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PresentationRapport préliminaire GRAPHYCS A10.Page de titre
IntroductionÀ travers les âges, dans de nombreuses civilisations, les étoiles et les constellations ont joué un rôle décisif dans la survie et l’évolution de ces peuples notamment dans l'établissement des calendriers, dans l’orientation maritime et terrestre, dans le positionnement et dans l’évaluation du cycle des saisons. Les astres guident encore les hommes sur terre, au travers les déserts et sur la mer. La vision du ciel étoilé est la pierre angulaire d'une abondance de mythologies, engendrant éventuellement les nombreuses religions marquant inexorablement l’humanité. Le mystère planant sur la voûte céleste a marqué la culture humaine à travers la poésie, la peinture et la littérature. Or, avec les années, la qualité du ciel la nuit s’est détériorée en raison des activités humaines qui produisent des quantités énormes d’aérosols, ce qui contribue à l’augmentation de la brillance du ciel nocturne. Au cours des années passées, l’équipe du projet CERTEE a travaillé sur la mise au point d’un appareil permettant de mesurer la pollution lumineuse ainsi que sur un modèle informatique de la pollution lumineuse, nommé ILLUMINA. Ce modèle prend en compte l’hétérogénéité des villes, afin de mieux comprendre le phénomène de pollution lumineuse. Nous travailleront principalement sur la prise et l’interprétation de données concernant la pollution lumineuse dans diverses conditions. La prise de données concernant la pollution lumineuse pour une ville servira à mesurer l’épaisseur optique de l’atmosphère. Bien que l’épaisseur optique ne soit pas directement proportionnelle à la quantité d’aérosols dans l’atmosphère, la connaître nous aidera à mieux comprendre les effets des aérosols. Il existe plusieurs méthodes pour mesurer l’épaisseur optique de l’atmosphère. Certaines de ces méthodes utilisent la lumière du soleil, mais très peu peuvent fournir des mesures de nuit, lorsque la lumière du soleil n’est plus visible. Or, pour nos mesures, nous nous servirons de la pollution lumineuse comme source de lumière pendant la nuit. Il existe une relation entre la quantité de pollution lumineuse observable et l’épaisseur optique. Nous devrons donc prendre des mesures dans diverses conditions afin de pouvoir établir cette relation. La première étape est donc de préparer l’appareil SAND-3 pour la prise de données. Lorsque l’appareil sera en place, les mesures pourront commencer. La récolte de données constitue la deuxième étape du projet. Nous devrons ensuite interpréter ces données et les intercalibrer avec les mesures connues de l'épaisseur optique des aérosols. Les résultats obtenus nous serviront à tirer des conclusions sur les aérosols dans l’atmosphère. Les conclusions pourraient permettre de mieux comprendre les effets des aérosols, et les humains pourraient tenter d’adapter leurs activités afin d’améliorer la qualité de l’air. AérosolsDéfinitionLes aérosols sont de petites particules solides ou liquides en suspension dans l’atmosphère. Il est possible de distinguer deux différentes catégories, soit les aérosols d’origine naturelle ou anthropique. Les premiers, qui composent environ 90% de la quantité totale des aérosols (soit environ 3,3 gigatonnes) possèdent une composition chimique particulière en fonction de leur source d’émission. ( Y. Fouquart, Pourquoi tant d'incertitudes sur les prévisions climatiques ?, [En ligne] ) En effet, les aérosols provenant de la poussière minérale relevée du sol majoritairement par les vents (particulièrement en zones désertiques), mais aussi par des activités humaines telles que l’utilisation d’automobiles sur des routes de terre, sont essentiellement composés d’oxydes, tels que le SiO2, le Al2O3, le FeO, le Fe2O3 et le CaO, et de carbonates, tels que le CaCO3 et le MgCO3, qui constituent la croûte terrestre. Également, l’élévation des sels de mers, le second contribuant d’importance des aérosols atmosphériques, amène la création de particules constituées principalement de chlorure de sodium (NaCL), mais aussi de magnésium, de sulfate, de calcium et de potassium, soient les principaux éléments qui composent l’eau de mer en faisant abstraction de l’eau. Les aérosols générés par les activités humaines proviennent, quant à eux, surtout des combustibles fossiles. Ces derniers sont composés en majorité de dioxyde de soufre, soit du SO2, et de carbones organiques qui se combinent avec les molécules d’eau de l’atmosphère afin de former des gouttelettes possédant un diamètre de quelques dixièmes de micromètres. Également, les aérosols d’origine anthropique peuvent se retrouver sous la forme de carbone noir et de composés organiques volatiles (VOC), soit des particules formées de carbone et d'hydrogène, en raison d’une combustion incomplète des énergies fossiles. Il est important de noter que les activités humaines engendrent également une grande quantité de poussières minérales provenant notamment de l’agriculture avec le labourage et le moissonnage des terres, de même que de l’industrie avec le transport et la production de ciment. Il est également possible de distinguer les aérosols en fonction de certaines caractéristiques particulières, tel que la taille, qui varie grandement entre un écart allant de 0.002 µm à environ 100 µm de diamètre. Également, les particules en suspension dans l’atmosphère peuvent être différenciées en fonction de leur caractère hygrophile ou hygrophobe, c’est-à-dire en fonction de leur capacité à absorber ou non l’humidité de l’atmosphère. Cette particularité est d’autant plus importante que l’hygroscopie des particules entraine une augmentation de la taille et une diminution de l’indice de réfraction de ces dernières. En effet, lorsqu’une particule soluble, tel que le sel de mer, entre en contact avec les molécules d’eau, ces dernières s’agglomèrent sur l’aérosol, ce qui augmente nécessairement le diamètre de la particule créée et influence la façon dont la lumière va être diffusée par cette même particule. À cet égard, plus l’aérosol grossit, plus la déviation de la lumière est réduite en raison de la diffusion vers l’avant qui s’effectue dans ce cas. De plus, les grosses particules favorisent moins fortement la diffusion dans le bleu comparativement aux plus petites particules en raison du fait qu’elles ont comme caractéristique de diffuser de façon équivalente à toutes les longueurs d’ondes. Cette particularité permet notamment d’identifier la proportion de gros aérosols, majoritairement d’origine marine ou désertique, dans l’atmosphère. Sources des aérosolsLes particules en suspension dans l’atmosphère peuvent provenir soit de sources naturelles ou humaines. Or, il est également possible de subdiviser ces deux catégories en sources primaires, c’est-à-dire des aérosols directement émis sous la forme de particules, ou secondaires, soit des aérosols qui sont créés suite à la solidification s’effectuant principalement dans les nuages et la brume de certains gaz d’origine volcanique ou industrielle, tel que le SO2 ou le NOX. Ainsi, les principales sources naturelles primaires des aérosols sont la poussière minérale et le sel de mer soulevés par les vents, l’éruption de volcans et les feux de forêts générant tous les deux une immense quantité de cendres et de suie dans l’atmosphère et la végétation par l’entremise du pollen et des spores surtout relâchés au printemps. D’autre part, les activités humaines sont également à l’origine de la création d’une grande quantité d’aérosols (environ 30%), principalement en raison de la poussière générée par la circulation automobile et les industries, de même que par la combustion de carburants fossiles (tels que le pétrole, le charbon et le gaz naturels), qui constituait près de 80% de l’énergie consommée sur la planète en 2002 (Wikipédia, l'encyclopédie libre, Combustible fossile, [En ligne].). Donc, en analysant les principales sources naturelles et anthropiques des aérosols, il est possible de déduire que la quantité de particules en suspension dépend directement des régions (les zones désertiques ou fortement industrialisées seront davantage touchées), de l’époque de l’année (le printemps sera caractérisé par une plus grande quantité de pollen dans l’air) et d’évènements exceptionnels (éruptions de volcans, feux de forêt, ect.). Impacts des aérosolsOn indique sous le nom de forçage radiatif la capacité d’une substance à soit renvoyer l’énergie radiative du soleil vers la terre, ce qui amène un réchauffement atmosphérique et est désigné sous le terme de forçage radiatif positif, ou soit à empêcher le passage des rayons solaires, ce qui entraine un refroidissement et est désigné sous le terme de forçage radiatif négatif. Dans le cas des aérosols, les deux phénomènes sont réalisés dépendamment de sa composition chimique. Par exemple, les aérosols composés de sulfates et de carbones organiques sont dits diffusants et ont tendance à abaisser la température alors que ceux composés principalement de carbone, de suie ou de poussière sont dits absorbants et amènent par le fait même un réchauffement. Ce type de forçage constitue l’effet direct des aérosols. À l’inverse, il peut également être question d’effet indirect. Dans ce cas, l’impact du forçage des aérosols ne se fait pas sentir directement sur la température atmosphérique, mais plutôt sur les nuages. En effet, les aérosols sont des particules qui ont tendance à se combiner avec des molécules d’eau atmosphériques pour former de petites gouttelettes. Or, lorsque les aérosols sont présents en trop grande quantité, cela résulte en une accumulation de gouttelettes qui amène la création d’un nuage très réfléchissant. En raison de cette particularité, les nuages ont plus tendance à réfléchir le rayonnement solaire et causent ainsi un refroidissement climatique. De plus, les particules d’aérosols entourées de molécules d’eau sont trop petites afin de permettre la précipitation. Ainsi, la durée de vie des nuages est augmentée, ce qui est observable par un accroissement de la couverture nuageuse terrestre. Dépendamment de l’altitude de cette dernière, un refroidissement (altitude basse) ou un réchauffement (altitude élevée) du climat sera observé. Ces derniers impacts ne sont pas à prendre à la légère. En effet, étant donné que les aérosols ont majoritairement tendance à avoir un forçage radiatif négatif, et ainsi, à entrainer un refroidissement atmosphérique, ils contrebalancent l’impact des gaz à effet de serre, qui sont plutôt à l’origine d’une augmentation de la température. Ainsi, les particules en suspension dans l’atmosphère permettent d’atténuer le réchauffement planétaire à une proportion estimée à 50%. (Chimistes pour l'environnement, Aérosols atmosphériques et changements climatiques, [En ligne]) De plus, l’augmentation de la durée de vie des aérosols est à l’origine d’une diminution des précipitations, autant à l’état solide que liquide. Or, cette baisse entraine une perturbation dans le cycle naturel de l’eau. Également, l’augmentation du nombre de nuages et de leur capacité à réfléchir la lumière solaire affecte la photosynthèse des plantes, nécessitant une grande quantité d’énergie lumineuse, ce qui se traduit par une diminution de la productivité agricole. De surcroît, une augmentation de la quantité d’aérosol est synonyme d’un accroissement du nombre de décès chez les personnes les plus à risque, soit les enfants et les personnes âgés, en raison de la prolifération de maladies respiratoires. Dépendamment de leur taille, les aérosols peuvent avoir un impact plus ou moins important sur la santé des populations, particulièrement urbaines. En effet, les plus grosses particules ont tendance à rester bloquées dans les voies respiratoires supérieures alors que les plus petites peuvent pénétrer à l’intérieur des alvéoles pulmonaires et, par le fait même, causer davantage de dégâts. Améliorations possiblesAfin de diminuer la quantité de particules en suspension dans l’atmosphère, il faut bien évidemment tenter de réduire le nombre d’aérosols d’origine humaine et non ceux émis par des voies naturelles, qui sont très difficiles, voire impossibles, à contrôler. L’une des principales améliorations en ce sens serait grâce à la réduction des émissions générées par les combustibles fossiles, qui correspondent, tel qu’indiqué précédamment, à près de 80% de l’énergie consommée sur la planète. En effet, la combustion de ces matériaux rejette dans l’air une grande quantité de particules de carbone, qui empêchent le rayonnement solaire d’atteindre le sol et contribuent à un refroidissement du climat. Ainsi, afin de diminuer la quantité de combustibles fossiles utilisés, il est impératif de réduire leur utilisation ou de les remplacer par des procédés écologiques et durables dans les trois grands domaines où ils sont toujours largement en demande, soit le transport, l’industrie et la production d’électricité. Également, plus les aérosols atmosphériques sont de grandes tailles (entre 1 et 3 microns), plus ils ont tendance à diffuser la lumière. Or, les particules considérées comme de « gros » aérosols sont ceux provenant de poussières marines ou désertiques, ce qui fait en sorte qu’il est difficile de compter sur une réduction de la quantité de gros aérosols émis pour diminuer l’impact de ces particules en général. Par contre, il serait beaucoup plus utile d’avoir une approche en ce qui concerne la diminution des aérosols de couleur sombre, soit notamment la suie, car ces dernières particules sont plus efficaces afin d’absorber les rayons lumineux et ont donc un plus grand impact sur le réchauffement atmosphérique. Ainsi, des mesures environnementales peuvent être envisagées afin de diminuer la quantité de suie qui provient de la combustion incomplète de combustibles fossiles (essence, kérosène, etc.) ou encore de biomasses (bois, végétaux, etc.). Incertitudes sur les aérosolsD'abord, l’indice de réfraction de chaque type de particule et ainsi son forçage radiatif est sujet à de très grandes incertitudes étant donné que ce résultat est calculé en tenant compte de la taille, de la composition chimique, de la géométrie et du nombre de chaque type d’aérosols. Or, ces données sont, au départ, sujettes à une grande variabilité. Cette différence entre la réalité et les modèles engendre de nombreuses incertitudes à propos des aérosols, que ce soit sur leur impact environnemental, sur la santé et le rayonnement solaire, ou encore sur leur source véritable. Également, un questionnement demeure toujours en ce qui concerne l’augmentation de la couverture nuageuse en raison des aérosols puisque ces derniers entrainent des processus contraires. D’une part, les aérosols sont majoritairement à l’origine d’un refroidissement atmosphérique en raison de la diminution du rayonnement solaire atteignant la surface terrestre, ce qui entraine une diminution de l’évaporation à la surface des océans et ainsi du nombre de nuages. D’autre part, l’agglomération des particules en suspension avec des molécules d’eau atmosphériques est à l’origine de l’augmentation du nombre de nuages, réfléchissant le rayonnement infrarouge en provenance du sol et entrainant donc par le fait même un réchauffement de l’atmosphère. Finalement, il est très difficile d’estimer les sources précises des aérosols, car leur nombre et leur composition varie grandement dans l’espace et dans le temps, dépendamment des évènements naturels qui se produisent à certains endroits et non à d’autres (éruptions volcaniques, feux de forêt…), des conditions climatiques, du nombre d’usines et les émissions de ces dernières. Méthodes de mesure actuellement utiliséesL’étude des effets optiques des aérosols varie grandement en fonction du moment de la journée où les observations sont effectuées, c'est pourquoi il est important de mettre au point des appareils fonctionnant efficacement de jour et de nuit. Lorsque la quantification des propriétés optiques des aérosols est réalisée de jour, deux méthodes différentes sont préconisées. La première consiste en la photométrie solaire, qui tient son nom de l’instrument utilisé lors de ce procédé, soit un photomètre. Ce dernier a pour principale fonction de déterminer la transparence du milieu atmosphérique grâce à la détection de l’épaisseur optique, soit de la quantité de lumière qui absorbée par les composantes du milieu qu’elle traverse. Il est à noter que plus la visibilité atmosphérique est réduite, plus l’épaisseur optique est importante. Par exemple, dans le cas où le ciel est recouvert d’un brouillard opaque, et donc que la visibilité est faible, la condensation importante des molécules d’eau gazeuses atmosphériques amène l’absorption d’une très grande quantité de lumière, ce qui réduit la transparence de l’air et entraîne l’obtention d’une épaisseur optique très élevée. Ainsi, afin de déterminer précisément le degré d’absorption des composantes atmosphériques et donc la transparence de l’air, le photomètre est constitué d’un détecteur chargé de pointer le soleil tout au long de sa trajectoire durant la journée, lorsque le ciel est dégagé. Par la suite, étant donné que la quantité de lumière présente au plus haut point de l’atmosphère est une donnée connue, il est possible de déterminer la quantité de lumière qui a été absorbée lors de son parcours (et donc la transparence du ciel) à partir des données recueillies au sol, qui quantifient la lumière ayant réussi à traverser en entier la couche atmosphérique. Actuellement, de nombreux photomètres situés au sol et regroupés en réseau tels que AÉRONET permettent de déduire ponctuellement l’épaisseur optique des aérosols atmosphériques, et par conséquent leur quantité relative. Or, il est également possible d’obtenir un résultat semblable de jour, mais sur un plus grand espace grâce à une technique connue sous le nom de l’inversion satellitaire sur des cibles sombres. Cette méthode repose essentiellement sur l’hypothèse que la réflexion de la lumière par le sol est faible et non variable. Par conséquent, cette technique est très performante afin de détecter la quantité d’aérosols présente au-dessus d’une masse très sombre, tel que l’océan ou une région caractérisée par une dense végétation. Pour ce faire, des capteurs tels que MODIS ont été mis au point. La principale qualité de ce dernier est le fait qu’il possède un canal dans la longueur d’onde du bleu et un canal très près de l’infrarouge. Ainsi, la présence d’un filtre qui reçoit les longueurs d’onde bleues permet une détection facilitée des aérosols, car à cette longueur d’onde la quantité de lumière réfléchie par le sol est minimisée tandis que celle déviée par les aérosols atmosphériques est augmentée. De plus, grâce au canal près de l’infrarouge, cet appareil est programmé afin d’éliminer facilement l’impact de l’énergie lumineuse dégagée par la végétation et donc de mettre en évidence la quantité de lumière uniquement attribuable au rayonnement solaire ayant réussi à traverser la couche atmosphérique. De nuit, en revanche, très peu de techniques afin de mesurer les aérosols ont été développées à ce jour. L’une d’elle est la télédétection par laser, connu aussi sous l’acronyme LIDAR, qui provient de l’expression anglaise « Light Detection And Ranging ». Cette technologie est composée d’un système laser, qui émet une onde lumineuse dans l’atmosphère étant rétrodiffusée en partie vers l’appareil. Ce dernier possède un télescope capable d’alors recueillir des informations concernant la nature des particules rencontrées par l’onde lumineuse et la distance à laquelle elles se retrouvent par rapport au système. Cette technique permet d’obtenir une grande précision dans les mesures, mais, en contrepartie, est aussi extrêmement coûteuse. Un autre procédé est également utilisé pour la détection nocturne des aérosols, soit la photométrie stellaire. Ce dernier permet de mesurer la quantité de lumière en provenance des étoiles qui est absorbée par les aérosols. Pollution lumineuseHistoriqueLa notion de pollution du ciel nocturne apparaît dans les années 1980, mais le phénomène commence à s’étendre dès le XVIIe siècle. En 1667, Louis XIV entreprend l’éclairage de toutes les rues de la capitale française. L’objectif est d’assurer la sécurité de son peuple en réduisant les vols et les crimes, le reste de l’Europe emboitera rapidement le pas. Au siècle suivant, avec le progrès de la technique, c’est les phares qui commencent à pousser par centaine sur les côtes et déjà on observe des comportements animaux étranges. Les fanaux attirent les oiseaux par milliers et ceux-ci tournoient autour de cette nouvelle fascination, parfois même jusqu’à un épuisement fatal. L’éclairage suit le rythme effarent de la révolution industrielle jusqu’au début du XXe siècle entaché par les guerres les plus dévastatrices de l’histoire humaine. Dans les 500 dernières années, les nuits d’Europe n’ont jamais été aussi sombres que lors des de la Première et Seconde Guerres mondiales. Les zones occupées ainsi que les zones de résistances étaient sous le couvert de règlementations militaires strictes; aucune luminosité quelconque ne devait être perceptible du ciel une fois le Soleil couché. Suite à la capitulation de l’Axe, la modernisation reprend de plus belle et on peut à nouveau commencer à observer un inquiétant halo diffus à l’abord des grandes villes. Ce sont les astronomes qui ont été les premiers à se regrouper afin de dénoncer cette nouvelle problématique, ceux-ci étant gênés dans leurs observations. Le premier appareil de mesures développées, par Léon Foucault qui avait pour mandat de comparer le pouvoir éclairant de deux types de gaz d'éclairage pour Paris, est le photomètre. En 1995, le problème écologique commence à faire surface et l'on voit apparaître les premiers colloques et symposiums où chercheurs et naturalistes traitent du problème de la pollution lumineuse en tentant d'exposer les impacts environnementaux et sur la santé de ce phénomène. À ce moment, les premières études étant encore très récentes, c'est avec difficulté que les spécialistes avancent certaines hypothèses puisque les données manquent. Depuis les recherches et les données empiriques se multiplient et permettent une analyse plus approfondie et fondée de la pollution lumineuse. C’est l’International Dark-Sky Association, fondé en 1988, qui fût le premier organisme à s’intéresser à la pollution lumineuse, principalement à ses effets néfastes. Il s’impose encore aujourd’hui comme la référence en matière de combat contre la pollution lumineuse. Le réseau AERONET mis sur pied par la NASA en 1993 se veut quant à lui une banque de données précieuse. Les quelques 450 sites d’observations sont munis d’un photomètre solaire qui accumule les données sur divers paramètre en lien avec la pollution lumineuse le jour. Les données de tous les appareils sont ainsi déposées sur le web sur le site du projet AERONET. Les techniques et les méthodes restent encore imparfaites et limitées puisqu'aucun appareil, à l'exception de SAND 2 développé par Martin Aubé et son équipe, ne mesure la pollution lumineuse la nuit de façon efficace. Ici, il faut bien considérer que la nuit représente bien sûr la moitié du temps de la journée, mais aussi une période où les facteurs climatiques changent de façon importante; chute de la température, de l'humidité et de la pression. Il est justifiable de croire que ces facteurs auraient un impact direct ou indirect (Changement important au niveau de la quantité et composition des aérosols en suspension dans l'atmosphère donc de l'impact que ceux-ci ont sur la lumière) sur la pollution lumineuse. DéfinitionLe terme pollution lumineuse désigne un phénomène de présence nocturne anormale ou gênante de lumière causé par l’être humain et les conséquences de l'éclairage artificiel nocturne sur la faune, la flore et les écosystèmes qui en découle ainsi que les effets suspectés ou confirmés sur la santé humaine. Depuis peu, la pollution lumineuse s'applique également sur un nouveau domaine, celui de la lumière polarisée qui représente des rayonnements de lumière modifié. L'expression ‘‘Pollution par la lumière polarisée’’ (ou PLP) a été dissocié du reste de la pollution lumineuse parce que celle-ci se distingue par le fait qu’elle est diurne. La lumière émise par le Soleil est légèrement polarisée et peut le devenir d’avantage (par exemple : lorsque les photons sont perturbés par l’eau ou la vapeur d’eau). Certaines espèces du règne animal peuvent percevoir cette polarisation, évidemment l’homo sapien sapien ne possède pas cette faculté, et l’utiliser afin de se guider notamment lors de migrations. La PLP englobe la lumière artificielle polarisée émise par l’être humain ainsi que les modifications portées à la polarisation de la lumière naturel. Elle est souvent associée au gaspillage d'énergie puisque éclairage mal adapté ou superflu engendre une dépense énergétique évitable qui engendre immanquablement une mauvaise gestion des ressources et des problèmes écologiques. L'éclairage diffus du ciel n’est d’aucune utilité pour l'être humain, mais elle a un coût. Ce coût est évalué à 1,5 milliard de dollars par an aux États-Unis selon l'association internationale Dark-Sky. SourcesLa luminosité nocturne est causée par des sources naturelles et humaines. La lune, les étoiles, les aurores boréales et la luminescence du ciel sont les principales sources naturelles. Pour ce qui est des sources anthropiques, on retrouve les lampadaires (probablement la plus grande source), les panneaux publicitaires, les édifices éclairés, les aéroports, les ports, les phares, etc. Ces différentes sources d’origine humaines sont problématiques, car l’éclairage n’est pas uniquement dirigé là où nécessaire, par exemple les lampadaires isotropiques. La lumière perdue est réfléchie et dispersée par les aérosols en suspension dans l’atmosphère ce qui cause une augmentation de la pollution lumineuse dans le cas où l’observateur se trouve à proximité de la source lumineuse et une diminution pour un observateur à grande distance. Ainsi, il est plus difficile d’admirer le ciel nocturne dans les villes qui ne gèrent pas bien l’éclairage à cause d’un halo lumineux orange brunâtre qui augmente la luminance générale de la ville. RaisonsL’humain a instinctivement peur du noir, c’est pourquoi la demande d’éclairage la nuit est si grande. Pour une question de sécurité, les lampadaires sont en fonction à toute heure de la nuit. L’éclairage des aires publiques est clairement abusif, la plupart des sources de lumière sont inutiles et/ou inappropriées. Elles sont inutiles lorsqu’elles fonctionnent et que personne n’en a besoin, par exemple une rue déserte. Elles sont inappropriées lorsque leurs orientations ne sont pas concentrées vers l’endroit visé, ceux qui causent le plus grand impact sur la pollution lumineuse sont ceux qui pointent vers le ciel. On peut aussi qualifier d’inappropriées les sources de lumière désuètes comme les lampes à vapeur de mercure haute pression, les luminaires sphériques et aux ballasts qui consomment une grande quantité d'énergie. Il ne faut pas négliger l’effet des panneaux publicitaires, des néons, des vitrines de magasins et de plusieurs édifices (églises, châteaux, ponts) qui sont éclairés par de puissantes sources mal orientées qui sont elles aussi en fonction durant toute la nuit (M. VAILLANCOURT, et al., « Cette lumière qui salit le ciel », AstronomieQuébec). La raison principale de l’éclairage excessif des panneaux publicitaires et des vitrines de magasins est qu’ils sont conçus pour attirer l’attention, ils doivent donc être assez éclatants pour détourner notre attention. Le faible coût de l’électricité dans les pays producteurs ainsi que l’absence de lois contrôlant la quantité, l’orientation et l’efficacité des sources de lumière (sauf quelques exceptions comme la réserve de ciel étoilé situé autour de l'observatoire du mont Mégantic) entraîne une surconsommation de l’éclairage ce qui augmente considérablement la pollution lumineuse (P. BRUNET, et al., Exemple de texte de loi: « Mesure urgentes contre la pollution lumineuse et en faveur des économies d'énergie dans l'éclairage public », [En ligne]). Impacts1) Sur la floreDes effets néfastes sur les algues et plantes qui subissent un éclairage artificiel pour un cycle anormalement long ou encore qui perçoivent une quantité non-négligeable de lumière polarisée ont été avancés. Celles-ci peuvent moins se ‘‘reposer’’ la nuit, et effectuent une photosynthèse incomplète, ce qui résulte à un métabolisme végétal moins performant. L’éclairage artificiel retarderait fortement la chute des feuilles (de plusieurs mois parfois) et causerait une diminution de certaines récoltes selon de récentes observations. 2) Sur la fauneLes espèces d’oiseaux migrateurs sont nettement les plus touchés par la pollution lumineuse. Leur sens de l'orientation est basé sur la vision, la perception du champ magnétique terrestre et la position des étoiles. Or, deux de ces sens sont altérés par la lumière nocturne ; ils perdent leurs repères célestes et sont éblouis par la lumière artificielle. Le FLAP (Fatal Light Awarness Program) estime à 100 millions le nombre d'oiseaux tués par collision avec des vitres ou des éléments d'architecture chaque année aux Etats-Unis sur l'ensemble de leur parcours migratoire. Le programme a également mené une étude sur la tour CN à Toronto. Cette tour est éclairée la nuit et on a dénombré à ses pieds 3000 cadavres d’oiseaux en un an. Plusieurs ornithologues s’intéressent au cas des oiseaux des villes. Les oiseaux devenus sédentaire dans les villes possédant un halo permanant de lumière montre un comportement erratique et nerveux, ceux-ci vivant constamment sous une lumière artificielle. L’équilibre des écosystèmes en est bouleversé, un taux anormalement élevé de prédation est observé chez les espèces continuellement éclairées. De plus, les insectes et oiseaux attirés par la lumière vive deviennent des proies facile puisqu’ils se réunissent en groupe au même endroit et n’offrent aucune résistance étant obnubilées par le rayonnement. 3) Sur l’être humain75% de la population planétaire vient dans des zones suffisamment urbanisées pour être concernées par la pollution lumineuse. La pollution lumineuse contribue à désaccoutumer l'être humain de la pénombre et de la noirceur ce qui, par conséquent, entretient une dépendance à la lumière artificielle. L’évolution des espèces terrestres s’appuie sur l’alternance rythmée du jour et de la nuit, le cerveau humain ne fait pas exception et plusieurs processus hormonaux vitaux en découlent. Il est clair que l’adaptation physiologique n’est pas possible chez la plupart des espèces, dont peut-être l'espèce humaine, où le rythme nycthéméral (rythme naturel des levers et couchers de soleil) a probablement profondément modelé le psychisme.La mélatonine est l’hormone responsable de gérer les cycles de l’état actif et de relâchement du corps, celle-ci est sécrété par la glande pinéale située dans le cerveau. C’est la présence, ou l’absence, de lumière qui stimule la sécrétion de cette neurohormone. Par son rôle de gestion de l’horloge biologique, elle agit sur l’ensemble des systèmes hormonaux du corps. Une trop grande stimulation du neurotransmetteur de cette hormone provoque un état d’activité biochimique anormalement élevé du corps humain, ou animal, ce qui induit inévitablement une accumulation de fatigue. Le constat le plus récurent d’une trop grande activité hormonales se traduit par une augmentation du stress, jusqu’à la dépression. Dans la société moderne, l'éclairage artificiel des rues est justifié pour augmenter le sentiment de sécurité des passants et automobilistes. Ce sentiment de sécurité a cependant tendance à inciter les automobilistes à augmenter leur allure, ce qui peut avoir des effets adverses sur la sécurité. Aussi, un éclairage ponctuel très intense peut éblouir et gêner la conduite automobile, le contraste devenant insupportable pour l’œil humain et nécessite un délai de la part du cerveau pour traiter l’information. D'autre part, les éclairages mobiles ont tendance à distraire les conducteurs et les aviateurs. Le vieillissement de la population induit un plus grand nombre de personnes affecté par des cataractes partiels ou complètes. La cataracte est l’opacification du cristallin à l’intérieur de l’œil, ce qui signifie qu’aucune lunette ne peut palier le problème. Elle se forme généralement progressivement avec l’âge entrainant une baisse de la vue et une plus grande facilité à être éblouie. Dix pourcents des populations seront affecté avant 65 ans, ce chiffre grimpe à trente pourcents après cet âge. Une plus grande diffusion de la lumière (émise, par exemple, par les nouveaux phares bleus qui diffusent d’avantage la lumière) affecte d’avantage cette portion de la population, causant un éblouissement momentané qui peut être dangereux principalement en automobile. La lumière intrusive est une nuisance lorsqu'elle empêche l'accomplissement des tâches dévolues à un lieu précis comme le sommeil aux chambres ou l'observation des étoiles à un observatoire. La lumière qui s’immisce dans une habitation dérange et nuit au sommeil des habitants. Un sommeil lésé perturbe nos rythmes hormonaux et biologiques ce qui se traduit en problèmes de santés physiques et mentals. L'éclairage complique la tâche des astronomes qui tentent, par des observations célestes, de confirmer ou d’infirmer des théories, de produire l'imagerie électronique du ciel et d’approfondir notre connaissance de l’univers. Améliorations possiblesEn général, les sources anthropiques de lumière sont inutiles et/ou inappropriées. Il faut donc utiliser ses sources seulement lorsque nécessaire, les dirigées là où nécessaire et maximiser leur rendement énergétique. Pour ce qui est des lampadaires, l’installation de détecteurs de présence réduirait fortement la quantité de lumière émise. L’utilisation d’abat-jour et de verres plats évite les pertes de lumière en orientant le faisceau de lumière vers le bas, ce qui réduit également les risques d’éblouissement. Le faisceau de lumière étant orienté vers le bas, il est important d’utiliser des surfaces les moins réfléchissantes possible au pied des lampadaires (Wikipédia, l'encyclopédie libre, La pollution lumineuse, [En ligne]). Pour maximiser leur rendement, il faut prioriser les lampes de sodium à basse pression, car elles utilisent moins d’énergie et n'émettent qu'une seule longueur d'onde, ce qui facilite le travail d'observation des astronomes. Pour ce qui est des panneaux publicitaires, des édifices éclairés et des vitrines de magasins, il faudrait éclairer seulement vers le bas et intégrer des systèmes de minuteries. Effectuer ces changements peut paraître dispendieux, mais ils sont rentables à long terme, tant au niveau monétaire (économie d’énergie) (C. LEGRIS, Plan d'action, [En ligne]) qu’au niveau de la santé humaine. ProblématiqueL'enjeu principal du projet cette année est de mieux comprendre la pollution lumineuse en soi. Le projet se divisera en deux obtectifs principaux, soient: Préambule sur les outils utilisésNous utiliserons un spectromètre (SAND 3) afin d'obtenir la brillance du ciel nocturne. Il comporte trois grandes parties, soient un spectromètre, une caméra (capteur CCD) et un ordinateur opérant sur linux branché à un réseau internet. Il est conçu pour mesurer la brillance du ciel pour différentes longueurs d'ondes. Nous travaillerons également avec le modèle ILLUMINA développé par Martin Aubé. Ce modèle prédit la quantité de pollution lumineuse pour un endroit précis à l'aide de données géographiques et physiques de cet endroit. Les principales données requises sont la distribution géographique et les propriétés physiques des sources de lumière environnantes, la réflectance du sol environnant, la topographie et la composition de l'atmosphère. Enjeux - Validation des mesures de SAND 3Cette année, un de nos objectifs est d’augmenter l’étendue de nos mesures prises à l’aide de notre spectromètre. Ce qui signifie faire l’acquisition de données à plusieurs endroits, sous différentes conditions expérimentales. Ceci nous permettrait d’obtenir des résultats adaptés à plus de situations. Plus précisément, nous cherchons à découvrir la relation entre la brillance du ciel nocturne et l’épaisseur optique de l’atmosphère (ÉOA). Nous désirons obtenir une relation qui est valide sur un grand intervalle de brillance du ciel et d'épaisseur optique. Nous savons déjà que cette relation est pratiquement linéaire lorsque l’environnement contient peu d’aérosol. Cependant, cette fonction perd sa linéarité lorsque l’épaisseur optique dépasse ~0,5 (Aubé et al., 2009). Nous serons alors intéressés de prendre des mesures sur un site où l’épaisseur optique est généralement élevée, dans une zone très pollué par exemple. Bien entendu, des mesures prises dans un site où l’épaisseur optique atmosphérique est faible nous seront tout aussi essentielles. Notons que la brillance du ciel est un des effets de la pollution lumineuse. Il serait alors intéressant de varier nos sites d’observation en fonction de la quantité de pollution lumineuse. Cela permettrait de valider que notre relation est valide sous différentes quantités de pollution lumineuse. De plus, la relation entre l’épaisseur optique et la brillance du ciel nocturne varie selon certains facteurs géographiques, comme l’apparition de neige au sol qui modifie l’indice de réflexion du sol. Plus de lumière réfléchie au ciel augmente la brillance de celui-ci sans que l’épaisseur optique ne soit modifiée. Nous sommes alors dans l’obligation de tenir compte de ces facteurs afin d’obtenir des résultats valides. Afin de valider nos mesures d’épaisseur optique et d’ajuster l’influence des paramètres géographiques, nous pourrons comparer nos mesures à celles obtenues par d’autres organisations fiables. Ceci nous permettra de supposer que le seul facteur qui influence la brillance du ciel dans le temps est la variation de l’épaisseur optique pour un intervalle de temps donné. Bref, tous les autres facteurs géographiques, tels que la neige au sol, seront considérés constants pour cet intervalle (une nuit par exemple). Ces facteurs constants seront modérés à l’aide de la méthode qui consiste à comparer nos résultats d’épaisseur optique. Ceci peu s’avérer problématique, car la plupart des mesures d’épaisseur optique atmosphérique sont effectuées de jour à l’aide de photomètres solaires. Les appareils qui mesurent l’épaisseur optique la nuit sont en général peu accessibles et peu répandus à travers le monde. Nous serons tout de même en mesure de comparer nos résultats. Nous nous fierons sur le réseau AERONET (AErosol RObotic NETwork) opéré par la NASA. Notre technique consiste à comparer, pour un site donné, leur dernière mesure d’épaisseur optique atmosphérique le soir à notre première mesure la nuit, ainsi que notre dernière mesure le matin à leur première mesure le matin. Une autre raison justifie la prise de mesure la nuit. C'est le changement du taux d'humidité relative (HR) à travers le temps. En fait, l’humidité relative de l’air a une influence sur l'ÉOA. Les particules d’aérosols ont tendance à se combiner selon certains phénomènes en présence d’une humidité relative assez élevée. Cette augmentation de taille augmente leur capacité de diffusion (P. Zieger et al. 2010). Donc, l’épaisseur optique augmente. De plus, cette relation n’est pas la même pour tous les types d’aérosols. Dans notre cas, ce phénomène est intéressant, car l’humidité relative augmente la nuit, puisque la température diminue. Selon la formule suivante, l’humidité relative est fonction de la pression de valeur saturante, entre autres.  HR : Humidité relative Or, cette pression de vapeur saturante varie en fonction de la température. Plus la température diminue, plus la pression de vapeur saturante diminue. Voici une représentation de la relation entre la pression de vapeur saturante et la température de l’air.  Figure 1 : Relation entre la pression de vapeur saturante et la température de l’air. Bref, le phénomène est plutôt simple. La nuit, la température diminue, ce qui fait diminuer la pression de vapeur saturante. L’humidité relative augmente, ce qui entraine une augmentation de l’épaisseur optique, sans nécessairement que la quantité d’aérosols augmente. Il devient alors intéressant de prendre des mesures à plusieurs reprise durant la nuit afin d'étudier le phénomène. Enjeux - Contrôle de la pollution lumineuse pour l'observatoire du mont MéganticCette portion du projet vise à produire une carte de sensibilité à la pollution lumineuse et de contribution actuelle pour le site de l'observatoire du mont Mégantic. En fait, la carte de sensibilité représente le pourcentage d'impact d'un lampadaire type à un point donné et la carte de contribution actuelle montre, en pourcentage, comment chaque km2 de terrain contribue à la pollution lumineuse. Les données recueillies à partir de ces deux représentations de la problématique lumineuse seront éventuellement utilisées dans le but de permettre un meilleur suivi et contrôle pour la réserve de ciel étoilé du mont Mégantic. Cette dernière comprend les régions du Haut-Saint-François, du Granit, de même que la ville de Sherbrooke et s'étend sur une superficie de 5 500 km 2. Choix des sites d'observationTel que mentionné précédemment, nous désirons diversifier nos conditions expérimentales comme la quantité d’aérosol présente dans l’atmosphère, la quantité de pollution lumineuse, le type d’aérosol, etc. Pour ce faire, nous avons sélectionné trois sites d’observation : La Chine, Sherbrooke (Québec, Canada) et Les Îles Canaries. Maxi:wm3.jpg
Figure 2 : Distribution de la densité de particules plus petites que 2,5 micromètres (PM2,5) retrouvées dans l’air (données récoltées entre 2001 et 2006) 1) ChineSelon Nation Master (2010), la Chine consomme 1,3 milliard de short tons de charbon par année, ce qui en fait le plus grand consommateur mondial. Une short ton équivaut à 907 kg. À elle seule, la Chine est responsable de 28,7% de la consommation mondiale de charbon (Nation Master, 2010). D’ailleurs, 80,2 % de son électricité est produite à partir d’énergie fossile (Nation Master, 2010). La qualité de l’air s’en voit alors grandement altérée.  Figure 3 : Exemple de pollution de l’air au centre-ville de Beijing. En Chine, la pollution atmosphérique a atteint un niveau critique. À elle seule, la pollution de l’air ambiant est directement responsable de centaines de milliers de morts chaque année. Seulement un pour cent des 560 millions de chinois vivant en milieu urbain respirent de l’air de qualité qualifiée d’acceptable par l’Union Européenne (NY Times, 2010). Bref, il est évident que l’enjeu de la qualité de l’air est très important en Chine. Ceci motive en partie le choix de villes chinoises comme sites d’observation. La Chine nous permettra des observations sous des conditions expérimentales de grande quantité d’aérosol et de grande quantité de pollution lumineuse. Les aérosols chinois sont principalement des déchets de l’activité humaine, tel que mentionné ci-haut. En raison des centrales d’électricité au charbon, l’atmosphère contiendra beaucoup de suie et de composé organique carboné. Selon une brève observation des résultats du réseau AERONET, nous avons constaté que l’épaisseur optique de l’atmosphère de la côte Est chinoise dépassait régulièrement 1. Pour diversifier d’avantages ces conditions, nous aurons trois sites d’observations chinois qui nous permettront une légère variation en ce qui concerne la quantité d’aérosol et de pollution lumineuse. Nous aurons Hefei comme premier site d’observation. Cette ville de grandeur moyenne comporte 5 millions d’habitants, pour une densité de 676 habitants par km2. Hangzhou sera le deuxième site avec une population de 6,4 millions d’habitants. Pour ces sites d’observation, la pollution lumineuse sera très grande en raison de l’environnement urbain. Nous aurons également un troisième site d’observation : Tian mu shan. Çe site est situé dans la région « rurale » de Lin’an. La ville de Lin’an contient 520 000 habitants (donnée de 2002). Nous prévoyons tout de même une grande quantité de pollution lumineuse en raison de la proximité de la ville. Cependant, de nos trois sites chinois, ce sera sans doute le site ayant le moins de pollution lumineuse. 2) Région de Sherbrooke (Québec, Canada)De nos trois principaux sites d’observation, Sherbrooke (150 000 habitants) nous offrira les conditions moyennes de quantité d’aérosol et de pollution lumineuse. En raison de la proximité de l’observatoire du Mont-Mégantic, des mesures ont déjà été prises afin de réduire la quantité de pollution lumineuse pour la région de Sherbrooke. Nous estimons que la quantité de pollution lumineuse de sherbrooke se qualifie de modérée à élevée. Selon des observations précédentes, nous prévoyons obtenir des résultats d’épaisseur optique entre 0,04 et 0,1 . L’apparition de neige au sol durant l’hiver rend le site de Sherbrooke très intéressant. Cela nous permet d’expérimenter des variations de conditions géographiques. Nous effectuerons également des observations sur le site de l'Observatoire du Mont-Mégantic (OMM). Afin de préciser l'importance de la qualité du ciel à cet endroit, mentionnons que l'OMM contient le plus gros télescope de l'est de l'Amérique du Nord. Il s'agit du quatrième plus gros télescope du Canada. Il est situé à 1100 mètres d'altitude (site internet de l'astrolab). La quantité de pollution lumineuse à cet endroit est faible. Sur le site internet de l'astrolab, nous pouvons lire qu'elle provient à 50 % des villes avoisinantes (distance de 25 km et moins), 25% de Sherbrooke et 25% d'autres sources. Nous désirons fournir des informations plus précises sur les sources de pollution lumineuse.  Figure 4: Vue panoramique de l'OMM 3) Îles CanariesNous sommes également intéressés par deux sites d’observation situés dans la région des Îles Canaries, soient les îles La Palma et Tenerife.
La Palma est une île de 86 000 habitants et d’une densité de 122 habitants/km². Tenerife est une île de 900 000 habitants et d’une densité de 435 habitants/km².
Ces îles contiennent plusieurs grands observatoires de renommée mondiale, il est alors évident que la quantité de pollution lumineuse est une préocupation. La Palma a d'ailleurs un taux de pollution lumineuse relativement bas. Il en est ainsi grâce à une loi espagnole qui vise à la conservation de la qualité du ciel sur La Palma, intitulée Ley Del Cielo, la loi du ciel (Instituto de Astrofisica de Canarias, 2010). Mise en place en 1992, elle réglemente l'éclairage extérieur sur l'ile de La Palma et sur une partie de Tenerife. Elle limite également les radiation électromagnétique et les activités qui pourraient altérer la qualité de l'atmosphère. Elle réglemente même les tajectoires des avions survolant La Palma. MéthodologieRelation entre l'AOD et la brillance du ciel nocturne (SAND 3)Une fois le système SAND correctement installé, nous débuterons la prise de données. Le système est automatisé et l’appareil est contrôlé par le programme observe. Lorsque le coucher de soleil arrive, le programme se charge de vérifier s’il fait bien noir, par l’intermédiaire de la dernière image webcam disponible. La webcam prend une pose à chaque 15 minutes. S’il fait bien noir, la séquence d’observation débute, avec le temps de pose spécifié par l’utilisateur. Ce temps de pose dépend principalement de l’endroit où l’appareil se trouve. Chaque séquence comprend une pose « dark », qui est en fait une pose avec l’obturateur fermé. Cela sert à isoler le bruit thermique, et ce « dark » sera utile dans le traitement des données. Le nombre de pauses dépend de la durée de celles-ci et de la durée de la nuit. Ce nombre doit être ajusté de façon à être certain que la séquence peut être terminée avant la levée du jour. Il est à noter qu’avant chaque pose, le programme vérifie si le temps restant avant le lever du soleil est suffisant, en plus de vérifier la dernière webcam pour vérifier qu’il fait bien noir. Si l’image de la webcam est trop claire, le programme se met en pause pour 15 minutes (ce temps est possiblement à revoir à la baisse), après quoi une autre vérification est effectuée. Lorsque la séquence est terminée, toutes les images (.fits) prises par l’appareil sont transférées dans un dossier portant le numéro du jour où la séquence a commencé. La hiérarchie des dossiers contenant ces images est alors la suivante : data/[année]/[mois]/[jour]. Une fois la séquence terminée, le programme observe lance un autre programme appelé nathalie. C’est ce programme qui prend alors la relève. Le programme nathalie est en fait un programme de transition, qui s’assure que tout est en place pour commencer le traitement des données. Ce programme copie les fichiers de calibration nécessaire au traitement et les place dans le bon dossier, pour les rendre utilisables par le prochain programme. Lorsque tout est en place, nathalie lance le programme inspectre.bash. Ce dernier est le vrai responsable du traitement des données. Avant l’élaboration de nathalie, le lancement d’inspectre.bash devait être fait manuellement et comme le processus de traitement prend un certain temps, nous avons jugé qu’il était préférable qu’il soit fait automatiquement à la fin de chaque séquence, pendant le jour, alors que l’appareil est en repos. Le programme inspectre.bash fait appel à plusieurs autres sous-programmes conçus pour effectuer des traitements sur les images. Les étapes du traitement sont les suivantes :
La soustraction du « dark » sert à éliminer en partie le bruit thermique dans l’image. La sommation des colonnes dans l’image sert à rendre utilisable les images. À partir de cette étape, nous ne travaillons plus avec des images, mais avec des données, des nombres. Les nombres obtenus peuvent être placés sous forme de graphique; on obtient alors un spectre. Une calibration de l’appareil faite à l’avance aura permis de déterminer les paramètres nécessaires à cette étape (ces paramètres sont propres à l’appareil et doivent être revérifiés périodiquement). Le calibrage spectral sert à associer une longueur d’onde à chaque donnée. On se retrouve donc avec un graphique donnant l’intensité (pas d’unité) en fonction de la longueur d’onde. Le calibrage photométrique sert à donner des unités à l’intensité de chaque longueur d’onde. Cependant, ce calibrage s’avère être très compliqué car l’appareil n’est pas sensible uniformément pour chaque longueur d’onde. Ce calibrage sert uniquement à pouvoir comparer nos valeurs finales avec celles de d’autres appareils. Nous avons choisi d’utiliser un fichier de calibrage bidon, pour éviter d’avoir à faire cette étape. La comparaison avec d’autres appareils reste possible, mais elle demeure moins puissante. Le programme rééchantillonne ensuite les données, afin d’avoir des intensités pour des longueurs d’ondes à intervalles régulières. Comme nous souhaitons mesurer la pollution lumineuse, nous devons soustraire la lumière du soleil. Cette lumière a la caractéristique d’avoir un spectre continu. Nous soustrayons donc un spectre continu à nos données. Finalement, nous avons ciblé 5 longueurs d'ondes pour faire l'analyse. Ces longueurs d'ondes ont été choisies de façon à être facile à différencier de la lumière des étoiles. Les raies à ces longueurs d'ondes ne sont pas contaminées par des raies naturelles et elles sont peu affectées par l'absorption atmosphérique. De plus, elles sont suffisamment étroites afin que leur forme ne dépende pas de l'âge et du manifacturier du lampadaire. Nous savons donc qu’à ces longueurs d’ondes, l’intensité obtenue est pratiquement en totalité due à la pollution lumineuse. Un programme calcule l’intégrale sous la courbe pour ces longueurs d’ondes précises. Les données sont alors prêtes à être analysées. Elles pourront entre autre être comparées aux données obtenues avec les photomètres solaires afin de valider nos résultats. Une fois que les données brutes sont réduites, traitées et analysées, il est temps de se pencher sur la relation entre la brillance du ciel nocturne (fournie par SAND) et l’épaisseur optique atmosphérique (AOD, fournie par le réseau AERONET). C’est notre but principal. Nous débuterons par trouver cette relation pour les sites d’observations de Sherbrooke et de Hefei. Pour ce faire, nous devrons trouver une formule mathématique analytique qui représente bien cette relation. Il s’agira probablement d’une polynomiale. Pour ce qui est du degré, les résultats expérimentaux nous amèneront plus de précision. Nous nous servirons d’un logiciel mathématique afin de déterminer cette formule, soit Gnuplot ou Fityk. Chacune des fonctions sera valide sur son propre intervalle d’épaisseur optique. L’AOD moyenne des deux sites n’est pas la même. C’est d’ailleurs pourquoi il est intéressant d’avoir deux sites d’observation différents. En raison des variations saisonnières de la réflectance du sol pour le site d’observation de Sherbrooke, nous déterminerons deux relations, une avec neige au sol et une sans neige au sol. Ceci nous permettra de déterminer les différences dans la relation entre l’AOD et la brillance du ciel nocturne entre l’été et l’hiver. Rappelons que le but ultime est de déterminer une formule mathématique analytique qui est valide sur le plus grand intervalle d’AOD possible. Nous essayerons donc de comparer les trois fonctions et d’identifier s’il y a une relation entre celles-ci. La complémentarité de ces fonctions n’est pas possible bien évidemment, car il s’agit de deux sites d’observation différents, donc deux conditions géographiques différentes. Dans les étapes précédentes, il est important de ne pas utiliser toutes nos données disponibles. Nous utiliserons par exemple 2 mois de données afin d’obtenir la formule mathématique et garderons 2 autres mois pour la validation du résultat. Nous trouverons ainsi l’incertitude sur la fonction obtenue. Pour ce faire, nous mesurerons l’écart entre les nouvelles données et la fonction analytique trouvée en faisant une nouvelle distribution et en calculant l’écart type obtenu. Validité des donnéesLorsque l'appareil est laissé à un site d'observation pour une longue période, le programme observe peut être automatisé et ne nécessite aucun support humain. La prise de mesure s'effectue donc chaque nuit assidûment. Par contre, puisqu'aucune observation qualitative du ciel n'est prise en temps réelle, il est nécessaire de développer un système de vérification de l'état du ciel afin de supprimer les nuits d'observations intraitables dues aux conditions météorologiques défavorables (neige, pluie, nuages, etc.). La webcam incluse avec SAND-3 sert à analyser qualitativement les nuits d'observations de l'appareil. Une échelle de 0 à 5 arbitraire détaillée à la Figure 5: Validation des données pour SAND-3 en fonction à l'Université de Sherbrooke. Le réseau AÉRONET de la NASA permet une analyse plus quantitative de l'état du ciel (les données de CARTEL (45N,71W) sont ceux employées pour le site d'observation de à l'Université de Sherbrooke). Le coefficient d'Angstrom pour les longueurs d'ondes entre 440 et 870 est évalué selon une échelle analogue à celle des images de la webcam. Le coefficient d'Ångström est l'exposant attitré à la formule décrivant la relation entre la grosseur des particules et l'AOD mesuré à différentes longueurs d'onde. Usuellement, lorsque l'AOD varie peu entre les longueurs d'ondes alors le coefficient est bas. C'est le cas lorsqu'on est en présence de grosses particules puisqu'elles absorbent, ré-émettent et diffractent tous les longueurs d'ondes en proportion égale.Pour les plus petites particules, la relation est inverse. Le principe général de l'analyse est que les polluants en suspensions dans l'atmosphère sont généralement de petites particules ce qui implique un coefficient élevé (>1) alors que de grosses particules, généralement celles d'eau présentent dans les nuages, provoquent la mesure d'un coefficient d'Ångström bas (<1). Les données en provenance de la Chine auront déjà été triées, et les mesures d'AOD nous seront données par un LIDAR installé sur place. Toujours avec le réseau AÉRONET, les mesures d'AOD doivent être constante pour justifier de considérer que celle-ci demeurera constante dans les prochaines heures. De plus, de fréquentes variations brusques proposent le passage de nuages.  Figure 5: Validation des données pour SAND-3 en fonction à l'Université de Sherbrooke Lorsque le ciel est idéal juste avant le coucher du soleil et le lever du soleil du lendemain matin, la nuit est considérée comme dégagée et toutes les données peuvent être analysées. Si le ciel est adéquat au coucher du soleil, mais qu'à son lever le ciel est ennuagé, alors seulement les premières données de la nuit sont traitables. Le même procédé s'applique lorsqu'au coucher du soleil le ciel est ennuagé et qu'à son lever le ciel est dégagé. Matériel et instrumentation
ManipulationsLe spectromètre visé est le SAND-3 qui est le résultat de plusieurs années de développement, il a été précédé par diverses versions plus ou moins efficaces développées par le groupe de recherche GRAPHYCS au Cégep de Sherbrooke. Le système devra être capable de contrôler à distance un spectromètre destiné à la mesure de la pollution lumineuse. L'installation et la configuration des sous-systèmes est décrites avec précisions dans le document Contrôle du spectromètre à pollution lumineuse SAND-3 (http://cegepsherbrooke.qc.ca/~aubema/index.php/Prof/SandcontrolEn). Ce document a été élaboré par les précédente équipe de recherche des années passées. On retrouve dans celui-ci une liste des commandes à effectuer sous la section contrôle. Dans le but d'améliorer l'efficacité, une nouveau volet a été ajouté au système. Le traitement des données sera désormait automatisé. À la fin de la nuit d'observation, le programme observe lance un second programme nommée nathalie (http://code.google.com/p/sand/source/browse/trunk/nathalie). Ce programme effectue un traitment préliminaire des données et nettoie le répertoire des fichiers obsolètes. Contrôle de la pollution lumineuse pour l'observatoire du mont Mégantic (OMM)Afin de produire des cartes de sensibilité et de contribution à la pollution lumineuse pour la région de l'observatoire du mont Mégantic, il est d'abord nécessaire de recueillir et de vérifier l'exactitude de certains intrants. Plusieurs d'entre eux, soient l'élévation du sol, la luminosité en général émise vers le haut de nuit et la réflectance du sol dans les longueurs d'onde du spectre électromagnétique visible, proviennent de données satellites. Nous nous servons notamment de données SRTM (pour Shuttle Radar Topography Mission), de données satellites météorologiques du Ministère de la défense des États-Unis, produites par le DMSP-OLS (DMSP, pour Defense Meteorological Satellite Program, et OLS, pour Operational Linescan System), et d'images fournies par le sattelite MODIS (pour Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer). Il nous est ensuite utile de connaître la lumière générée par les lampadaires en fonction de l'angle d'émission, ce qui dépend évidemment du type de lampadaire auquel nous avons affaire. Puis interviennent l'humidité relative dans la région du mont Mégantic, l'épaisseur optique, la nature des aérosols, la hauteur typique à la fois des lampadaires et des obstacles (bâtiments et arbres), de même que la distance typique qui les sépare. Finalement, un masque des plans d'eau du Québec doit être généré. Après quoi, ces intrants doivent être formatés de façon à être utilisables par le modèle ILLUMINA. Celui-ci sert à représenter le plus fidèlement possible le phénomène de pollution lumineuse par rapport à un point d'observation. Nous donnerons ici une définition plus précise des variables de l'environnement énumérées précédemment. Tout d'abord, l'élévation du sol en tout point du territoire étudié est obtenue grâce aux données SRTM, des fichiers matriciels et vectoriels topographiques mis au point par la NASA et la NGA. Ces fichiers rendent disponibles au public des données altimétriques recueillies au cours d'une mission de onze jours en février 2000, par la navette spatiale Endeavour, utilisant l'interférométrie radar. Ils constituent l'une des bases de données topographiques digitales à haute résolution les plus complètes à ce jour. Avec des résolutions horizontale d'une centaine de mètre et une résolution verticale d'une dizaine de mètres, les cartes utilisées permettent de connaître l'altitude de n'importe quel point, selon sa longitude et sa latitude. Nous utilisons donc les données disponibles pour la région entourant l'OMM.  Figure 6 - Carte d'élévation du sol du Québec Ensuite, nous devons connaître la luminosité émise de façon globale vers le haut, la nuit. Le DMSP-OLS est un système dirigé par des satellites en orbite polaire de basse altitude, ayant la capacité de détecter les radiations émises la nuit dans le spectre du visible. Ainsi, les données fournies par le DMSP-OLS nous permettent de connaître, pour la région entourant l'OMM, la quantité relative totale de lumière détectable dans le ciel nocturne. Cette quantitée est représentée sur une échelle linéaire de sensibilité relative, calibrée de 0 à 63. Comme la résolution de 1 km du DMSP-OLS est la moins précise parmi tous les intrants, l'ensemble de nos données doivent être rééchantillonnées selon une résolution de 1 km. La résolution de 100 m des données SRTM originales, par exemple, n'est plus utilisée.  Figure 7 - Luminosité émise vers le haut au Québec de nuit En ce qui concerne la réflectance du sol, soit la proportion de lumière réfléchie par le sol par rapport à la quantité émise dans cette direction, nous utilisons une valeur moyenne pour l'hiver, puis une valeur moyenne pour l'été. En effet, la réflectance du sol est différente selon les saisons, car la neige étant blanche, elle réfléchit beaucoup plus la lumière que le sol d'été. Pour cette variable, le printemps et l'automne sont exclus en raison de la complexité de l'obtention d'une valeur moyenne de la réflectance du sol puisque ce sont des saisons transitoires. Les données sur la réflectance du sol sont extraites d'images fournies par le satellite MODIS. Ce satellite capte des données pour 36 bandes spectrales correspondant à des longueurs d'ondes variant entre 400 et 14 400 nanomètres. En ce qui nous concerne, la lumière émise par les lampadaires est répartie sur trois des bandes du satellite MODIS, soient les bandes 01, 03 et 04.  Figure 8 - Réflectance du sol du Québec pour l'été, pour la bande 01 du satellite MODIS De plus, la fonction photométrique des lampadaires, c'est-à-dire la lumière émise en fonction de l'angle, est la même pour tous les lampadaires dans un rayon de 25 km centré à 4 km à l'est de l'OMM, car ils ont tous été remplacés par un modèle (Helios) plus récent qui émet moins de 1% de sa luminosité à partir de l'horizon. Dans la région de Sherbrooke (rayon de 8 km centré au pavillon nautique du Lac des nations), on observe un mélange des lampadaires de modèle Helios (6,67%) et de modèle Cobrahead (93,33%) qui eux émettent plus de 6% de leur luminosité à partir de l'horizon. Pour ce qui est des régions complémentaires (rayon de 130 km centré à l'OMM), seul les lampadaires de modèle Cobrahead sont pris en compte.
Par la suite, l'humidité relative est fragmentée en trois différentes valeurs afin de tenir compte de la différence notable de pollution lumineuse entre ces valeurs, qui sont 50%, 70% et 80%. L'humidité relative de 50% est la valeur moyenne minimale saisonnière, celle de 70% est la moyenne et celle de 80% est la valeur moyenne maximale prise en compte par le modèle. Ces valeurs ont été choisies en considérant le fait que la variation de la taille des aérosols et de leur indice de réfraction est très faible entre 0% et 50% d'humidité et qu'à plus de 80% d'humidité, la couverture nuageuse est assez importante pour empêcher une observation efficace de la pollution lumineuse. Également, en ce qui concerne l'épaisseur optique, c'est-à-dire la fraction de rayonnement lumineux absorbé ou diffusé par les composants de la couche atmosphérique, nous utilisons les valeurs suivantes: 0,05 qui représente la valeur normale minimale (ciel clair), 0,10 qui représente la moyenne de l'épaisseur optique du visible au Québec et 0,20 qui représente la valeur normale maximale (ciel pollué). De surcroît, la nature (composition chimique et distribution de taille) des aérosols dépend du secteur étudié (rural, urbain ou maritime). Le secteur rural est celui qui caractérise le mieux la région de l'observatoire du mont Mégantic, c'est donc celui qui est utilisé. En poursuivant, à l'aide de Google Street View, nous estimons la hauteur moyenne des lampadaires aux alentours de l'OMM. Étant donné que les villes de Sherbrooke et de Lac-Mégantic utilisent des lampadaires semblables, nous mesurons la hauteur d'un lampadaire situé sur la rue du Cégep à Sherbrooke. Puisqu'il y a une seule rue à Lac-Mégantic sur laquelle il y a des lampadaires d'une hauteur différente, nous négligeons ce détail et nous concluons que la hauteur moyenne des lampadaires est de 9 mètres.
Puis, nous utilisons les données disponibles sur les sites web de compagnies immobilières pour estimer la hauteur moyenne des obstacles, c'est-à-dire celle des bâtiments avoisinants la région de l'OMM. Pour ce faire, nous considérons un échantillon de bâtiments de deux étages, situés soit dans la région de Sherbrooke, soit dans la région de Lac-Mégantic, ce qui nous permet d'estimer la hauteur moyenne des obstacles à 9,2 mètres. Pour ce qui est de la distance typique séparant les lampadaires des obstacles, nous utilisons les images satellites disponibles sur Google Map : l'échelle indiquée sur les images nous permet d'avoir une idée de la distance moyenne à laquelle les façades des bâtiments se trouvent, par rapport au centre de la rue. Nous utilisons cette fois une image de la rue Wolfe, à Lac-Mégantic ; la distance entre les maisons et le milieu de la rue est évaluée à 13 mètres. Finalement, il est nécessaire d'obtenir un masque qui servira à cacher les plans d'eau sur les fichiers de luminosité. En effet, les images satellites présentent une intensité lumineuse trop élevée aux endroits où se trouvent des plans d'eau. L'eau étant une surface peu réfléchissante, ce phénomène ne devrait pas être observé. Étant donné qu'une grande partie du fleuve Saint-Laurent est situé à la plus basse altitude du Québec, il est possible de l'isoler en utilisant l'élévation du sol comme critère. Pour ce qui est des plans d'eau à altitude plus élevée, ils sont repérés à l'aide d'un seuil maximal de réflectance donné par un fichier de réflectance qui est comparé avec une carte des plans d'eau du Québec. Les derniers ajustement sont effectués manuellement d'après l'expertise géographique du chercheur Martin Aubé.
Le programme ols2lum permet de faire la synthèse de quelque-uns des intrants définis précédemment (la luminosité émise vers le ciel selon le programme DMSP-OLS, la réflectance du sol et les caractéristiques des régions selon la fonction photométriques des lampadaires). L'objectif est en effet de connaître la quantité de lumière émise vers le haut par un lampadaire donné, alors que jusqu'à maintenant, tout ce dont nous disposons est la quantité relative de lumière détectée depuis le ciel. Or, cette quantité, détectée par le DMSP-OLS, tient compte la lumière émise vers le sol puis réfléchie vers le ciel, lumière qui s'avère en réalité innofensive, et qui doit donc être exclue de la modélisation de la pollution lumineuse. Cela revient à considérer la luminosité relative détectée par le DMSP-OLS comme étant fonction de la quantité de lumière émise par les lampadaires, de la réflectance du sol et de la fonction photométrique des lampadaires. On peut représenter cette relation par l'expression suivante:  Où LOLS est la luminosité relative détectée par le DMSP-OLS  est la luminosité émise par les lampadaires est la réflectance du solLOP(z) est la fonction photométrique des lampadaires donnant la luminosité émise pour chaque angle z d'élévation, et Puis, la luminosité émise par les lampadaires peut être isolée comme suit (nous avons ici considéré un angle d'élévation de z=0):  Où R{# \lambda #} est une constante de calibration pour la longueur d'onde de la lumière du lampadaire Le programme ols2lum tient également compte du masque d'eau. Pour chaque point identifié par le masque comme faisant partie d'un plan d'eau, ols2lum considère que la luminosité émise est nulle. C'est donc à partir de l'équation 3 que ols2lum calcule la luminosité émise par les lampadaires. Une fois ce calcul effectué, nous nous retrouvons avec des fichiers qui s'apparentent à des cartes montrant la luminosité émise par les lampadaires en tout point du territoire. Nous obtenons une carte pour chaque longueur d'onde, et ce pour chaque zone définie préalablement. Ces fichiers deviendront par la suite les intrants du modèle ILLUMINA. Il faut maintenant créer un programme qui permet, par la suite, d'exécuter le modèle ILLUMINA sur la grappe linux. En fait, pour chaque paramètre qui varie dans l'expérience (saison, longueur d'onde, humidité et positions verticale et horizontale d'observation), le modèle nous fournit des informations sous forme de deux cartes. L'une de celles-ci, soit celle de la contribution lumineuse, nous informe sur la contribution lumineuse de chaque km² du territoire étudié. Ainsi, il sera par exemple possible de connaître la contribution d'une zone en particulier sur la pollution lumineuse détectée au zénith à l'Observatoire du mont Mégantic. L'autre, soit celle de la sensibilité à la pollution lumineuse, nous permet de dresser le portrait de l'impact d'un lampadaire typique (source étalon) sur la pollution lumineuse mesurée à l'OMM, et ce, pour chaque km² entourant l'Observatoire. Par exemple, nous serons en mesure de savoir qu'enlever un lampadaire situé au Lac-Mégantic serait davantage efficace afin de diminuer la pollution lumineuse que dans enlever un indentique, mais situé à La Patrie. Dans notre cas, nous produirons un total de huit cartes, c'est-à-dire quatre de contribution lumineuse et quatre de sensibilité présentant chacune les résultats en fonction de deux saisons, soit l'été et l'hiver, et en fonction de deux années, soit 2005 et 2009. En effet, il est pertinent de produire des cartes illustrant séparément les conditions de pollution lumineuse pour l'été et pour l'hiver, car la présence de neige en hiver engendre une grande différence. À cet égard, la neige, en raison de sa blancheur, réfléchit fortement la lumière vers le haut. Par conséquent, les sources de lumière à proximité de l'Observatoire du mont Mégantic contribuent davantage à la pollution lumineuse perçue à cet endroit en hiver qu'en été, puisque dans ce cas, ces dernières génèrent davantage de lumière vers le haut et donc, en raison de leur proximité, directement vers l'Observatoire. À l'inverse, les sources lumineuses éloignées contribuent moins durant la saison froide, étant donné qu'une plus grande émission de lumière vers le haut par réflexion diminue celle émise davantage vers l'horizontale, ce qui fait en sorte que la quantité de rayons lumineux détectés à l'Observatoire en provenance de ces dernières diminue. Également, nous avons décidé d'analyser au cours de cette recherche les données de 2005 et celles de 2009. L'année 2009 correspondant à la prise de données la plus récente, c'est la période qui nous offre le portrait le plus actuel de la situation lumineuse. Cependant, notre objectif est non seulement de réaliser ce portrait actuel, mais également de mettre en évidence les changements occasionnés par les mesures mises en place par l'ASTROLab, un centre d'activités en astronomie dédié au public. En effet, suite à une augmentation progressive de la problématique lumineuse, l'ASTROLab a rédigé en 2003 un plan d'action visant à diminuer de plus de 25% la pollution lumineuse à l'OMM, de même que de préserver le potentiel de recherche de cet observatoire et le potentiel récréotouristique de l'ASTROLab et du parc national du Mont- Mégantic. Afin d'atteindre ces objectifs, l'ASTROLab a décidé d'agir sous trois axes, soit la sensibilisation, la réglementation et la conversion de dispositifs électriques tels que le passage du modèle de lampadaire Cobrahead à Helios. Plus concrètement, ces trois axes ont permis la création en 2007 de la Réserve Internationale de Ciel Étoilé (RICE), une région dans laquelle la qualité nocturne du ciel est réglementée et dont la superficie totalise 5500 km2. La RICE est divisée en trois zones. La première, appelée la zone 1, correspond à un cercle de 25 km de rayon, centré à l'OMM. La deuxième, appelée la zone 2, correspond à un cerceau compris entre 50 et 25 km de rayon, toujours centré à l'OMM. Cette zone englobe principalement les MRC du Granit et du Haut Saint-François. Finalement, la zone trois correspond exactement à la ville de Sherbrooke, située à 60 km de l'OMM. Ainsi, au cours de notre recherche, nous voulons également mesurer l'impact réel de l'implantation de cette réserve en 2007 sur la pollution lumineuse perçue à l'Observatoire, c'est pourquoi nous analysons aussi les données de l'année 2005 de façon à comparer les résultats à ceux de 2009. De surcroît, le traitement des données de 2005 nous permettra de vérifier les résultats mis de l'avant sur le site de l'Observatoire à propos des proportions de contribution à la pollution lumineuse de différents endroits avant l'implantation de la réserve, soit 50% pour les municipalités se retrouvant dans la zone 1, 25% pour la ville de Sherbrooke et 25% pour d'autres sources. Finalement, en important les cartes obtenues par le modèle Illuminadans Google Earth, nous pourrons associer ces observations à des régions spécifiques du Québec afin de connaître les endroits les plus problématiques pour l'Observatoire du mont Mégantic en matière de pollution lumineuse. Ces zones critiques ciblées lors de l'analyse des résultats pourront ensuite être classées par ordre d'importance afin de minimiser stratégiquement l'impact de la pollution lumineuse sur l'OMM et de contrôler de façon efficace l'ajout de nouveaux lampadaires aux environs de l'Observatoire. Ces cartes représentant la situation lumineuse pourront finalement être diffusées sur le web dans le but de renseigner la population et plus spécifiquement de transférer l'information aux employés du parc national dans le cadre d'une rencontre. Matériel et instrumentationPour permettre la réalisation de ce projet, nous utiliserons les outils suivants:
ExpérimentationLes étapes à effectuer au cours de ce projet étant très techniques, elles sont expliquées en détail dans un document qui est disponible en annexe sous le nom de Guideillumina . Elles ne sont pas énumérées ici dans le but d'alléger le présent rapport. Nous nous contentons de présenter brièvement l'allure de l'expérimentation. 1 - Formater les intrants fournis par Jean-Denis Giguère afin qu'ils soient utilisables par le programme ols2lum. 2 - Récolter les autres intrants à l'aide de Google Map, de sites météorologiques et de sites immobiliers, tel que décrit dans la méthodologie pour chaque intrant. 3 - Exécuter le programme ols2lum pour créer les fichiers de lampadaire. 4 - Créer le fichier de création des expériences d'exécution makeBATCH. 5 - Exécuter le programme illumina en lançant TortureMammouth. Analyse des résultatsContrôle de la pollution lumineuse à l'OMMTel que prévu, le modèle ILLUMINA nous a permis d'obtenir une carte de contribution et une carte de sensibilité à la pollution lumineuse pour chaque saison, soit l'été et l'hiver, et chaque année analysée, soit 2005 et 2009, pour un total de huit cartes. Il est important de spécifier que les zones à laquelles font référence les tableaux suivants correspondent à celles de la Réserve Internationale de Ciel Étoilé.
Si l’on compare les figures 13 et 14, on observe que la contribution s’est étalée au-delà de la zone 1 et est maintenant concentrée à la frontière de la zone 2, et ce, depuis l'instauration de la RICE. Tableau 1 - Pourcentage de contribution lumineuse vers le haut l'été
Le tableau 1 présente les pourcentages cumulés des différentes zones. Pour ce qui est de la zone 1, il y a eu une baisse évidente de la contribution, qui s’explique par le remplacement des lampadaires de type Cobrahead par des lampadaires de type Helios, ainsi que par la baisse d’intensité de la lumière émise par ceux-ci. La diminution importante de la contribution de la zone 1 a entraîné une augmentation de la contribution au niveau de la zone 2 et de la ville de Sherbrooke. En ce qui concerne le stationnement et ses environs, la diminution est probablement causée par le remplacement des sentinelles (lampadaire de ferme) par des modèles pointant vers le bas et par l’élimination des lampadaires sur la route menant à l’OMM. Il est également possible de constater que Montréal ne fait pas partie des zones critiques de contribution à la pollution lumineuse observé au zénith à l’OMM. Comme pour Sherbrooke et la zone 2, il y a eu une légère augmentation de sa contribution. Il est toutefois important de mentionner que si nous avions mesuré la pollution lumineuse détectée au sommet du mont Mégantic selon un angle plus bas qu'au zénith, la contribution de villes comme Sherbrooke et Montréal serait sans doute plus élevée. Tableau 2 - Radiance relative totale l'été
Nous avons également déterminé la valeur de radiance relative détectée à l’OMM au zénith. Cette valeur correspond au total de la contribution de chaque zone. Cette valeur est passée de 1 à 0,65, ce qui représente une diminution de 35%. En fait, on peut affirmer que la pollution lumineuse vers le haut observé à l’observatoire du mont Mégantic a chuté de 35%. Tableau 3 - Variation de la contribution lumineuse à la radiance l'été pour différentes zones
En combinant les informations de pourcentage de contribution et de radiance relative totale, il est possible de calculer la variation de pollution lumineuse provenant de différentes régions. Le tableau 3 sert à comparer les valeurs de 2005 avec celles de 2009 en considérant les valeurs de 2005 comme étant égale à 100%. La grande variation observée dans la zone 1 est due au changement de type de lampadaire et à la diminution de leur l’intensité. Selon nous, l’augmentation de contribution en radiance de la zone 2 s’explique par l’agrandissement des villes, donc l’ajout de nouveaux lampadaires. À Sherbrooke, on observe une légère diminution. Il est possible que la substitution de quelques lampadaires Cobrahead pour des modèles Helios ait engendré une diminution de radiance provenant de cet endroit, mais celle-ci a été minimisée en raison de l’ajout de nouveaux lampadaires, comme pour la zone 2. Pour ce qui est du stationnement, les réglementations sont à l’origine de la baisse importante de radiance provenant de cet endroit. La contribution de Montréal à la pollution lumineuse n’a pas varié de façon significative; notre hypothèse est que cette ville est déjà très développée et que l’ajout de lampadaire n’a pas été nécessaire entre 2005 et 2009.
En comparant les deux cartes de contribution pour l’hiver, soit les figures 15 et 16, il est possible de remarquer que les zones de contribution sont beaucoup plus concentrées à l’OMM en hiver par rapport au scénario observé l'été et illustré aux figures 13 et 14. En effet, entre 2005 et 2009, il est beaucoup plus difficile de distinguer l’implantation du rayon de 25 km de la RICE dans lequel les lampadaires ont été changés pour le modèle Helios, plus récent et émettant moins de 1% de lumière au-dessus de l'horizon. Cette constatation peut être expliquée par la présence de neige, qui est très réfléchissante en raison de sa blancheur. En effet, les sources à proximité de l’Observatoire contribuent davantage à la pollution lumineuse détectée au zénith à cet endroit, car les rayons qui sont réfléchis à la verticale après avoir frappé le sol sont directement dirigés vers l’Observatoire. À l’inverse, les rayons réfléchis à la verticale en provenance des zones lumineuses situés plus loin du sommet du mont Mégantic ne sont pas beaucoup perçus et donc contribuent moins à la pollution lumineuse au zénith. Tableau 4 - Pourcentage de contribution lumineuse vers le haut l'hiver
Le tableau 4 présente les pourcentages de contribution au zénith des différentes zones. Dans le premier cas, soit la zone 1, il est possible de remarquer une diminution de la contribution, certes importante, mais bien inférieure à celle qui a été observée dans le cas de l’été. Ceci peut être attribué à la présence de neige, qui comme nous l'avons mentionné précédemment, augmente la contribution des sources lumineuses à proximité de l’Observatoire. En fait, malgré cette particularité de la saison froide et l’implantation des lampadaires Helios, qui projettent pratiquement toute la lumière directement vers le sol (à l’inverse des Cobrahead), une diminution de la contribution a tout de même pu être observée dans la zone 1 principalement en raison de la diminution de l’intensité de ces lampadaires. En effet, sans cette diminution d’intensité, il est fort probable qu’une augmentation de la contribution au zénith aurait pu être observée l'hiver étant donné l’angle d’émission à la verticale des lampadaires Helios. Cependant, dans la zone 2, une augmentation de la contribution lumineuse a pu être observée entre 2005 et 2009, ce qui peut être attribué simplement à la diminution de celle observée dans la zone 1 afin de conserver au total un pourcentage de 100%. Pour la même raison, une augmentation peut aussi être détectée dans la ville de Sherbrooke. En ce qui concerne cette fois le stationnement et la tache qui l’englobe, la diminution illustrée dans le tableau 4 peut s’expliquer encore une fois par le remplacement des lampes de fermes par des modèles plus récents. Finalement, en ce qui concerne Montréal une légère augmentation peut être observée pour la même raison que celle qui s’est également produit à Sherbrooke et dans la zone 2. Tableau 5 - Radiance relative totale l'hiver
Le tableau 5 permet d’observer une diminution globale de la radiance relative de 35% entre 2005 et 2009. Par conséquent, cela permet de conclure que la pollution lumineuse a diminué de 35% depuis l’implantation de la Réserve Internationale de Ciel Étoilé. Tableau 6 - Variation de la contribution lumineuse à la radiance l'hiver pour différentes zones
Le tableau 6 montre le pourcentage de la radiance relative de chaque zone analysée afin de vraiment visualiser la variation de la pollution lumineuse entre 2005 et 2009, en attribuant une valeur de 100% à la radiance détectée en 2005. En ce qui concerne la zone 1, il est possible de remarquer une variation de -59,37%, ce qui peut principalement être expliqué par la diminution de l’intensité des lampadaires dans cette zone, et non leur remplacement, tel que détaillé précédemment. De plus, une diminution, moins importante, mais tout de même observable, s’est produite dans la zone 2. Ceci s’explique par le remplacement de certains lampadaires par des modèles Helios, et donc une diminution de l’intensité lumineuse à certains endroits dans cette zone. En effet, les limites de la zone 1 que nous avons prises en comptes ne sont pas nécessairement exactes, car en réalité cette zone ne forme pas un cercle parfait. Par conséquent, certains endroits que nous avons catalogués dans la zone 2 ont subit les mesures appliquées à la zone 1. Ensuite, la ville de Sherbrooke a également subit une réduction de la pollution lumineuse entre 2005 et 2009, ce qui peut dans ce cas s’expliquer par le début de l’implantation de lampadaires du type Helios dans certaines partie de la ville. Également, la radiance relative détectée au stationnement de l’ASTROlab et ses environs a été réduite en raison de la réglementation qui s’est appliquée suite à l’implantation de la Réserve Internationale de ciel étoilé aussi à cet endroit, faisant partie de la zone 1. Finalement, une légère augmentation de la pollution lumineuse en provenance de Montréal et détectable au zénith à l’Observatoire du mont Mégantic a pu être observée, mais cette dernière, soit 0,004%, n’est pas assez importante pour en tirer véritablement une conclusion à ce sujet. Avant de passer à l’analyse des cartes de sensibilité à la pollution lumineuse, rappelons ce à quoi correspondent exactement ces cartes. La sensibilité d’un km2 est en fait le portrait de l’impact des lampadaires qui se trouvent à cet endroit, non pas en terme de leur contribution à la pollution lumineuse détectée à l’OMM, mais plutôt en terme de leur apport individuel à la contribution globale du km2 dans lequel ils se trouvent. Le modèle ILLUMINA effectue un rapport entre la contribution d’une aire donnée et la luminosité provenant de cette aire. Une aire qui contribue fortement à la pollution lumineuse tout en émettant une faible luminosité sera considérée comme étant très sensible, tandis qu’une aire dont la contribution est faible mais où la luminosité est très forte sera considérée comme étant peu sensible. Évidemment, plus on se trouve à proximité de l’Observatoire, plus on risque d’avoir affaire à une zone sensible. Pour expliquer les choses de façon simple, si on veut faire diminuer la pollution lumineuse et qu'on a à choisir entre deux lampadaires identiques éclairant selon la même intensité, les cartes de sensibilité nous indiqueront lequel il serait le plus pertinent de retirer. Les zones les plus sensibles apparaîtront dans des teintes allant du rouge au jaune, comme l’indique l’échelle sur les cartes. Cela permettra d’identifier les municipalités auprès desquelles il serait le plus urgent d’agir, dans le but de mener une intervention efficace.
Pour la saison d’été, les cartes de sensibilité à la pollution lumineuse (figures 17 et 18) affichent clairement une différence entre l’année 2005 et l’année 2009. On distingue sur la carte de 2005 que les zones les plus sensibles se trouvent immédiatement autour de l’Observatoire, résultat auquel on pouvait s’attendre. Il semble que la ville de La Patrie ainsi que la zone à proximité du stationnement de l’ASTROLab soient les plus critiques. Au-delà de la zone 1, l’impact des lampadaires semble être négligeable. En 2009, le scénario est complètement différent. La conversion du type de lampadaires et la diminution de leur intensité semble avoir été des mesures suffisamment efficaces pour que malgré sa proximité avec l’OMM, la zone 1 n’ait plus un impact important. On distingue clairement la ceinture correspondant à la frontière de la zone 2, où sont situés les lampadaires de type Cobrahead les plus près du mont Mégantic. Il est même possible d’identifier les municipalités de St-Cécile de Whitton, Stornoway, Gould, Bury et Island Brook, comme étant particulièrement exposées à nuire à la situation lumineuse de la région. Également, la répartition des zones sensibles s’est répandue suite à l’instauration de la RICE, puisque les zones colorées occupent une aire plus grande en 2009 qu’en 2005. Il semble qu’un phénomène semblable à celui que l’on peut observer sur les cartes de contribution se soit produit dans le cas des cartes de sensibilité, et que les zones sensibles aient cessé d’être localisées sur un territoire restreint.
Les figures 19 et 20 montrent les cartes de sensibilité à la pollution lumineuse pour la saison d'hiver. Comme on a pu l'observer sur les cartes de contribution, les zones critiques semblent beaucoup plus rapprochées de l'OMM en hiver, par rapport à ce à quoi on assiste en été. La différence entre l'année 2005 et l'année 2009 est aussi beaucoup moins marquée. Il est impossible de repérer le cercle de 25 km de rayon correspondant à la zone 1, lorsque celle-ci a été soumise à la réglementation. Encore une fois, cette situation peut être attribuable à la présence de la neige, qui d'une part semble diminuer l'impact de la conversion des lampadaires puisqu'elle réfléchit de façon identique la lumière provenant des modèles Helios et Cobrahead. D'autre part, la neige réfléchit principalement vers le haut la lumière qu'elle reçoit, ce qui explique que la pollution lumineuse détectée au zénith à l'Observatoire proviennent des sources rapprochées et non des sources éloignées, dont les réflexions vont se perdre dans l'espace, directement au-dessus de leur site de provenance. Face à ces résultats, force est de constater que les cartes de la saison d'été s'avèrent beaucoup plus révélatrices que celles de l'hiver, lorsqu'il s'agit d'illustrer les effets de l'instauration de la RICE, puisque la présence de la neige semble uniformiser les caractéristiques des différentes zones. RéférencesAubé, M., O'Neill, N.T., Giguère, J.-D., Royer, A. (2009) Using Artificial Sky Glow to Retrieve Night Time Aerosol Optical Depth, EGU General Assembly, Vol. 11, EGU2009-2591, Vienna. Aubé, M. (2010) Heterogeneous modeling of artificial sky luminance. [http://www.cegepsherbrooke.qc.ca/~aubema/index.php/Prof/IllumEn] P. Zieger, R. Fierz-Schmidhauser, M. Gysel, J. Str¨om, S. Henne, K. E. Yttri, U. Baltensperger, and E.Weingartner, « Effects of relative humidity on aerosol light scattering in the Arctic », Atmos. Chem. Phys., 10, 3875–3890, 2010. HyperPhysics, Department of Physics and Astronomy, Georgia State University, “Relative Humidity”, [http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/kinetic/relhum.html]. Adam Voiland, NASA’s Earth Science News Team (2010). [http://www.nasa.gov/topics/earth/features/health-sapping.html]. Nation Master (2010). [http://www.nationmaster.com/graph/ene_coa_con-energy-coal-consumption]. Joseph Kahn, The New York Times, 26 août 2010, “As China Roars, Pollution Reaches Deadly Extremes”, [http://www.nytimes.com/2007/08/26/world/asia/26china.html]. Réseau AERONET, NASA. Consulté le 4 novembre 2010. [http://aeronet.gsfc.nasa.gov/cgi-bin/type_piece_of_map_opera_v2_new?long1=-180&long2=180&lat1=-90&lat2=90&multiplier=2&what_map=4&nachal=1&formatter=0&level=3&place_code=10&place limit=0] Astrolab du Mont-Mégantic, site consulté en 2010. [http://www.astrolab-parc-national-mont-megantic.org/fr/pollution_lumineuse.htm]. Instituto de Astrofisica de Canarias. Site consulté en 2010. [http://www.iac.es/eno.php?op1=4&op2=10&lang=en] Groupe d'Experts Intergouvernemental sur l'Évolution du Climat, Quelles sont les principales sources d'émission du dioxyde de carbone?, consulté le 6 novembre 2010, [http://www.votreimpact.org/sources-de-co2.php]. Réseau Photons/Aeronet, Le réseau de Photomètres Solaires, consulté le 5 novembre 2010, [http://www-loa.univ-lille1.fr/Accueil/fr/science_pour_tous_fichiers/photometres_fichiers/fonc_photometre.html] WorldLingo, Particulaire, consulté le 4 novembre, [http://www.worldlingo.com/ma/enwiki/fr/Particulate] Chimistes pour l'environnement, Aérosols atmosphériques et changements climatiques, consulté le 5 novembre 2010, [http://chimistes-environnement.over-blog.com/article-aerosols-atmospheriques-et-changements-climatiques-49895373.html] M. Tombette, Modélisation des aérosols et de leurs propriétés optiques sur l’Europe et l’Ile de France : validation, sensibilité et assimilation de données, consulté le 3 novembre 2010, [http://cerea.enpc.fr/fich/these_tombette.pdf] CNES, La grande famille des aérosols, consulté le 7 novembre 2010, [http://www.cnes.fr/web/CNES-fr/6056-la-grande-famille-des-aerosols.php] G. Bergametti, Les aérosols atmosphériques, consulté le 6 novembre 2010, [http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/dosclim/rechfran/4theme/pagsuiv7.htm] Y. Fouquart, Pourquoi tant d'incertitudes sur les prévisions climatiques?, consulté le 4 novembre 2010, [http://www.futura-sciences.com/fr/doc/t/climatologie/d/pourquoi-tant-dincertitudes-sur-les-previsions-climatiques_638/c3/221/p3/] Wikipédia, Pollution lumineuse [http://fr.wikipedia.org/wiki/Pollution_lumineuse] International Dark-Sky Association, consulté le 23 janver 2011 [http://www.darksky.org/mc/page.do;jsessionid=8DA1959370C5AF58AF003C51BA677917.mc0?sitePageId=119791] Ophtalmologie, Section catarcte, consulté le 27 janvier 2011 [http://www.ophtalmologie.fr/operation-cataracte.html] |
