chapitre 2 Flashcards
rayonnement et sol
48% de l’énergie solaire nette est absorbée par le sol
dans ça, énergie sol du sol par:
- 25% évaporation
- 5% convection
- 17% rayonnement thermique net
importance rayonnement pour les plantes
- effets thermiques
-> rayonnement = principal moyen d’échange d’énergie entre plantes et environnement aérien
-> rayonnement solaire = principal apport externe d’énergie
-> majeure partie de l’énergie est convertie en chaleur = responsable de processus comme transpiration - photosynthèse
-> fixation du carbone = source primaire d’énergie dans la biosphère - photomorphogénèse
-> régulation de la croissance et du développement = floraison, germination - mutagénèse
-> rayonnement de courtes longueur d’ondes (ultraviolet, rayons X…) = très énergétique = dommages possibles sur les cellules
-> problèmes si trop de lumière
longueurs d’ondes
rayonnement solaire = courtes
-> entre 0,15 à 3 micromètres
rayonnement thermique = longues
-> entre 3 et 100 micromètres
bandes des UV
UVA = 315 à 400 nm
UVB = 280 à 315 nm (bronzer)
UVC = moins de 280 nm (danger)
bandes IR
proche IR = 0,7 à 1,3 micrométres
IR moyen = 1,3 à 2,5
IR thermique = 2,5 à 100
*rayonnement solaire = proche IR + IR moyen
PAR
rayonnement photosynthétiquemlnt actif
400 à 700 nm
théorie des quanta
- énergie (E) d’un photon est reliée à sa longueur d’onde
- plus la longueur d’onde est courte = plus l’énergie est élevée
- l’énergie est exprimée pour 1 mole de photons
- nombre d’Avogadro = 6,022 x 10^23 photons dans une mole
E = h c / longueur d’onde
h = constante de Planck (6,63 x 10^-34 Js)
c - vitesse lumière (3 x 10^8 m/s)
*photon rouge = 0,64 à 0,74 micromètres
* photon bleu = 0,425 à 0,490 micromètres
direction du flux énergétique
Hémisphérique = vient de toutes les directions (ex: ciel)
Directionnel (ex: lampe)
flux énergétique (Qe)
quantité d’énergie radiative émise, transportée ou reçue par unité de temps (J/s ou Watt)
densité de flux énergétique (Φe)
flux énergétique par unité de surface (W/m2)
- densité de flux de photons (DFP)
Éclairement énergétique (Ee)
densité de flux incidente sur une surface donnée (W/m2)
Exitance énergétique (Me)
densité de flux émise par une surface (W/m2)
Intensité énergétique et luminance énergétique
si la source est ponctuelle et dans une direction données :
Ie = flux émis par unité d’angle solide (W/sr)
Le = densité de flux émis par unité d’angle solide (W/m2 sr)
*Intensité ne varie par avec r
*densité de flux diminue proportionnellement avec le carré de la distance à partir de la source (r) -> F/Δ A = I/r2
lois des corps noirs
corps noir = radiateur parfait
-> transforme l’énergie thermique en énergie radiative au taux maximum
-> absorbe et convertit toute l’énergie radiative reçue en chaleur
-> longueur d’onde correspondant à la valeur maximale de l’existence spectrale (λBmax) = loi de Wien
λBmax = 2897 (μm K) /T * T est en Kelvin *plus un objet est chaud = plus λBmax est petite
distribution énergétique spectrale du rayonnement émis par le soleil
0-300 nm = 1,2% É
300-400 (UV) = 7,8% É
400-700 (PAR, visible) = 39,8% É
700-1500 (proche IR) = 38,8% É
1500 à l’infini = 12,4% É
3 actions du rayonnement
absorbé (α)
émis (réfléchi) (ρ)
transmis (τ)
- varient avec la λ
α + τ + ρ = 1
-> Pour bande spectrale 0,3-3 micromètres :
coefficient d’absorption (αs)
coefficient de transmission (τs)
coefficient de réflexion (ρs).
réflectance (ρ) ou réflectivité
fraction du rayonnement incident (pour une longueur d’onde donnée) qui est réfléchi
facteurs qui font varier la réflectance
- longueur d’onde
- âge
- statu nutritif
- teneur en eau
faible teneur en eau = augmente réflectance
Absorbance (α)
fraction du rayonnement incident (pour une λ donnée) qui est absorbé par un corps
α = 1 – (τ + ρ)
*lumière vert = 100% réfléchie par les plantes
Transmittance (τ)
fraction du rayonnement incident (pour une λ donnée) traversant un corps
fenêtre atmosphérique
PAR = AUCUNE absorption de l’atmosphère et d’autres gaz… peu importe la λ
Albédo
coefficient de réflexion du rayonnement solaire d’une surface naturelle
Émissivité (ou émittance) (ε)
rapport du flux d’énergie émis par un objet sur le flux émis par un corps noir qui a la même T
absorbance selon couleur
- bleue, verte et rouge = absorbées par les premières couches de feuilles
- rouge lointain = à la base du couvert végétal
réflectance des sols dépend de :
- teneur en eau
-> rayonnement est absorbé par réflexion
interne
-> ménisques d’eau dans les pores du sol = ρ plus faible que dans un sol sec (réflextion interne de l’É solaire plus grande) - contenu en m.o
-> ρs ~10 % pour un sol avec beaucoup de mat. org.
-> ρs ~30 % pour un sable (désert) - tailles des particules
-> grosses particules irrégulières = réflexions multiples entre les particules = absorbent plus
-> poudres fines = surface uniforme (miroir) = réfléchissent davantage - angle d’incidence du soleil
photons bleus VS photons rouges
- besoin de moins de photons bleus pour transporter beaucoup d’É comparé au nombre de photons rouges
rayonnement solaire et DFPP
ÉQUATION:
densité de flux énergétique moyen d’une bande spectrale (W/m2) = É d’un photon de λ médiane de la bande (J/mol) X Densité de flux de photons (mol/m2 s)
- dans PAR: λ médiane = 550 nm
-> É photon dans PAR = 217 000 J/mol
*densité de flux énergétique = quantité totale d’énergie qui peut être transportée/convertie
conversion du PAR ou rayonnement solaire en DFPP
PAR:
1 W/m2 = 4,6 μmol photons/m2 s (DFPP)
RAYONNEMENT SOLAIRE:
1 W/m2 = 2,3 μmol photons/m2 s (DFPP)
50% du rayonnement solaire est dans le PAR
revêtement des serres/tunnels
VERRE RÉGULIER
- excellente transmission de la lumière
- absorbe les UVB mais bloque juste 50% des UVA
PELLICULE DE POLYÉTHYLÈNE
- double couche
- diminue les pertes d’énergie de 35 à 40%
- diminue condensation
- réduit la lumière de 8 à 10%
Rayonnement diffus et direct
Rayonnement global = direct (Sb) + diffus (Sd)
diffusion de la lumière naturelle
DIFFUSION DE RAYLEIGH
- diffusion moléculaire
- due à la taille des molécules gazeuses
- coefficient de diffusion est inversement relié à la 4e puissance de la longueur d’onde (1/λ4)
- ciel est enrichi en bleu et UV, mais appauvri en rouge et IR
DIFFUSION DE MIE
- reliée aux grosses particules
- phénomène complexe
- indice de réfraction et coefficient d’absorption des particules
Zénith
point dans la sphère directement au-dessus de l’observateur
2 SYSTÈMES DE RÉFÉRENCE:
- Élévation du soleil (β) = degrés au-dessus de l’horizon
- Angle solaire zénithal (Z) = degrés entre les rayons du soleil et le zénith (réciproque de β)
Loi de Lambert
- plus l’angle entre le faisceau et la surface est aigu (plus Z est grand et β est petit) = plus le faisceau est dispersé sur une grande superficie = densité de flux diminue
S = Sp (aire faisceau / aire surface)
S = Sp cos Z
*S est la densité de flux à la surface
*Sp est la densité de flux perpendiculaire au faisceau
Sp
Sp = rayonnement direct sur une surface perpendiculaire au faisceau
dépend du:
- flux extraterrestre
- τ atmosphère
- la distance parcourue dans l’atmosphère (masse optique)
Sb
rayonnement direct sur une surface horizontale
Sb = Sp cos Z
ou
Sb = Sp sin β
Sd
rayonnement diffus sur un plan horizontal
St
rayonnement total (global) sur une surface horizontale
St = Sb + Sd
Sr
rayonnement réfléchi à partir d’une surface
Sr = ρs St
*coefficient de réflexion (courtes λ) d’une
surface = albédo
valeurs typiques du rayonnement direct et diffus
CIEL TRÈS PUR : Sd = 15% de St
CIEL CLAIR : St au sol = environ 900 W/m2
CIEL AVEC PASSAGES NUAGEUX : St = environ 800 W/m2
CIEL COMPLÈTEMENT COUVERT : St = Sd
instruments de mesure du rayonnement
CAPTEURS THERMIQUES
- absorbent les radiations
- énergie thermique mesurée par une thermopile et convertie en signal électrique
- différence de T avec l’ambiant est proportionnelle au rayonnement global
- Pyranomètre
-> rayonnement solaire provenant d’un hémisphère = global, réfléchi par sol, diffus - Pyrhéliomètre
-> rayonnement solaire direct sous une incidence normale
-> capteur suit la trajectoire solaire
CAPTEURS QUANTIQUES
- à partir des quanta d’énergie radiative absorbés = libèrent des électrons = courant électrique
- faible coût, très grande sensibilité et vitesse de réponse
- varie en fonction de la λ du rayonnement incident = bande spectrale spécifique
- Pyranomètre
-> intègre l’énergie totale du spectre solaire en entier - Quantummètre
-> intègre l’énergie entre 0,4 et 0,7 μm
-> grâce à des filtres
2 composantes du bilan énergétique
rayonnement terrestre et atmosphérique
bilan radiatif
R net = rayonnement incident - rayonnement ascendant
*rayonnement ascendant = R réfléchis + R émis par surface
Émissivité
CORPS NOIR
α = 1, ρ = 0 et τ = 0
- est un radiateur et absorbeur parfait -> ε = 1 donc ε = α
*si on ne connait pas l’absorbante ou l’émissivité d’un object, on peut utiliser la Loi de Kirchoff puisque, pour une surface en équilibre thermique : αλ = ελ
**si un objet à une T donnée émet un flux radiatif de 90 W/m2 et qu’un corps noir sous les mêmes conditions émet 100 W/m2 -> son ε = 0,9
- tout objet dont la T > 0K = émet du rayonnement
- distribution et quantité totale de ce rayonnement émis sont dépendantes de la T
loi de Stefan-Boltzmann
É totale émise par unité de surface et de temps
B = ε σ T4
ε est l’émissivité (on suppose que ε = 1)
T est la température en K
σ est la constante de Stefan-Boltzmann (5,67 x 10–8 W m–2 K–4)
- Si T est grande -> B est plus petit
rayonnement terrestre et atmosphérique
- rayonnement thermique émis par la surface de la terre est absorbé par les gaz atmosphériques
- gaz -> spectre d’émission = spectre d’absorption (Kirchoff)
- fenêtre atmosphérique (8 à 13 μm) = coïncide avec l’existence maximale de la Terre = rayonnement perdu vers l’espace….
- gel au sol lors de nuits sans nuage
pourquoi le bilan du rayonnement de grandes λ au sol est souvent négatif?
- T°terrestre > T°atmosphère
- atmosphère rayonne vers la terre et vers l’Espace
- fenêtre atmosphérique (ciel sans nuage)
valeurs typiques du rayonnement atmosphérique moyen
ciel clair et air sec = 170 W/m2
ciel clair et air humide = 310 W/m2
ciel couvert = 380 W/m2
formules empiriques pour calculer l’émissivité du ciel
CIEL CLAIR
εciel = 1,72 (ea / Tair)1/ 7
où Tair (K); ea (kPa); mesures à ~2 m.
εciel = 9,2 x 10–6 (Tair)2 -> si on connaît juste Tair
*ciel clair -> ε beaucoup plus faible
* εciel = 0,74 à 10°C
CIEL NUAGEUX
εciel (n) = (1 – 0,84n) εciel + 0,84n
où n est la fraction du ciel couvert par les nuages
bilan radiatif
- Rayonnement net (Rn) = la différence entre le rayonnement
incident et le rayonnement émis c (W/m2) - bilan = gains - pertes
- Rn = (St + Ld) – (ρs St + εσT4)
- doit aussi tenir compte des autres sources d’énergie radiative
-> rayonnement solaire réfléchi par sol, autres feuilles, tiges
-> rayonnement de grandes λ émis par les autres surfaces
GAINS
- rayonnement solaire (St)
- rayonnement de longues λ provenant du ciel (Ld)
PERTES
- rayonnement réfléchi (ρs St)
- rayonnement de longues λ émis par la surface (Lu = εσT4)
COURTES λ
- gain ray solaire St
- perte ray réfléchi ρs St
GRANDES λ
- gain ray thermique ciel Ld
- perte ray émis surface Lu
VOIR EXEMPLE BILAN RADIATIF DU GAZON
!!!
Facteur de forme et flux intercepté
f = Ah/Ao
- Ah = aire de l’ombre de l’object au sol
- Ao = aire de l’ombre de l’object sur une surface normale au faisceau
Flux intercepté par une object :
So = (Ah / Ao ) * Sh
- So = rayonnement solaire direct moyen reçu à la surface d’un objet
- Sh = densité de flux au sol
Rayonnement absorbé par l’objet :
Rabs = αs(fb Sb + fd Sd + fr ρSt) + αL(fcielLciel + fsol Lsol)
Modélisation agricole
optimisation des régies de culture, de l’Efficacité d’utilisation de l’Eau, de la productivité des systèmes irrigués, de la lutte contre les changement climatiques et autres sujets
