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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 entités topographiques et de surface, puis est intercepté à la surface de la Terre sous la forme de composants direct, diffus et réfléchi. 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 depuis les entités de surface. La somme des rayonnements direct, diffus et réfléchi est appelé rayonnement solaire total ou global.
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 localisations proches de surfaces très réfléchissantes, comme la couverture neigeuse. Les outils de rayonnement solaire ne tiennent pas compte du rayonnement réfléchi dans le calcul du rayonnement total. Le rayonnement total est donc calculé comme étant la somme du rayonnement direct et du rayonnement diffus.
Les outils de rayonnement solaire peuvent effectuer des calculs concernant des localisations ponctuelles ou des zones géographiques entières. Ces calculs comportent quatre étapes :
- Le calcul d’un champ de vision hémisphérique du ciel basé sur la topographie.
- La superposition du champ de vision sur une carte d’ensoleillement direct pour estimer le rayonnement direct.
- La superposition du champ de vision à une carte du ciel diffus pour estimer le rayonnement diffus.
- Le renouvellement du processus pour chaque localisation d’intérêt jusqu’à obtention d’une carte d’insolation.
Champ de vision hémisphérique
Étant donné que le rayonnement peut être grandement impacté par les entités topographiques et de surface, il est essentiel, pour l’algorithme de calcul, de générer un champ de vision hémisphérique du ciel pour chaque localisation du modèle numérique d’élévation (MNE). 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 une localisation donnée. Par exemple, un capteur situé dans un champ ouvert présente une insolation plus élevée qu’un capteur placé dans un canyon profond.
L’image suivante est une photographie hémisphérique du ciel qui représente la partie de ciel visible, ainsi que les directions célestes obstruées par les entités topographiques et de surface environnantes. Cette vue correspond à ce que vous verriez du sol si vous regardiez vers le haut, dans toutes les directions.
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 observé à partir d’une localisation particulière. Pour calculer un champ de vision, il faut effectuer une recherche dans un nombre déterminé de directions autour d’une localisation d’intérêt et déterminer l’angle maximal d’obstruction du ciel, ou angle d’horizon. Pour toutes autres directions non recherchées, les angles d’horizon sont interpolés. Les angles d’horizon sont ensuite convertis en un système de coordonnées hémisphériques qui représente un hémisphère tridimensionnel des directions sous la forme d’une image raster bidimensionnelle. Chaque cellule raster du champ de vision se voit attribuée une valeur qui indique si la direction céleste est visible ou obstruée. Les localisations de cellule en sortie (ligne et colonne) correspondent à l’angle zénithal θ (angle relatif à la verticale vers le haut) et à l’angle azimutal α (angle relatif au nord) sur l’hémisphère des directions.
La figure ci-dessous décrit le calcul d’un champ de vision pour une cellule d’un MNE. Les angles d’horizon sont calculés le long d’un nombre spécifié de directions et permettent de créer une représentation hémisphérique du ciel. Le champ de vision obtenu indique si les directions célestes sont visibles (en blanc) ou obstruées (en gris). Le champ de vision est superposé sur une photographie hémisphérique pour illustrer la théorie.
Les champs de vision sont utilisés conjointement avec les informations sur la position du soleil et les directions célestes (représentées respectivement par une carte d’ensoleillement et une carte du ciel) pour le calcul du rayonnement direct, du rayonnement diffus et du rayonnement total (direct + diffus) à chaque localisation et la génération d’une carte d’insolation précise.
Calul de la carte d’ensoleillement
Le rayonnement solaire direct émanant de chacune des directions célestes est calculé à l’aide d’une carte d’ensoleillement dans la même projection hémisphérique que le champ de vision. Une carte d’ensoleillement 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. La carte d’ensoleillement est constituée de secteurs discrets définis par la position du soleil à des intervalles particuliers au cours d’une journée (heures) et d’une année (jours ou mois). La trajectoire du soleil est calculée d’après la latitude de la zone d’étude et la configuration temporelle qui définit les secteurs de la carte d’ensoleillement. Pour chaque secteur de la carte d’ensoleillement, une valeur d’identification unique est spécifiée, ainsi que l’angle zénithal et l’angle azimutal de son centroïde. Le rayonnement solaire émanant de chacun des secteurs est calculé séparément et le champ de vision est superposé à la carte d’ensoleillement pour les besoins du calcul du rayonnement direct.
La figure suivante représente une carte d’ensoleillement 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 ciel. La position du soleil est représentée au fur et à mesure de sa course dans le ciel, sur une journée et une année.
Calcul de la carte du ciel
Le rayonnement diffus est émis depuis toutes les directions célestes suite à sa dispersion par les composants atmosphériques (nuages, particules, etc.). Lors du calcul du rayonnement diffus à une localisation particulière, une carte du ciel est créée pour représenter une vue hémisphérique de tout le ciel, divisée en une série de secteurs célestes définis par l’angle zénithal et l’angle azimutal. Chacun des secteurs se voit attribuer une valeur d’identifiant unique, ainsi que l’angle zénithal et l’angle 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 une carte du ciel 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.
Superposition d’un champ de vision à une carte d’ensoleillement et une carte du ciel
Lors du calcul de l’insolation, le raster de champ de vision est superposé aux rasters de la carte d’ensoleillement et de la carte du ciel pour calculer le rayonnement direct et le rayonnement diffus émis par chacune des directions célestes. Le calcul de la proportion de la zone de ciel visible dans chacun des secteurs s’effectue 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 à une carte d’ensoleillement et une carte du ciel. Les directions célestes obstruées sont représentées en gris. Le rayonnement solaire se calcule en additionnant l’insolation directe et diffuse émise par les directions célestes non obstruées.
En savoir plus sur les équations utilisées lors du calcul du rayonnement solaire
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