Retour à la page de recherche sur la PL
Projet ILLUMINA
Modélisation hétérogène de la luminance du ciel causée par la pollution lumineuse
Martin Aubé, Ph.D. (2007)
La pollution lumineuse est responsable d'une portion de la luminance du ciel. Cette luminance survient lorsque la lumière d'origine artificielle est retournée vers la Terre par les constituants atmosphériques (molécules et aérosols). Ce phénomène est intimement lié à une utilisation inadéquate et excessive de la lumière artificielle. En plus de limiter l'accès au ciel étoilé, la pollution lumineuse agit négativement sur la faune et la flore, sur la santé humaine et elle contribue aussi à la croissance des besoins énergétiques et donc à la production de gaz à effet de serre.
Le GRAPHYCS est l'un des rares groupes à avoir développé un détecteur hyper-spectral dédié à la mesure de la luminance artificielle du ciel. De plus, le GRAPHYCS a mis au point un modèle numérique de seconde génération qui permet de simuler avec précision la luminance artificielle du ciel sous une variété de conditions. Le caractère unique de ce modèle réside dans le fait qu'il permet de tenir compte de l'hétérogénéité de l'environnement en plus de pouvoir simuler le comportement spectral du phénomène. La présente page est consacrée à la description de ce modèle nommé ILLUMINA.
L'objectif terminal du projet ILLUMINA est de mettre au point une nouvelle méthodologie pour permettre la détection des aérosols la nuit en s'appuyant sur le fait que les aérosols sont en partie responsables (avec les molécules de l'atmosphère) de la luminance artificielle du ciel. Toutefois, à plus court terme, nous consacrons l'essentiel des ressources de recherche à d'étudier le phénomène de la pollution lumineuse.
L'objectif de cette page n'étant pas de traiter en détail de la problématique entourant la pollution lumineuse, le lecteur est invité à consulter le site www.darksky.org en complément d'information.
Nous avons choisi d'emprunter une piste de recherche basée sur le développement et l'utilisation de la modélisation numérique. Nous cherchons à mettre au point un modèle permettant de prédire le niveau de pollution lumineuse en fonction d'une connaissance de la répartition et des propriétés physiques des sources lumineuse, de la connaissance de la réflectance du sol, du relief et du contenu atmosphérique en aérosols et molécules, en simulant les propriétés radiatives de l'atmosphère ainsi que le signal qui serait détecté par un instrument.
Ce modèle, qui est en cours de validation, peut être utilisé pour simuler de façon indépendante la fraction de la pollution lumineuse due aux molécules et aux aérosols atmosphériques. En ajustant le contenu en aérosols de façon itérative nous cherchons à minimiser la différence entre la modélisation et une mesure de la pollution lumineuse. Cette méthodologie est représenté sur la figure ci-dessous. Cette méthode d'inversion repose sur un certain nombre d'hypothèses simplificatrices concernant la population d'aérosols et sur l'hypothèse d'une isotropie spatiale des aérosols à une échelle comparable à la taille du domaine de modélisation (typiquement de l'ordre de 100 km). En d'autres termes nous supposons qu'au moment d'une observation, la population et le profil vertical des aérosols est horizontalement uniforme sur toute la région touchée par le jeu d'observations.
Un aspect amusant ce cette nouvelle approche réside dans le fait que nous tirons partie de la présence d'une pollution (lumineuse) pour en détecter une autre (aérosols).
Caractéristiques du modèle radiatif 3D ILLUMINA
- Les équations de base du modèle (en pdf (860k)).
- Calcul 3D de la simple et double diffusion avec ou sans réflexion sur le sol.
Télécharger l'animation
- Modèle à échelle variable.
Dans un premier temps la seule contrainte est qu'une cellule horizontale contienne plusieurs sources étant donné que nous considérons une isotropie horizontale de l'émission.
- Prise en compte de l'hétérogénéité de la réflectance du sol.
Pour l'instant seules les surfaces lambertiennes sont simulées par contre la réflectance peut varier d'une cellule à l'autre.
- Prise en compte de la luminosité totale des luminaires pour chaque élément horizontal.
- Calcul des ombrages.
- Correction pour les obstacles sous-maille (arbres, bâtiments).
- Intégration de la fonction angulaire d'émission des sources.
Pour l'instant nous supposons anisotropie verticale uniquement. Il faut donc moyenner la fonction sur toutes les directions azimutales. Un script nommé ies2fctem.bash permet de passer d'un fichier en format IES en un fichier moyenné horizontalement tel que le nécessite ILLUMINA. L'usager peut indiquer un angle d'inclinaison du luminaire avant moyennage.
- Maximum de 9 sortes de sources qui peuvent différer par fonction angulaire d'émission (light pattern)
- Intégration du relief
- Dimension maximale de la matrice: 50 x 1024 x 1024.
Le 50e niveau vertical se termine à ~ 30km d'altitude ce qui permet de considérer à peu près 99% de l'atmosphère.
- Échelle verticale logarithmique.
Épaisseur du permier niveau=0.5 m, épaisseur du dernier niveau=5 km. * Résolution horizontale typique de l'ordre de 100 à 1000 m.
- Simulateur de spectromètre intégré au modèle.
Les intrants du modèle
- Résolution spatiale horizontale
- Répartition géographique de la luminosité spectrale des dispositifs d'éclairage.
Jusqu'à 9 fonctions angulaires d'émission (light pattern) différentes peuvent être simulées en même temps.Méthodes pour obtenir cette information.
- Répartition géographique de la hauteur des fûts par genre de luminaire.
- Réflectance du sol
- Modèle numérique de terrain
- Fonction angulaire d'émission (fichier photométrique) de chaque sorte de luminaire.
- Propriétés optiques des aérosols (sections efficaces, fonction de phase, épaisseur optique d'atténuation)
- Hauteur des obstacles sous-maille et libre parcours moyen entre deux obstacles.
- Caractéristiques optiques du spectromètre * Portée maximale de la double diffusion
- Altitude minimale du domaine de modélisation et pression atmosphérique à cette altitude.
