Disponible avec une licence Spatial Analyst.
Le rayonnement solaire, également appelé insolation solaire, est un concept fondamental dans les domaines de l’énergie solaire et de la météorologie. Il s’agit du rayonnement électromagnétique émis par le soleil, qui englobe un large spectre de longueurs d’onde comprenant l’ultraviolet, le visible et la lumière infrarouge. En quantifiant et en analysant les données relatives au rayonnement solaire, vous pouvez optimiser la conception et les performances des systèmes d’énergie solaire, optimiser la sélection des semences agricoles et l’irrigation, prévoir la fonte des neiges et le ruissellement, comprendre les risques d’incendie et identifier les localisations optimales pour des plantes, des animaux ou des aménagements spécifiques.
Le rayonnement solaire entrant provient du soleil, traverse l’atmosphère et est reçu à la surface de la Terre sous 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 rebondit sur une surface vers une autre direction. La somme des rayonnements direct, diffus et réfléchi est appelé rayonnement solaire total ou global. 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 Rayonnement solaire du raster et Rayonnement solaire des entités suivent la logique générale d’analyse de chaque localisation (cellule) ci-après :
- Calculez la carte du ciel pour le rayonnement diffus.
- Calculez la carte d’ensoleillement pour le rayonnement direct.
- Calculez le champ de vision hémisphérique pour représenter le ciel visible.
- Superposez le champ de vision à la carte du ciel et à la carte d’ensoleillement afin de déterminer la portion de ciel visible pour calculer les rayonnements diffus, direct et total.
- Répétez la procédure pour chaque localisation afin de générer une carte raster d’insolation ou des données d’entités.
Pour plus d’informations sur le calcul de la carte du ciel, de la carte d’ensoleillement et du champ de vision, reportez-vous à la rubrique Modélisation du rayonnement solaire.
En savoir plus sur le fonctionnement de l’outil Rayonnement solaire des entités
En savoir plus sur le fonctionnement de l’outil Rayonnement solaire du raster
Calcul de la carte d’ensoleillement
Lors de l’utilisation des outils Rayonnement solaire du raster et Rayonnement solaire des entités, de nombreuses cartes d’ensoleillement sont créées au cours de l’analyse. Cela permet de modéliser des zones d’analyse plus vastes en modélisant plus exactement la position du Soleil dans le paysage, car les angles du Soleil varient en fonction de la latitude et de la longitude.
Le rayonnement solaire direct émanant des directions célestes est calculé à l’aide d’une carte d’ensoleillement dans la même projection hémisphérique que celle du champ de vision. Une carte d’ensoleillement est une représentation raster qui affiche la position apparente du Soleil 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 dans le temps.
La carte d’ensoleillement est constituée de secteurs discrets définis par la position du Soleil chaque jour à des intervalles de 0,5 heure pour la Terre et de 2 heures UTC (Coordinated Universal Time, temps universel coordonné) pour la Lune. L’intervalle est plus important pour la Lune, car une journée lunaire est bien plus longue qu’une journée sur la Terre. Chaque secteur de la carte d’ensoleillement se voit attribuer un identifiant unique, ainsi que l’angle zénithal et l’angle azimutal (élévation) en son centroïde. La carte d’ensoleillement est calculée chaque jour et la quantité de rayonnement solaire provenant de chaque secteur est calculée séparément. Les cartes d’ensoleillement sont ensuite superposées au champ de vision pour le calcul du rayonnement direct de chaque secteur.
La carte d’ensoleillement change avec la localisation en fonction de la longitude, de la latitude et de l’altitude. Idéalement, une carte d’ensoleillement est calculée pour chaque pixel de la surface en entrée. Toutefois, pour des raisons d’efficacité, une carte d’ensoleillement est appliquée à un groupe de pixels adjacents de la surface en entrée. Les cartes d’ensoleillement sont calculées sous la forme d’un maillage de tuiles hexagonales à l’aide du système d’indexation géospatial H3.
Pour en savoir plus sur la grille globale discrète H3, consultez le site https://h3geo.org/.
La taille relative des zones de la carte d’ensoleillement est contrôlée par le paramètre Sun Map Grid Level (Niveau de grille de la carte d’ensoleillement). Ce paramètre contrôle la vitesse et l’exactitude du calcul. Il ajuste la résolution des cellules de grilles hexagonales qui servent pour les calculs internes. L’image ci-dessous montre comment les cartes d’ensoleillement sont appliquées dans le cas de niveaux de grille compris entre 5 et 7 pour la même surface de la Terre. Toutes les cellules du raster de surface en entrée qui se trouvent dans chacune des grilles hexagonales se voient appliquer les mêmes valeurs de carte d’ensoleillement.
Un niveau de grille plus petit crée un nombre inférieur de zones de carte d’ensoleillement plus grandes et diminue le temps d’exécution de l’outil. Un niveau de grille plus élevé crée un nombre bien supérieur de cartes d’ensoleillement plus petites et améliore l’exactitude du résultat. Une carte d’ensoleillement plus vaste généralise les valeurs de la position du Soleil sur la totalité de la zone de la grille de la carte d’ensoleillement. Cela signifie que les mêmes valeurs des angles du Soleil et d’élévation sont identiques aux extrêmes. À l’inverse, pour analyser la position du Soleil avec plus d’exactitude dans le paysage, utilisez les niveaux de grille les plus élevés.
La table suivante montre la surface moyenne des cellules de grille hexagonales pour chaque niveau de la carte d’ensoleillement, en kilomètres carrés :
| Niveau | Terre | Lune |
|---|---|---|
4 | Sans objet | 131,6 |
5 | 252,9 (par défaut > 4 m) | 18,8 |
6 | 36,1 (par défaut < 4 m) | 2,69 (par défaut) |
7 | 5,16 | Sans objet |
Calculer le rayonnement solaire pour la Terre et la Lune
Le rayonnement solaire entrant émis par le Soleil est la principale source d’énergie qui alimente de nombreux processus physiques et biologiques de la Terre. En comprenant son importance aux échelles du paysage, vous serez à même de mieux appréhender un grand nombre de processus naturels terrestres et d’activités humaines.
L’analyse du rayonnement solaire est calculée de la même manière pour la Lune et la Terre. Il existe cependant des différences physiques et temporelles dont vous devez tenir compte. Par exemple, la longueur d’une journée lunaire est environ égale à 29,5 journées sur la Terre. Aucune atmosphère n’est présente sur la Lune, donc le rayonnement de diffusion n’est pas calculé. Le rayonnement total est par conséquent égal au rayonnement solaire direct. Dans le cas des calculs sur la Lune, l’heure est définie en temps universel coordonné (UTC, Coordinated Universal Time), car les fuseaux horaires utilisés sur Terre n’ont aucun sens sur la Lune. Pour les calculs d’intervalle, la durée minimale est de 0,5 heure pour la Terre et de 2 heures pour la Lune.
Analyse sur la Lune
Pour la planétologie et les organisations telles que le JPL de la NASA, il est essentiel de pouvoir analyser le rayonnement solaire sur la Lune. Voici quelques exemples d’applications :
- étude de la géologie de la surface lunaire et analyses thermiques,
- recherche de gisements de glace potentiels dans des zones peu ou pas éclairées, appelées cratères d’obscurité éternelle,
- donnée en entrée pour la navigation et la planification d’itinéraires pour les véhicules autonomes fonctionnant à l’énergie solaire,
- analyse des meilleurs sites pour d’éventuelles installations lunaires alimentées par l’énergie solaire.
Pour commencer, vous pouvez trouver des données lunaires sur Moon Trek, une application alimentée par le JPL de la NASA qui permet de visualiser et de télécharger de nombreux produits différents de données lunaires.
Pour en savoir plus sur Moon Trek, visitez le site Web de la NASA à l’adresse https://trek.nasa.gov/moon.
Utiliser un GPU
Les outils Rayonnement solaire du raster et Rayonnement solaire des entités peuvent offrir des performances accrues si un matériel GPU spécifique est installé sur le système. Dans le cas contraire, l’analyse est effectuée entièrement sur l’unité centrale. L’exécution des outils avec un GPU compatible est nettement plus rapide qu’avec l’UC. Dans le cas d’un traitement sur l’UC, ces outils exploitent tous les cœurs de traitement disponibles pour aboutir à des gains de performance supplémentaires. Utilisez le paramètre Target Device for Analysis (Périphérique cible pour analyse) pour indiquer si l’outil doit être exécuté sur le GPU ou l’UC.
Consultez la rubrique Traitement GPU avec Spatial Analyst pour plus d’informations sur les GPU compatibles, sur la configuration et l’utilisation des périphériques GPU et pour obtenir des conseils de dépannage.
Intégration avec l’API SPICE
Les outils du rayonnement solaire utilisent le logiciel SPICE de la NASA pour déterminer les positions relatives dans l’espace et dans le temps du Soleil, de la Terre et de la Lune. Les jeux de données principaux de SPICE sont appelés noyaux. Les données des noyaux sont composées d’informations auxiliaires et d’autres informations auxiliaires qui fournissent une géométrie d’observation précise pour les corps célestes. Ces données sont incluses dans l’installation d’ArcGIS Pro. Esri met à jour les noyaux avec la version la plus récente disponible au moment de la date de sortie. L’utilisateur ne peut pas mettre à jour ou ajouter des fichiers de noyau supplémentaires.
SPICE ne permet pas de calculer directement l’insolation solaire.
Pour en savoir plus sur SPICE, consultez la page Navigation and Ancillary Information Facility sur le site Web du JPL de la NASA à l’adresse https://naif.jpl.nasa.gov/naif/.
Ressources supplémentaires
Acton, Charles A. 1996. "Ancillary data services of NASA's Navigation and Ancillary Information Facility." Planetary and Space Science Volume 44, Issue 1, Janvier 1996, pp. 65–70. https://doi.org/10.1016/0032-0633(95)00107-7
Acton, Charles, Nathaniel Bachman, Boris Semenov et Edward Wright. 2018. "A look towards the future in the handling of space science mission geometry." Planetary and Space Science Volume 150, Janvier 2018, pp. 9–12. https://doi.org/10.1016/j.pss.2017.02.013
Brodsky, Isaac. 2018. "Uber’s Hexagonal Hierarchical Spatial Index H3." Engineering (blog), 27 juin 2018. https://www.uber.com/blog/h3/
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