La lumière naturelle, partie visible du rayonnement énergétique provenant du soleil… Part. II
La lumière naturelle est la partie visible du rayonnement énergétique provenant du soleil. Sa disponibilité dépend de nombreux paramètres dont la position du soleil et la couverture nuageuse. La distribution de la lumière naturelle provenant du soleil et de la voûte céleste peut être modélisée par différents types de ciel.
Les grandeurs photométriques permettent de quantifier la lumière naturelle reçue par une surface : l’éclairement, et l’impression visuelle produite : la luminance. L’éclairement est la grandeur la plus utilisée même si elle n’est pas toujours la plus adaptée pour caractériser les ambiances lumineuses.
Les objets et matériaux absorbent, réfléchissent ou transmettent la lumière naturelle de manière plus ou moins sélective. C’est notamment au travers de ces processus que sont définies les couleurs et les luminances perçues par l’œil.
Origine et caractérisation de la lumière naturelle
La source de lumière naturelle : le rayonnement solaire visible
La lumière naturelle est la partie visible du rayonnement électromagnétique provenant du soleil. Les longueurs d’onde de son spectre s’étendent de 380 à 780 nanomètres pour la vision diurne.
La composition du rayonnement énergétique global est variable sur la planète et au cours de l’année, elle varie également selon les sources. En première approximation, on peut dire que la répartition est d’environ la moitié de rayonnement visible et l’autre moitié de non-visible. Néanmoins, on peut trouver des données chiffrées :
• 51 % de visible et 49 % de non-visible. [Association Française de l'Éclairage, 1983]
• 48 % de visible et 52 % de non-visible. [Wikipedia]
Le non-visible se décompose entre infrarouge et ultra-violet. 6 % d’UV et 43 % d’IR pour l’AFE, 1 % d’UV et 51 % d’IR pour Wikipédia.
La source de lumière naturelle qui éclaire notre planète est le soleil. Toutefois, la voûte céleste, qui reçoit cette lumière, agit comme un filtre/diffuseur pour une part importante de ce flux direct du soleil. Elle se comporte alors comme un large luminaire de lumière naturelle. En éclairage naturel, on considère deux sources, le soleil (rayonnement direct) et le ciel (rayonnement diffus). Les luminances, les éclairements et la répartition spectrale varient dans la journée en fonction de la position du soleil, mais également de la couverture nuageuse qui est un élément aléatoire.
Flux direct et diffus
Lorsqu’ils traversent l’atmosphère, une partie des rayons du soleil est réfléchie dans l’espace. Une autre partie absorbée par l’atmosphère et les nuages ne parviendra pas jusqu’à la surface terrestre. Une dernière partie, après de nombreuses réflexions dans l’atmosphère, produira le flux diffus de lumière naturelle. Si la couverture nuageuse est faible, une partie du flux lumineux du soleil nous parviendra directement, ce rayonnement constitue le flux direct de la lumière naturelle.
Ainsi la lumière naturelle perçue sur la Terre ne dépend pas seulement du soleil, mais également de la composition de l’atmosphère et de la couverture nuageuse.
Le type de ciel peut être caractérisé en fonction des variations astronomiques et météorologiques. Une classification des différents types de ciel à été développée pour représenter les différents ciels réels.
Meteo-France
Les types de ciel
Un type de ciel est caractérisé par la répartition des luminances sur la voûte céleste en fonction de la position du soleil et de la répartition des nuages.
Deux grands types de ciel sont à distinguer : ceux où le soleil est visible et ceux où il ne l’est pas. On parle ainsi de ciels clairs et de ciels couverts. Lorsque le soleil est alternativement visible et non-visible, on parle de ciel intermédiaire. Il s’agit d’un ciel présentant une couverture nuageuse plus ou moins dense et éparse, des portions de voûte céleste sans nuage et le soleil visible par intermittence.
Il existe des modèles de ciel qui permettent de reproduire analytiquement la répartition de ciels réels.
Les ciels réels
Il existe une infinité de types de ciel, leur caractérisation est souvent complexe car aléatoire.
Les mesures montrent que l’éclairement horizontal extérieur varie selon les types de ciel et selon le lieu, dans nos latitudes :
• entre moins de 5 000 lux l'hiver et plus de 40 000 lux l'été sous ciel couvert,
• lu delà de 100 000 lux en été sous ciel clair.
La fréquence d’occurrence des différents types de ciel réel (clair, couvert ou intermédiaire) varie selon la couverture nuageuse, qui elle-même dépend de la localisation géographique ou encore des saisons.
On observe qu’à Paris, le ciel couvert (sans soleil) apparaît environ 30 % du temps en hiver et 20 % l’été. À l’opposé un ciel clair sans nuage apparaît 30 % du temps en hiver et plus de 40 % l’été.
Du point de vue de l’intérieur d’un bâtiment, un ciel clair et ensoleillé n’apportera pas nécessairement plus de lumière qu’un ciel couvert. En effet, si le soleil direct ne pénètre pas dans le local, comme pour une baie orientée au nord en hiver, un ciel bleu apportera potentiellement moins de lumière qu’un ciel couvert avec une couche uniforme de nuages très blancs.
Les ciels modélisés
La CIE (Commission International de l’Éclairage) propose aujourd’hui 15 modélisations de types de ciels [Perez, 1993]. Elles reprennent toujours le ciel couvert uniforme, le ciel couvert CIE et le ciel clair.
Trois modèles de ciel sont couramment utilisés, ces modèles de ciels (2 ciels couverts et un ciel clair) sont les plus anciens ciels normalisés par la CIE.
Le ciel couvert uniforme : Chaque point de la voûte céleste est caractérisé par la même luminance. Dans la pratique, cela correspond par exemple, à des conditions de brouillard dense. Il est caractérisé par L(θ) = Lz où Lz est la luminance au zénith et L(θ) est la luminance du ciel en un point présentant un angle θ avec la direction zénithale.
Le ciel couvert CIE (ou Moon & Spencer) : ce modèle stipule que la luminance du zénith est trois fois supérieure à celle de l’horizon. Il est caractérisé par L(θ) = L z (1+2sinθ)/3.
Cette modélisation est largement utilisée. C’est notamment la modélisation qui est utilisée pour les calculs de Facteur de Lumière du Jour (FLJ).
Le ciel clair : le ciel clair peut être modélisé par le modèle de ciel tout temps de Pérez dont la formule complexe est fonction de multiples paramètres [Pérez, 93].
Source : satel-light.com
La position du soleil
La position du soleil est caractérisée par les angles et paramètres suivants : la latitude, la hauteur solaire, l’angle d’inclinaison de la terre et l’azimuth.
Pour une latitude LAT, la hauteur solaire H est définie par sin(H) = sin(LAT).sin(d) + cos(LAT). cos(d).cos(AH).
Où AH est l’angle horaire donné par AH (°) = 15 (Ts-12) avec Ts le temps solaire vrai exprimé en heure.
La déclinaison solaire, angle entre le plan de l’équateur et le soleil est donnée par d (°)= 23.45 sin (0.986(284+N)) où N est le nième jour de l’année.
La valeur de l’azimut Az est donnée par sin(Az) = cos(d).sin(AH)/cos(h).
La position du soleil peut être schématisée par un diagramme cartésien, donné ici pour Paris :
Attention, les conventions de l’Association Française de l’Éclairage et de la Commission Internationale de l’Éclairage sont différentes, elles prennent pour référence le Nord à 0° et l’Est à 90°.
Les caractéristiques physiques de la lumière naturelle
Définitions et ordres de grandeur
Pour définir la lumière et son ressenti par l’œil, on utilise les grandeurs suivantes :
Le flux lumineux est la puissance lumineuse émise par une source dans toutes les directions. L’unité de flux lumineux est le lumen, symbole lm.
Un flux d’1 lumen correspond à un flux lumineux d’un faisceau d’une radiation monochromatique de longueur d’onde 555nm pour un flux énergétique de 1/683 Watt.
Par ailleurs, l’efficacité lumineuse est une notion qui traduit le flux lumineux produit par une source par unité de puissance. Ainsi, une lampe à incandescence classique à une efficacité lumineuse de l’ordre de 12 lm/W, un tube fluorescent autour de 80-90 lm/W.
L’éclairement lumineux correspond à un flux lumineux reçu par unité de surface. L’unité d’éclairement lumineux est le lux, symbole lx.
Un éclairement lumineux de 1 lux, correspond à un flux lumineux de 1 lumen couvrant uniformément une surface de 1 mètre carré (m2).
En ciel clair à midi en été, l’éclairement horizontal peut atteindre 100 000 lux.
L’intensité lumineuse est le flux lumineux émis par une source lumineuse ponctuelle dans une direction donnée. L’unité de l’intensité lumineuse est la candela, symbole cd.
Une intensité de 1 candela correspond à un flux lumineux d’1 lumen dans un angle solide d’1 stéradian, 1 candela correspond à l’intensité lumineuse produite par une bougie.
La luminance lumineuse est l’intensité lumineuse d’une source dans une direction donnée, divisée par l’aire apparente de cette source dans cette même direction. L’unité est la candela par mètre carré.
La luminance lumineuse est la seule grandeur photométrique appréciable par le système visuel.
Pour se repérer l’on peut indiquer que la luminance du soleil peut dépasser 109 cd/ m2 et qu’une source peut commencer à devenir éblouissante en éclairage naturel à partir de 2000 cd/m2.
La température de couleur caractérise la couleur apparente de la lumière émise par une source. Elle est exprimée en KELVIN. Cette notion renseigne sur l’ambiance d’un espace éclairé et permet de classer une source lumineuse en :
• « teinte chaude « TK < 3300° K (lumière blanche, orangée, soleil à l’horizon),
• « intermédiaire » TK entre 3300° et 5000° K (lumière blanche, neutre),
• « teinte froide » TK > 5000° K (lumière très blanche, bleutée, soleil au zénith).
Le cœfficient de réflexion lumineuse
Le facteur de réflexion lumineuse d’une surface (ρ ou Rho) est la quantité d’énergie lumineuse qu’elle réfléchit par rapport à celle qu’elle reçoit. Ce facteur de réflexion, aussi appelé coefficient de réflexion hémisphérique, se décompose en facteur de réflexion spéculaire et facteur de réflexion diffuse.
Quelques exemples :
• Réflexion spéculaire : un miroir,
• Réflexion diffuse parfaite : matériau théorique dit lambertien,
• Réflexion diffuse quelconque : la majorité des peintures mates,
• Réflexion mixte : peintures laquées.
Le tableau suivant donne des exemples de valeurs de cœfficient de réflexion lumineuse (Rho) :
Le cœfficient de transmission lumineuse
Le cœfficient de transmission lumineuse (τ ou TL) est le rapport du flux lumineux transmis au flux incident. Il définit la part de lumière visible que traverse un matériau. Cette transmission se décompose en une transmission directionnelle ou spéculaire et une transmission diffuse.
Exemples :
• Transmission directionnelle : vitrage clair
• Transmission diffuse parfaite : matériau théorique
• Transmission diffuse quelconque : vitrage sablé
• Transmission mixte : papier calque, store toile micro perfore
