Les rayonnements électromagnétiques

L’homme est exposé à une grande variété de sources d’énergie naturelles ou artificielles qui émettent un rayonnement sur plusieurs bandes du spectre électromagnétique.

Les rayonnements électromagnétiques se déplacent dans le vide à grande vitesse. On peut les considérer comme des ondes ou des particules qui se déplacent en ligne droite.
Ils se caractérisent par leur vitesse, leur fréquence et leur longueur d’onde l.

Le spectre solaire

Le rayonnement solaire ne correspond qu’à une partie du spectre des ondes électromagnétiques. Le soleil dégage autour de lui une énergie de 66 millions de W/m², produite par des réactions nucléaires en chaîne. Seule une fraction de cette énergie atteint les limites de notre atmosphère. Elle vaut 1 353 W/m² et est appelée constante solaire. L’énergie reçue au niveau du sol est plus faible que cette valeur car l’atmosphère absorbe une partie du rayonnement solaire (environ 15 %) et la réémet dans toutes les directions sous forme de rayonnement diffus. L’atmosphère réfléchit une autre partie du rayonnement solaire vers l’espace (environ 6 %). Le rayonnement global au niveau du sol se définit donc comme la somme du rayonnement direct et du rayonnement diffus. L’énergie reçue par une surface dépend en outre de la saison, de la latitude, des conditions météorologiques, du relief, de la pollution, de l’orientation de la surface considérée, etc.

Le spectre solaire se répartit selon trois types de rayonnement :

• Les ultraviolets (UVA et UVB) qui ont une longueur d’onde comprise entre 280 et 380 nm. Ils représentent environ 5 % de la quantité totale du rayonnement solaire.

• la partie visible du spectre. Il s’agit de la partie du rayonnement solaire compris entre 380 et 700 nm. C’est dans ce domaine visible que l’énergie solaire est la plus intense. Elle représente 50 % de la quantité totale du rayonnement solaire.

• Les infrarouges (IRA et IRB) qui correspondent aux longueurs d’ondes comprises entre 700 et 2 500 nm. Ils représentent environ 45 % du spectre solaire.

Le ciel

Un ciel intermédiaire

La partie du rayonnement solaire qui est absorbée et réémise par l'atmosphère constitue ce qu'on appelle l'éclairage provenant du ciel.

La disponibilité de la lumière naturelle dépend de la position du soleil dans le ciel- définie par l'heure et la position géographique du lieu considéré - mais aussi des conditions météorologiques (couverture nuageuse), du relief, de la pollution, de l'orientation de la surface...

Vu la multitude de conditions météorologiques existantes, des ciels standards ont été établis pour les études d'éclairage naturel. Chacun de ces ciels est caractérisé par la répartition de sa luminance sur la voûte céleste.

Le modèle le plus simple est le ciel uniforme. Sa luminance est indépendante des paramètres géométriques : elle est constante en tout point du ciel à un moment donné. Cette situation correspond à un ciel couvert d’une couche épaisse de nuages laiteux ou à une atmosphère, pleine de poussières, dans lequel le soleil n’est pas visible.

Le second type de ciel standardisé est celui du ciel couvert établi par la Commission Internationale de l’Éclairage (CIE), pour lequel la luminance en un point varie en fonction de sa position sur la voûte céleste, suivant la loi :

où Lz représente la luminance au zénith et q la hauteur de la zone du ciel considérée. La luminance au zénith est donc trois fois plus élevée que la luminance de l’horizon. Ce modèle correspond à un ciel de nuages clairs cachant le soleil. Dans ce cas, la symétrie autour de la direction zénithale indique que l’orientation d’une baie verticale est sans effet sur le niveau d’éclairement intérieur.

Un troisième type de ciel est le ciel clair, pour lequel les valeurs de luminance varient en fonction de paramètres géométriques et de la position du soleil. Le ciel clair émet un rayonnement diffus qui dépend de la variation de la position du soleil, mais n’intègre pas le rayonnement solaire direct. Ce modèle simule la composante diffuse de l’éclairement d’un ciel serein.

Un quatrième type de ciel est le ciel clair avec soleil. Alors que les trois modèles précédents ne font intervenir que la composante diffuse du rayonnement solaire, le ciel clair avec soleil prend en compte son rayonnement global, c’est-à-dire la somme des rayonnements directs et diffus. Ce quatrième type de ciel correspond à un ciel serein au sein duquel le soleil brille. Le ciel clair avec soleil offre la possibilité d’étudier les jeux d’ombres et de lumière ainsi que les risques d’éblouissement dus à la pénétration du soleil dans un bâtiment.