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Albédo

rapport énergie solaire réfléchie / énergie solaire incidente
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L'albédo, ou albedo (sans accent), est le pouvoir réfléchissant d'une surface, c'est-à-dire le rapport du flux d'énergie lumineuse réfléchie au flux d'énergie lumineuse incidente. C'est une grandeur sans dimension, comparable à la réflectance, mais d'application plus spécifique, utilisée notamment en astronomie, climatologie et géologie.

Variation de l'albédo par ciel clair selon la surface.

Étymologie

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Le substantif[1] masculin[2] albédo est emprunté[1],[2] au latin[2] tardif (bas latin)[1] albedo, substantif féminin[3] signifiant blancheur[1],[4]. Il a été introduit au XVIIIe siècle en optique et en astronomie par le mathématicien et astronome Jean-Henri Lambert.

Définitions

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L'albédo, dans sa définition la plus courante dite albédo de Bond, est une valeur comprise entre 0 et 1 : un corps noir parfait, qui absorberait toutes les longueurs d'onde sans en réfléchir aucune, aurait un albédo nul, tandis qu'un miroir parfait, qui réfléchirait toutes les longueurs d'onde, sans en absorber une seule, aurait un albédo égal à 1. D'autres définitions, dont celle de l'albédo géométrique, peuvent donner des valeurs supérieures à 1.

Le terme albédo (en anglais single scattering albedo[5],[6]) est également utilisé en transfert radiatif pour décrire la part de la diffusion dans l'extinction totale d'un milieu semi-transparent. Il s'agit donc d'une quantité comprise entre 0 (pas de diffusion) et 1 (pas d'absorption).

Mesures

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La lave a un albédo très faible et réfléchit peu la lumière : elle apparaît noire alors que la neige fraîche, d'un albédo très élevé, paraît très blanche.
Type de surface Albédo de Bond
(de 0 à 1)
Corps noir parfait 0,00
Surface de lac 0,02 à 0,04
Forêt de conifères[7] 0,05 à 0,15
Forêt de feuillus[7] 0,15 à 0,20
Surface de la mer 0,05 à 0,15
Sol sombre 0,05 à 0,15
Cultures 0,15 à 0,25
Sable léger et sec 0,25 à 0,45
Calcaire[8] 0,40 environ
Nuage 0,50 à 0,80
Glace 0,60 environ
Neige tassée 0,40 à 0,70
Neige fraîche 0,75 à 0,90
Miroir parfait 1,00

Dans la pratique, un corps est perçu comme blanc dès qu'il réfléchit au moins 80 % de la lumière d'une source lumineuse blanche. À l'inverse, tout corps réfléchissant moins de 3 % de la lumière incidente paraît noir.

Certaines matières ont un albédo très variable, comme les nuages. En revanche, les corps solides ont bien souvent des albédos fixes, dépendant de leur composition chimique. Par exemple, la lave a un albédo de 0,04, le sable entre 0,25 et 0,30, la glace environ 0,60, la neige (épaisse et fraîche) jusqu'à 0,90. L'albédo moyen terrestre est de 0,30 toutes surfaces confondues. L'appareil qui mesure l'albédo est un albédomètre, composé d'un ou deux pyranomètres.

Usages

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Climatologie

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L'albédo est l'un des indicateurs renseignant sur la température de la surface de la Terre. C'est un « baromètre » des variations climatiques qui influe sur la connaissance de l'amplitude de l'effet de serre en opposant une rétroaction positive (qui s'autoalimente) sur la température en surface et des océans, en fonction de la variation du volume des glaces.[pas clair]

Le refroidissement d'origine astronomique entraîne une extension des glaces continentales, de l'inlandsis, des glaciers, et donc une augmentation de l'albédo ; la planète réfléchit davantage le rayonnement solaire, en absorbe moins, ce qui amplifie son refroidissement. Le réchauffement a des effets inverses. Ce qui pose un problème aujourd'hui : le réchauffement de la planète fait fondre la banquise polaire, ce qui diminue l'albédo et donc augmente la température de la planète. La planète Terre présente un albédo de Bond de 0,31[9]-0,34[10].

Afin de lutter contre le réchauffement climatique, une piste de recherche consisterait à provoquer à grande échelle des nuages artificiels provoquant une augmentation de l'albédo terrestre[11]. En l'absence de recul et de maîtrise de la technologie, cette piste est cependant repoussée.

Lutte contre la chaleur

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Un diagramme de l'EPA illustre l'albédo de différentes surfaces : de 10 à 15 % pour la tôle à 50 % à 90 % pour un toit peint en blanc.
 
Vue au microscope électronique de pigments thermochromiques, qui s'éclaircissent (augmentation de l'albédo) quand la température dépasse 28 °C[12].
 
Micrographies optiques (au stéréomicroscope) d'un pigment thermochromique.
Image (a) : en sous de la température de transition de couleur, qui est pour ce matériau de 28 °C et (b) au-dessus de cette valeur. En réalité, vu par l'œil humain sur une grande surface, le matériau apparaît noir dans le premier cas, et clair dans le second[12].

Les toits et terrasses sont les principaux stocks passifs de calories des bâtiments car, les plus exposés au rayonnement solaire direct[13],[14],[15]. Peindre les murs et terrasses exposés au soleil en blanc (à la chaux) est une méthode ancienne localement courante dans certaines îles et pays du pourtour méditerranéen, et en Amérique du Sud[16]. Depuis la fin du XXe siècle, des revêtements (peintures, matériaux) à forte réflectivité solaire et/ou à forte une émissivité thermique dans les infrarouges lointains (GLO : 5 à 50µm) élevés sont apparus sur les marchés, souvent associés au mot « Cool » (cool-roof, pour les toitures, cool paints pour les peintures, et parfois « cold materials», pour les chaussées[17].

La ville de Los Angeles a peint certaines chaussées en blanc. Leur température a baissé de 6 à 7 °C lors des canicules[18].

Un dispositif proche « (cool roofing ») à New York a consisté à peindre des toits en blanc, a diminué leur température (jusqu'à 15 °C de moins)[19] ; New-York, plus d'un million de mètres carrés auraient ainsi été peints en blanc entre 2009 et 2023[16].

Un rapport estime que pour les blocs d'immeubles, peindre en blanc murs et trottoirs permettrait une économie d'énergie liée à la climatisation de 10 à 30 %[20] voire 40 % si le toit est peint en blanc[16] (peindre une toiture sombre en blanc peut entraîner une réduction de la température de 6 à 7 °C en été sous ce toit)[16]. Le PTFE a la meilleur performance avec une réflectivité supérieure à 0,9 sur le spectre des longueurs d'onde reçues du soleil (avec 80 % des UV réfléchis vers le ciel, soit bien plus que pour la plupart des autres matériaux blancs)[17].

Cette modification importante des propriétés radiatives des surfaces construites[21],[17], peut « passivement »[22] significativement diminuer les effets des bulles de chaleur urbaines sur le confort intérieur, mais n'est cependant pas dénuée d'inconvénients[16] :

  • durant la journée, toute les fois où l'indice UV est élevé, la peinture blanche réflégissante contribue (par temps ensoleillé ou non) à renvoyer les UV solaires vers l'atmosphère, ce qui exacerbe alors la pollution photochimique et en particulier la production d'ozone troposphérique (des basses couches de l'atmosphère). Or l'ozone est l'un des polluants de l'air problématique, qui est déjà en forte croissance ;
  • A un instant T, dans un logement sous une toiture ou terrasse de couleur blanche, la consommation énergétique d'une climatisation est diminuée. Mais en réfléchissant les infrarouges reçus du soleil vers la basse atmosphère, le blanchiment du bâti contribue aussi à réchauffer les basses couches de l'air par temps ensoleillé, en générant peut-être des effets convectifs encore mal compris[23]. Si la masse d'air environnante contient des poussières, de la vapeur d'eau ou des particules (ex. : noir de carbone fréquent dans les villes et contextes industriels), et qu'il y a peu de vent, elle absorbera une partie des infrarouges réverbérés par la peinture, et se réchauffera. Ainsi, en été, à la Rochelle, on a montré que les bâtiments thermiquement isolés participent davantage à l'îlot de chaleur urbain, même si le toit est blanchi[23] (ce qui permet néanmoins au logement de moins surchauffer la journée si ses fenêtres restent fermées).
  • dans les pays froids en hiver, ou dans les régions tempérés (pour des toitures peu ou mal isolés thermiquement), la peinture blanche, en hiver, réfléchira aussi les rayons du soleil qui auraient pu réchauffer le bâtiment ce qui peut entraîner une surconsommation d’énergie pour le chauffage, au détriment des effets espérés d'économies d'énergie et de moindre émission de GES. Une étude (2016)[24] néo-zélandaise a comparé la température des toitures, et des pièces sous-jacentes (au plafond isolé) de deux bâtiments voisins et de structure presque identiques à Auckland, l'un avec un toit métallique rouge et l'autre avec un toit métallique blanc. L'étude a conclu qu'en automne et en hiver, sous le climat tempéré d’Auckland, « la couleur du toit d’une structure isolée au plafond a très peu d’impact sur la température de l'espace occupé et isolé thermiquement, mais que pendant les périodes les plus chaudes de la journée, il peut y avoir jusqu'à 10 °C de différence de température dans le toit lui même ».
  • les terrasses blanches, et même les toits blancs, surtout s'ils sont peu inclinés, et notamment en ville ou en contexte industriel s'encrassent rapidement, devenant gris ou plus ou moins recouverts de lichens et de biofilms de cyanobactéries, mousses, champignons, etc. faisant que les architectes et urbanistes, pour des raisons esthétiques et de coût et difficultés de rénovation/entretien, se refusent souvent à les utiliser[25].
    À la différence des peinture à la chaux traditionnelles, les peintures modernes conçues pour l'extérieur des bâtiments contiennent pour cette raison des biocides parfois dits agents antisalissants, toujours toxiques et écotoxiques. Ils sont retrouvés dans les eaux pluviales qui ont ruisselé sur la peinture (une étude sur leur lessivage par les pluies a en outre constaté que l'on trouve dans ces peintures des biocides non déclarés par le fabricant, et que que « les concentrations de certains biocides [dans l'eau de ruissellement] peuvent atteindre des niveaux importants, en particulier après des pluies de faible intensité. »[26], ce qui est un problème alors que dans le contexte du dérèglement climatique, la récupération et utilisation des eaux de toiture est l'un des moyens de faire face aux pénurie d’eau dans le monde[27], parfois directement sur des toitures support d'une production maraîchère sur toiture dans le cadre d'une Agriculture urbaine[28].
  • le pigment le plus couvrant et le plus réfléchissant, et maintenant largement le plus utilisé dans les peintures industrielles blanches commercialisées pour un usage extérieur est le dioxyde de titane (classé cancérogène possible quand il est inhalé ou ingéré sous forme de particules fines).
  • enfin, lors de canicules extrêmes, un matériau réfléchissant (qui renvoie la chaleur reçue du soleil dans l'air) ne suffit pas à protéger les personnes. Ainsi, à la Mecque, le sol qui entoure la Kaaba et la toiture de la galerie périphérique ainsi que les arches qui la supportent sont faits de marbre blanc poli qui réfléchit la lumière vers le ciel. En juin 2024, lors du Hadj, près de 1000 personnes sont mortes de chaud, et certains pèlerins on décrit le sol du déambulatoire qui entoure sur une terrasse la cour centrale comme brûlant[29].

Selon Maxime Doya (2010), « les performances des toitures cool sont exemplaires pour les structures dont l’emprise au sol est supérieure à la surface des façades, mais le piégeage radiatif entre les façades des rues canyons (de son étude) rend le résultat moins évident » ; les gains seront ainsi en France « très faibles en valeur absolue pour de petites toitures sur des bâtiments résidentiels (thermiquement isolés) », mais la pose de revêtements réfléchissants est « économiquement rentable sur des bâtiments de type supermarchés »[23].

Au Pérou, une ONG aidée par le gouvernement et la Banque mondiale a expérimentalement peint les zones libérées par le recul des glaciers à l'aide de chaux et de blanc d'œuf, avec des résultats positifs sur la température et même avec un retour de la glace, par endroits. Cependant, au coût de 5 000 $ l'hectare, l'expérimentation n'est pas réalisable à plus grande échelle[30],[31].

En Italie, Massimo Calovi et al. (2023) ont expérimentalement réussi à utiliser le thermochromisme de certains matériaux (sphérules thermochromiques). Ces matériaux permettent théoriquement de créer des peintures ou matériaux organiques pouvant naturellement s'éclaircir sous l'effet de la chaleur et foncer sous l'effet du froid, sous un vernis transparent les protégeant contre une dégradation trop rapide ; des questions de coût et d'écotoxicité sont encore à étudier[12].

Neutronique

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En modélisation de réacteurs nucléaires, l'albédo d'un réflecteur de neutrons décrit sa capacité à restituer au réacteur les neutrons qui tentent de s'échapper.

Astronomie

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Articles détaillés : albédo géométrique et albédo de Bond.

L'albédo est utilisé en astronomie pour avoir une idée de la composition d'un corps trop froid pour émettre sa propre lumière, en mesurant la réflexion d'une source lumineuse externe, comme le Soleil. On peut différencier ainsi facilement les planètes gazeuses, qui ont un fort albédo, des planètes telluriques qui ont, elles, un albédo faible.

Les astronomes ont affiné cette définition en distinguant d'une part l'albédo de Bond, correspondant à la réflectivité globale d'un objet céleste pour toutes les longueurs d'onde et tous angles de phase confondus, et d'autre part l'albédo géométrique, correspondant au rapport entre l'intensité électromagnétique réfléchie par un astre à angle de phase nul et l'intensité électromagnétique réfléchie à angle de phase nul par une surface équivalente à réflectance idéalement lambertienne (c'est-à-dire isotrope quel que soit l'angle de phase) : conséquences de ces définitions, l'albédo de Bond est toujours compris entre 0 et 1, tandis que l'albédo géométrique peut être supérieur à 1.

Énergétique

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Avant d'installer un équipement utilisant l'énergie solaire, il est important de connaître l'éclairement énergétique au niveau du sol, c'est-à-dire la quantité de lumière solaire reçue au sol. Pour cela, une des techniques les plus efficaces est l'utilisation de satellites d'observation terrestre. Le satellite de Météosat de seconde génération est ainsi capable de fournir des mesures précises toutes les 15 minutes sur l'éclairement énergétique au niveau du sol du continent européen.

Le calcul de la luminance au sol intéresse également de nombreux autres domaines, comme :

Notes et références

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  1. ↑ a b c et d « Albédo », dans le Dictionnaire de l'Académie française, sur Centre national de ressources textuelles et lexicales (consulté le 4 janvier 2016).
  2. ↑ a b et c Informations lexicographiques et étymologiques de « albédo » dans le Trésor de la langue française informatisé, sur le site du Centre national de ressources textuelles et lexicales (consulté le 4 janvier 2016).
  3. ↑ (la + fr) Entrée « albedo » [php] dans Félix Gaffiot, Dictionnaire illustré latin-français, Paris, Hachette, (paru le ) [1re éd.], 1702-XVIII p., in-8o (26 cm) (OCLC 798807606, BNF 32138560), p. 94.
  4. ↑ Le Gaffiot, l'adjectif albus, a, um (grec ἀλφός), « blanc mat », opposé à candidus, « blanc éclatant ».
  5. ↑ (en) Michael M. Modest, Radiative Heat Transfer, Academic Press, , 822 p. (ISBN 0-12-503163-7, lire en ligne).
  6. ↑ (en) John R. Howell, R. Siegel et M. Pinar Mengüç, Thermal Radiation Heat Transfer, CRC Press, , 987 p. (ISBN 978-1-4398-9455-2, lire en ligne).
  7. ↑ a et b Jacques Lavabre et Vazken Andréassian, « Eaux et forêts : la forêt, un outil de gestion des eaux ? », albédo conifères et feuillus, p. 48, sur books.google.fr, (consulté le ).
  8. ↑ « André Cailleux, Annales de géographie, année 1974, volume 83, numéro 459, pp. 569-585 : Notes et comptes-rendus - Mesure simple de l'albédo en géographie. », sur Persée (consulté le ).
  9. ↑ (en) « Earth Fact Sheet », sur National Space Science Data Center, NASA (consulté le ).
  10. ↑ (en) George H.A. Cole et Michael M. Woolfson, Planetary Science : The science of planets around stars, Institute Of Physics Publishing, , 508 p. (ISBN 0-7503-0815-X), p. 380.
  11. ↑ Jean-Paul Fritz, « Des nuages artificiels pour sauver la Terre du réchauffement climatique ? », sur Le nouvel obs., (consulté le ).
  12. ↑ a b et c (en) Massimo Calovi, Alessia Zanardi et Stefano Rossi, « Improvement of the thermal efficiency of organic roof-coatings through design aimed at increasing the durability of thermochromic pigments », Progress in Organic Coatings, vol. 185,‎ , p. 107928 (DOI 10.1016/j.porgcoat.2023.107928, lire en ligne, consulté le ).
  13. ↑ (en) Karam M. Al-Obaidi, Mazran Ismail et Abdul Malek Abdul Rahman, « Passive cooling techniques through reflective and radiative roofs in tropical houses in Southeast Asia: A literature review », Frontiers of Architectural Research, vol. 3, no 3,‎ , p. 283–297 (ISSN 2095-2635, DOI 10.1016/j.foar.2014.06.002, lire en ligne, consulté le ).
  14. ↑ (en) Daniel Kalús, Peter Janík et Matej Kubica, « Experimental house EB2020 – Research and experimental measurements of an energy roof », Energy and Buildings, vol. 248,‎ , p. 111172 (ISSN 0378-7788, DOI 10.1016/j.enbuild.2021.111172, lire en ligne, consulté le ).
  15. ↑ (en) Shuo Chen, Bart J. Dewancker, Simin Yang et Jing Mao, « Study on the Roof Solar Heating Storage System of Traditional Residences in Southern Shaanxi, China », International Journal of Environmental Research and Public Health, vol. 18, no 23,‎ , p. 12600 (ISSN 1660-4601, DOI 10.3390/ijerph182312600, lire en ligne, consulté le ).
  16. ↑ a b c d et e Scandola Graziani, « Des toits blancs contre la chaleur, une stratégie efficace ? », sur Reporterre, le média de l'écologie - Indépendant et en accès libre, (consulté le ).
  17. ↑ a b et c Maxime Doya. Thèse : Analyse de l'impact des propriétés radiatives de façades pour la performance énergétique de bâtiments d'un environnement urbain dense. Autre. Université de La Rochelle, 2010. Français. ⟨NNT : 2010LAROS296⟩. ⟨tel-00537691v2⟩ Voir notamment p. 49, et le chapitre « 1.4.3. Impact du vieillissement et de l’encrassement sur la réflectivité solaire » p. 53 ; et la fig. 33: Densité de flux solaire réfléchi par les revêtements blancs testés, p. 81, et la fig. 34: Comparaison de la réflectivité solaire totale des échantillons, et pour les trois grands domaines spectraux (UV, VIS et NIR), p 83
  18. ↑ « Los Angeles : contre la chaleur, pourquoi ne pas peindre les chaussées en blanc ? », sur Le Point, (consulté le ).
  19. ↑ Audrey Chauvet, « Les toits de New York repeints en blanc », sur 20 minutes.fr, (consulté le ).
  20. ↑ Dominique Pialot, « CO2 : supprimer les voitures, c'est bien, peindre les toits en blanc, c'est mieux », La Tribune, (consulté le ).
  21. ↑ Emmanuel BOZONNET et Maxime DOYA, « Propriétés radiatives des bâtiments pour le rafraîchissement passif », sur La construction responsable, (DOI 10.51257/a-v1-c8129, consulté le ).
  22. ↑ (en) L Doulos, M Santamouris et I Livada, « Passive cooling of outdoor urban spaces. The role of materials », Solar Energy, vol. 77, no 2,‎ , p. 231–249 (ISSN 0038-092X, DOI 10.1016/j.solener.2004.04.005, lire en ligne, consulté le ).
  23. ↑ a b et c Maxime Doya. Thèse : Analyse de l'impact des propriétés radiatives de façades pour la performance énergétique de bâtiments d'un environnement urbain dense. Autre. Université de La Rochelle, 2010. Français. ⟨NNT : 2010LAROS296⟩. ⟨tel-00537691v2⟩ Voir notamment p. 196 et la figure 117 « où les températures de la toiture pour la configuration toiture béton et la configuration avec isolation intérieure sont réunies pour les revêtements noir et blanc » ; et p. 231 (conclusion).
  24. ↑ (en) Adam P. R. Taylor, « A comparative analysis of a white-roof installation during a New Zealand autumn and winter », International Journal of Sustainable Building Technology and Urban Development, vol. 7, no 1,‎ , p. 52–60 (ISSN 2093-761X et 2093-7628, DOI 10.1080/2093761X.2016.1167644, lire en ligne, consulté le ).
  25. ↑ (en) Jason Corburn, « Cities, Climate Change and Urban Heat Island Mitigation: Localising Global Environmental Science », Urban Studies, vol. 46, no 2,‎ , p. 413–427 (ISSN 0042-0980 et 1360-063X, DOI 10.1177/0042098008099361, lire en ligne, consulté le ).
  26. ↑ (en) Jonas Onis Pessoa, Daniel Gustavo Allasia Piccilli, Cristiano Gabriel Persch et Rutineia Tassi, « Identifying potential uses for green roof discharge based on its physical–chemical-microbiological quality », Environmental Science and Pollution Research, vol. 31, no 18,‎ , p. 27221–27239 (ISSN 1614-7499, DOI 10.1007/s11356-024-32929-3, lire en ligne, consulté le ).
  27. ↑ (en) Stavros Yannopoulos, Ioanna Giannopoulou et Mina Kaiafa-Saropoulou, « Investigation of the Current Situation and Prospects for the Development of Rainwater Harvesting as a Tool to Confront Water Scarcity Worldwide », Water, vol. 11, no 10,‎ , p. 2168 (ISSN 2073-4441, DOI 10.3390/w11102168, lire en ligne, consulté le ).
  28. ↑ (en) Stuart Walters et Karen Stoelzle Midden, « Sustainability of Urban Agriculture: Vegetable Production on Green Roofs », Agriculture, vol. 8, no 11,‎ , p. 168 (ISSN 2077-0472, DOI 10.3390/agriculture8110168, lire en ligne, consulté le ).
  29. ↑ « Hajj 2024 : Six raisons pour lesquelles tant de personnes sont mortes cette année à la Mecque », sur bbc.com, (consulté le ).
  30. ↑ Jean-Luc Goudet, « Peindre les montagnes en blanc pour refroidir l'atmosphère, ça marche ! », sur futura-sciences, (consulté le ).
  31. ↑ AFP, [vidéo] « Pérou: peindre les Andes pour freiner la fonte des glaces », sur YouTube, 28 juin 2010.

Voir aussi

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Articles connexes

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Liens externes

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