaire (ou insolation) est émis par le soleil, est modifié lors de son passage dans l'atmosphère, subit d'autres changements causés par les topographies et surfaces, puis est intercepté à la surface de la Terre sous la forme de composants directs, diffus et réfléchis. Le rayonnement direct est intercepté tel quel, en une ligne directe provenant du soleil. Le rayonnement diffus est dispersé par des composants atmosphériques, comme les nuages et des particules de poussière. Le rayonnement réfléchi est réfléchi à partir des entités de surface. La somme du rayonnement direct, diffus et réfléchi est appelée "rayonnement solaire total" ou "global".
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Le rayonnement solaire est intercepté sous la forme de composants directs, diffus ou réfléchis. |
En général, le rayonnement direct est le composant le plus important du rayonnement total, suivi du rayonnement diffus. Le rayonnement réfléchi ne constitue généralement qu'une proportion négligeable du rayonnement total, à l'exception des endroits proches de surfaces très réfléchissantes, par exemple une couverture de neige. Les outils de rayonnement solaire d'ArcGIS Spatial Analyst ne tiennent pas compte du rayonnement réfléchi dans le calcul du rayonnement total. Par conséquent, le rayonnement total est calculé en additionnant le rayonnement direct et le rayonnement diffus.
Les outils de rayonnement solaire peuvent effectuer des calculs pour des positions de point ou pour des zones géographiques entières. Cela implique quatre étapes :
- Le calcul d'un champ de vision hémisphérique vers le haut basé sur une topographie.
- La superposition du champ de vision sur un raster de positionnement solaire pour mesurer le rayonnement direct.
- La superposition du champ de vision sur un raster de positionnement céleste pour mesurer le rayonnement diffus.
- Le renouvellement du processus pour chaque zone étudiée jusqu'à obtention d'une carte d'insolation.
Etant donné que le rayonnement peut être grandement impacté par des topographies et surfaces, l'un des composants clés de l'algorithme de calcul nécessite la génération d'un champ de vision hémisphérique du ciel pour chaque emplacement dans le modèle numérique de terrain (MNT). Les champs de vision hémisphérique sont similaires aux photographies hémisphériques du ciel (très grand angle), qui présentent le ciel dans son intégralité, vu du sol, comme si l'on se trouvait dans un planétarium. La partie de ciel visible joue un rôle important dans l'insolation à un emplacement donné. Par exemple, un capteur situé dans un champ ouvert présentera une insolation plus élevée que s'il se trouvait dans un canyon profond.
L'image suivante illustre une photographie hémisphérique du ciel, qui représente la partie de ciel visible, ainsi que les directions célestes obstruées par les topographies et surfaces environnantes. Cette vue correspond à ce que vous verriez du sol si vous regardiez vers le haut, dans toutes les directions.
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Hémisphérique (très grand angle) |
Calcul du champ de vision
Le champ de vision est une représentation raster de toute la partie du ciel visible ou obstruée, lorsqu'il est vu depuis un point particulier. Un champ de vision est calculé en recherchant un nombre défini de directions près de la zone étudiée et en déterminant l'angle maximal d'obstruction du ciel, encore appelé "angle d'horizon". Pour toutes les directions non recherchées, les angles d'horizon sont interpolés. Les angles d'horizon sont ensuite convertis en un système de coordonnées hémisphériques, représentant un hémisphère tridimensionnel de directions, sous la forme d'une image raster bidimensionnelle. Chaque cellule raster du champ de vision se voit attribuer une valeur qui indique si la direction céleste est visible ou obstruée. Les emplacements des cellules en sortie (ligne et colonne) correspondent à l'angle zénithal θ (angle relatif à une trajectoire droite ascendante) et l'angle azimutal α (angle relatif au Nord) sur l'hémisphère des directions.
La figure ci-dessous représente le calcul d'un champ de vision pour une cellule d'un MNA. Les angles d'horizon sont calculés le long d'un nombre défini de directions et permettent de créer une représentation hémisphérique du ciel. Le champ de vision obtenu détermine si les directions célestes sont visibles (en blanc) ou obstruées (en gris). Pour les besoins de démonstration de la théorie, le champ de vision a été superposé sur une photographie hémisphérique.
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Illustration des angles horizontaux, champs de vision obtenus et champs de vision mappés sur l'affichage du ciel |
Les champs de vision sont utilisés en conjonction avec les informations sur la position du soleil et les directions célestes (représentées par un raster de positionnement solaire et un raster de positionnement céleste respectivement) pour mesurer le rayonnement direct, diffus et total (direct + diffus) pour chacun des emplacements et générer une carte d'insolation précise.
Calcul du rayonnement solaire direct
Le rayonnement solaire direct émanant de chacune des directions célestes est mesuré à l'aide d'un raster de positionnement solaire dans la même projection hémisphérique que le champ de vision. Un raster de positionnement solaire est une représentation raster indiquant la trajectoire du soleil ou sa position apparente à mesure de sa course, sur une journée et une année. Cela revient à regarder le ciel et à observer la trajectoire que suit le soleil sur une période donnée. Le raster de positionnement solaire est constitué de secteurs définis par la position du soleil à des intervalles particuliers, au cours d'une journée (heures) et d'une année (jours ou mois). La course du soleil est calculée d'après la latitude de la zone d'étude et la configuration temporelle qui définit les secteurs du raster de positionnement solaire. Pour chaque secteur du raster de positionnement solaire, une valeur d'identification unique est entrée, ainsi que l'angle zénithal et azimutal de son centroïde. Le rayonnement solaire émanant de chacun des secteurs est mesuré séparément, et le champ de vision est superposé sur le raster de positionnement solaire, pour les besoins du calcul du rayonnement direct.
La figure suivante représente un raster de positionnement solaire pour la latitude 45 ' Nord, sur une période allant du solstice d'hiver (21 décembre) au solstice d'été (21 juin). Chacun des secteurs solaires (cadre coloré) représente la position du soleil à des intervalles de 30 minutes au cours d'une journée et à des intervalles d'un mois au cours d'une année. Il est important de noter que l'image fait partie de la même projection hémisphérique que les champs de vision dirigés vers le haut. La position du soleil est représentée au fur et à mesure de sa course dans le ciel, sur une journée et une année.
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Exemple de rayonnement direct |
Calcul du rayonnement solaire diffus
Le rayonnement diffus est émis par toutes les directions célestes suite à sa dispersion par des composants atmosphériques (nuages, particules, etc.). Pour calculer le rayonnement diffus à un emplacement particulier, un raster de positionnement céleste est créé pour représenter une vue hémisphérique de tout le ciel, divisée en une série de secteurs célestes définis par les angles zénithaux et azimutaux. Chacun des secteurs se voit attribuer une valeur d'identifiant unique, ainsi que l'angle zénithal et azimutal de son centroïde. Le rayonnement diffus est calculé pour chacun des secteurs célestes en fonction de sa direction (zénith et azimut).
La figure ci-dessous représente un raster de positionnement céleste avec des secteurs célestes définis par 8 divisions zénithales et 16 divisions azimutales. Chacune des couleurs représente un secteur distinct (ou une partie) du ciel qui émet un rayonnement diffus.
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Exemple de rayonnement diffus |
Superposition d'un champ de vision sur un raster de positionnement solaire et un raster de positionnement céleste
Lors du calcul de l'insolation, le raster de champ de vision est superposé sur les rasters de positionnement solaire et de positionnement céleste pour pouvoir calculer le rayonnement direct et diffus émis par chacune des directions célestes. La proportion de la zone de ciel visible dans chacun des secteurs est calculée en divisant le nombre de cellules non obstruées par le nombre total de cellules dans chacun des secteurs. Les secteurs célestes partiellement obstrués sont tolérés.
La figure suivante illustre la superposition d'un champ de vision sur un raster de positionnement solaire et un raster de positionnement céleste. Les directions célestes obstruées sont représentées en gris. Le rayonnement solaire est calculé en additionnant l'insolation directe et diffuse émise par les directions célestes non obstruées.
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Pour en savoir plus sur les équations employées dans les calculs du rayonnement solaire