Actinomètre

L’actinomètre généralement employé en Angleterre à la fin des années 1870 est le thermomètre d’Herschel. Il se compose d’un thermomètre à mercure dont le réservoir sphérique est noirci au noir de fumée et enfermé dans un tube de verre renflé à son extrémité en un petit ballon. Le vide est fait dans l’enveloppe autour du thermomètre et le centre du ballon coïncide avec le centre du réservoir. L’instrument est généralement couché à la surface d’un gazon bien découvert et loin de tout abri. Le réchauffement dû à l'insolation est proportionnel à la quantité de rayonnement[4].

Actinomètre de Violle

Jules Violle, physicien français connu pour ses travaux sur la photométrie, le rayonnement et la calorimétrie, publia de nombreux articles sur la détermination de la température effective de la surface du soleil grâce aux mesures prises lors de plusieurs expériences au sommet du mont Blanc, de 1871 à 1875, à l'aide d’un actinomètre de son cru. Il a aussi pu déterminer une constante solaire très proche de la valeur réelle (1 771 comparé à 1 368 w/m²)[5] - [6].

L'appareil se compose de deux sphères concentriques dont celle intérieure est maintenue à une température constante. Cela est possible en mettant de la glace ou faisant passer un courant d’eau chaude ou froide, ou même de la vapeur d’eau, entre les deux sphères (par t et t' sur l'image). Les deux enveloppes possèdent aussi deux ouvertures sur un même axe permettant aux rayons solaires de traverser l’appareil et un thermomètre se place au centre de la sphère intérieure par un orifice prévu à cet effet (T'). Le bon positionnement de ce dernier peut être vérifié à l’aide d’un miroir fixé sur le support de l'actinomètre, à l'ouverture de sortie du faisceau solaire (en M)[6].

La variation de température au thermomètre est proportionnelle au flux lumineux, ce qui peut être étalonné avec une source connue avant de prendre des mesures. Violle a utilisé la formule empirique de Dulong et Petit, antérieure à la loi de Planck, pour calculer ensuite la température de la surface solaire[6].

Les actinomètres chimiques donnent le flux énergétique en mesurant la quantité d'un précipité obtenu lors de la réaction de composés chimiques exposés à la lumière solaire. Il est donc important de connaître à l'avance dans ce cas le ratio de production du précipité par rapport à l'énergie incidente.

Le ferrioxalate de potassium est le composé le plus commun dans un actinomètre chimique parce qu’il est facile d’usage et sensible sur une vaste gamme de longueurs d’onde (254 à 500 nm). D’autres composés comme les leucocyanides verts, les oxalates de vanadium(V)–fer(III) et l’acide monochloroacétique sont parfois utilisés mais ils présentent le problème de réagir même en l’absence de lumière. Des composés composés organiques, comme le butyrophénone, servent parfois et sont analysés par chromatographie en phase gazeuse[7] - [8] - [9]. Certains composés sont finalement utilisés pour des longueurs d’onde spécifiques. Par exemple, le méso-diphenylhélianthrène sert pour le spectre visible (400 à 700 nm)[10].

Pyranomètre dans une centrale solaire photovoltaïque.

Les surfaces réceptrices des actinomètres en météorologie sont protégées par des coupelles dont le matériau sert en même temps de filtre transparent aux seuls domaines de longueurs d'onde souhaités : entre 0,3 et 3 µm environ pour les pyrhéliomètres et pyranomètres, entre 0,3 et 100 µm environ pour les pyrradiomètres. Quant aux capteurs de rayonnement utilisés dans ces instruments, ils font souvent appel à des associations de thermocouples capables de produire une force électromotrice variable avec l'éclairement reçu[3].

Il en existe quatre principaux types[3] :

• les pyrhéliomètres mesurent le rayonnement solaire direct. Ils sont pointés en permanence vers le Soleil et mesurent du rayonnement qui n'a pas subi de diffusion en traversant l'atmosphère ;
• les pyranomètres mesurent le rayonnement solaire global, c'est-à-dire direct et diffus, parvenant depuis toutes les directions sur une surface plane (le plus souvent horizontale et orientée face au zénith) ;
• les pyrradiomètres mesurent le rayonnement total reçu par une surface plane depuis toutes les directions d'un hémisphère : ce rayonnement intègre le rayonnement solaire (direct, diffus et réfléchi vers le haut) et les rayonnements infrarouges en provenance de l'atmosphère et de la surface terrestre. La surface réceptrice peut être orientée vers le nadir, pour évaluer les rayonnements solaires réfléchis vers le haut ou infrarouges émis par la surface terrestre; ou vers le zénith pour le rayonnement du soleil et de l'atmosphère. Deux pyranomètres orientés inversement l'un de l'autre donnent la somme du rayonnement solaire global et du rayonnement atmosphérique ou leur différence (radiomètre différentiel) ;
• les pyrgéomètres, aujourd'hui peu utilisés, évaluent la nuit le rayonnement infrarouge reçu par une surface noire horizontale. Suivant que cette surface est orientée vers le nadir ou vers le zénith, l'éclairement mesuré correspond au rayonnement terrestre ou au rayonnement atmosphérique.

Les données de rayonnement (en joules par mètre carré) obtenues servent dans diverses applications météorologiques comme le calcul de l'évapotranspiration potentielle et le bilan de croissance forestière[11].