Rayonnement d’un sol enneigé

[Idéfix37]

Jean-Jacques Thillet dans l’excellent Petit manuel de Météo Montagne, précise que la nuit par temps clair,  « un sol enneigé rayonne beaucoup plus (qu’un sol nu), les gelées sont bien plus sévères ». 

Or, j’ai toujours appris qu’un corps noir (ou du moins, foncé) rayonne plus qu’un corps blanc ( ou clair), de même que le noir absorbe plus que le blanc qui réfléchi plus le rayonnement reçu. 

Dans ce cas, comment expliquer que la neige émette plus d’infrarouge qu’un sol nu? 

[Higurashi]

il y a une heure, Idéfix37 a dit :

comment expliquer que la neige émette plus d’infrarouge qu’un sol nu? 

 

L'émissivité, c'est-à-dire la capacité qu'a le corps à émettre du rayonnement,  est un facteur à prendre en compte - souvent noté ɛ. Elle est très proche de 1 pour la neige, ce qui en fait un émetteur particulièrement efficace, en tout cas dans cette partie du spectre. Au cours d'une nuit dégagée, un sol enneigé se refroidit donc plus facilement qu'un sol nu. Mais d'un autre côté, la neige absorbe plus facilement le rayonnement infrarouge... Par ailleurs, la neige agit également comme un isolant, le flux de chaleur du sol vers l'atmosphère est ainsi diminué. Une description plus détaillée et des exemples sont donnés dans ce document.  

Modifié 12 décembre 2018 par Higurashi

[Idéfix37]

Merci, pour ce document. Car si l’émissivité de la neige est proche de 1 (0,99 plus exactement, tout comme l’eau), une prairie n’est pas si éloignée de ces valeurs (0,98). Je vais prendre le temps d’étudier ce document, j’en apprendrai plus. 

[Higurashi]

Il y a 2 heures, Idéfix37 a dit :

une prairie n’est pas si éloignée de ces valeurs (0,98). Je vais prendre le temps d’étudier ce document, j’en apprendrai plus. 

 

Ci-dessous, une comparaison entre l'émissivité d'échantillons de neige (en haut) et d'herbe sèche que l'on pourrait trouver dans une prairie (en bas). Une ligne noire a été ajoutée à 0.98 en guise de repère visuel. Les différences ne sont pas énormes mais, dans la durée, finissent à l'évidence par avoir un effet significatif sur les écarts de température.

 

 

Modifié 12 décembre 2018 par Higurashi

[Idéfix37]

Merci pour ces infos, ça va me permettre d’y voir plus clair. 

[adri34]

La grosse différence entre un sol enneigé et sans neige c'est que la neige a la capacité d'isoler le sol (plus chaud que l'air). Seule la surface de la neige va se refroidir et de manière très forte si le ciel est dégage et avec un vent faible puisque la neige a une capacité thermique plus faible. Bien entendu plus l'épaisseur est grande plus cet effet est fort en plus d'abaisser la hauteur de mesure et donc la température mesurée. 

 

Ce phénomène peut abaisser de 5 à 10 degrés la température mesurée par rapport à un sol nu. De ce fait des records comme -29 à Saint Martin de Londres dans l'herault à 195m d'altitude le 5 février 1962 fait suite à 30 cm de neige fraîche une vague de froid et un marais barométrique arrêtant le vent. Le ciel dégagé à permis de relever 3 jours de suite -26 -29 -28! La barre mythique des -30 a sans doute était franchie au fond de vallée 30 m plus bas. Je ne connais aucune station de plaine en France à avoir relevé une telle valeur. 

[Idéfix37]

Cette explication me va bien, et la capacité de la neige d’isoler le sol, dont la capacité thermique est plus forte, s’ajoute à l’écart d’émissivité entre neige et sol. 

[Higurashi]

Oui, c'est ce que j'avais présenté deux posts plus haut.

 

Mais la question de départ portait sur l'excellente capacité qu'a la neige à rayonner ou absorber de l'IR. Sur ce point, l'aspect isolant n'intervient pas. D'ailleurs, je trouve surprenant d'affirmer que la grosse différence entre un sol nu et un sol enneigé - en termes de refroidissement - provient de ce dernier. Est-ce que ça a été quantifié dans une étude ? 

 

En outre, en effectuant une brève recherche, je n'ai pas trouvé que la neige avait une capacité thermique massique plus faible que le sol. Par exemple sur ces tables on trouve ~ 2,09 kJ/(kg*K) pour la glace/neige, ~ 0,80 kJ/(kg*K) pour un sol sec, ~ 1,48 kJ/(kg*K) pour un sol humide,  ~0,84 kJ/(kg*K) pour la pierre... Ça n'a pas l'air d'être une quantité d'importance dans ce problème. Ou alors, il faudrait préciser. 

Modifié 7 janvier 2019 par Higurashi
Ajout.

[Idéfix37]

Grâce au document fourni par @Higurashi  , j’ai appris que la neige se comportait en fait comme un « corps noir » dans l’IR, avec une forte émissivité et une forte absorptivité dans cette partie du spectre. En creusant un peu, j’ai compris que si elle réfléchit bien la lumière (fort albédo et faible absorptivité du rayonnement visible), dans l’infra-rouge son comportement est différent. De là venait mon incompréhension car j’imaginais son comportement identique dans toute l’étendue du spectre du rayonnement électromagnétique. 

Modifié 20 janvier 2019 par Idéfix37

[adri34]

En fait la neige est beaucoup moins dense que le sol. Pour une même perte d'énergie que le sol elle va se refroidir beaucoup plus. La neige c'est 0.1/0.3 kg le litre contre 1.3 pour le sol environ. 

La différence d'emusivité  entre un sol nu et la neige est négligeable (moins de 5% d'écart ce qui explique une petite partie du refroidissement mais pas tout loin de là). La surface du sol sera clairement isolée de la partie émergent avec une température proche de 0 degrés sur une couche plus ou moins épaisse. Seul donc la surface de la neige se refroidit par radiation ce qui peut entraîner un abaissement considérable de la température. Il serait très intéressant de mesurer les températures de surface de la neige et à 1m50 comparées à un lieu proche mais non enneigé possédant les mêmes caractéristiques topoclimatiques. 

[Higurashi]

il y a une heure, adri34 a dit :

La différence d'emusivité  entre un sol nu et la neige est négligeable (moins de 5% d'écart ce qui explique une petite partie du refroidissement mais pas tout loin de là). 

 

Je réitère ma demande d'étude allant dans ce sens. Car, pour le moment, les papiers que j'ai lu - et dont un a été posté plus haut - insistent surtout sur le rôle de l'émissivité pour expliquer la majoration du refroidissement de surface. Ce qui va donc à l'encontre de ton affirmation. Le raisonnement en % comme tu le fais, ça peut conduire à des conclusions incorrectes.

Modifié 20 janvier 2019 par Higurashi

[adri34]

Je n'ai pas de papier sur le sujet je serais curieux d'en voir. Ça doit se trouver.

 

Plus précisément la neige contient beaucoup d'air (90% environ pour une neige fraîche) et l'air emprisonné dans la neige joue un rôle d'isolant. La température au niveau de la surface du sol est égale à 0 degrés quelque soient les conditions au dessus de la neige (pour peu que l'épaisseur soit suffisante). L'emissivité importante de la neige fait qu'elle va émettre beaucoup de rayonnement (0.99 contre 0.98 pour une prairie comme montré plus haut c'est du pareil au même).

Cette perte d'énergie en Joules est représentée par

Q=C DT

avec C capacité calorifique (égale à la masse fois la capacité calorifique massique) et DT différence de température liée à la perte. 

La masse de la neige est 10 fois moindre que le sol pour une capacité calorifique massique de 2,09 kJ/(kg*K) contre 1.49 kJ/(kg*K) pour un sol humide. 

Cela nous donne environ un C 7. 5 fois plus important (2/10=0.2 contre 1.5 en unités de masse arbitraire. 

Pour une même perte d'énergie la différence de température DT = Q/C  sera 7.5 fois plus forte pour la neige. 

 

Dans la réalité ce n'est pas le sol qui se refroidit mais la surface d'air juste au dessus (je mesure la température à 3 MM sous la surface je peux te donner le graphique) et la perte énergétique est moindre avec la neige puisque celle ci est plus froide (emittance M= sigma * T^4) mais globalement le phénomène est représenté la neige sera effectivement plus froide. 

 

Modifié 20 janvier 2019 par adri34

[Higurashi]

Citation

0.99 contre 0.98 pour une prairie comme montré plus haut c'est du pareil au même

 

Non. Premièrement, parce qu'il y'a une dépendance à la longueur d'onde. L'émission la plus importante étant située entre 10 et 12 micromètres pour les conditions pertinentes, la différence d'ɛ atteint 0,05 unité. Deuxièmement, en faisant le calcul on voit que pour une quantité donnée d'énergie émise, cet écart conduit à un différentiel de plusieurs degrés, tu peux le vérifier toi-même. Cela contredit donc ce que tu exposais plus haut.

 

Citation

Pour une même perte d'énergie la différence de température DT = Q/C  sera 7.5 fois plus forte pour la neige. 

 

Pour la suite, je crois avoir suivi ton raisonnement mais j'ai des doutes sur sa pertinence. En gros, l'idée c'est que parce qu'il y a moins de quantité de matière concernée, ça se refroidit ou réchauffe plus facilement. Pourquoi pas. Mais le résultat est tout de même extravagant. Cela implique que pour une perte d'énergie correspondant à une baisse de 3 K sur un sol nu, elle serait de 22,5 K sur un sol enneigé (!). Ou alors j'ai mal interprété, ou alors le raisonnement ne tient pas. 

Modifié 20 janvier 2019 par Higurashi

[adri34]

Oui je n'ai pas bien vu il y a un écart de 0.03 entre 0.98 pour la neige et 0.95 pour le sol à 11 um. Pour un rayonnement de 300 W/m^2 on obtient une différence de 2 degrés en température de surface donc c'est moins en température de l'air. Les différences réelles observées sont de l'ordre de 5 à 10 degrés ce qui n'est pas expliqué par l'émissivité seule. 

 

Mon explication est théorique mais elle montre que la différence est réelle puisqu'elle suit une loi physique simple et qu'elle peut être grande. On pourrait modéliser cela je te ferai une simulation si tu veux. Donc oui ya plusieurs paramétres qui rentrent en jeu

[Bob_Gre]

Il y a 5 heures, adri34 a dit :

Pour un rayonnement de 300 W/m^2

 

Un rayonnement émis verticalement vers le haut de 300 W/m², certes, mais quid du rayonnement reçu, venant d'en haut ?
L'atmosphère est constituée de matière qui rayonne également et d'autant plus que celle-ci contient de molécules d'air, d'aérosols et surtout de molécules d'eau, de surcroît à l'état liquide ou solide ! Ces données peuvent être matérialisées par une "température de ciel" (il existe de nombreuses corrélations pour calculer cette valeur), et celle-ci est souvent proche de la température du sol (sauf en vallée de haute montagne, l'hiver, avec un ciel parfaitement limpide et une troposphère excessivement sèche où la "température du ciel" descend bien 15 à 20°C en-dessous de la température de l'air).

La réflectivité étant idéalement égale à 1-émissivité et pour des valeurs d'émissivité (respectivement de réflectivité) assez semblables, une petite série et un petit développement limité permet d'approximer le "rayonnement net" par I=epsilon_ciel*epsilon_neige*sigma*(T_neige^4-T_ciel^4). On est loin des 300 W/m²
 

[Bob_Gre]

Il y a 6 heures, adri34 a dit :

On pourrait modéliser cela je te ferai une simulation si tu veux

 

J'ai commencé à programmer quelque chose en VBA, avec un pas de temps de 1 seconde et des données d'entrée actualisées toutes les 10 minutes.
- Les données d'entrée (T2m, HR2m, V10m, Tciel (en passe d'être calculé)) sont randomisées dans des intervalles "raisonnables" (Tair entre -2 et 0°C par exemple).
- L'épaisseur du manteau neigeux est (pour l'instant) constante et de 14 cm (au hasard), la masse volumique, capacité thermique, conductivité thermique et bien sûr la diffusivité thermique sont (pour l'instant) supposées constantes et uniformes dans les 3 directions.
- Le manteau neigeux est discrétisé en 10 couches (j'ai pas de super calculateur, ah ah), la couche inférieure est maintenue à 0°C et la couche supérieure est soumise au "rayonnement net", au flux de chaleur sensible par convection et au flux de chaleur latente (sublimation et évaporation, ce qui est déjà contradictoire avec une masse constante).

 

La simulation est sur 01h40 pour le moment, ça donne ça : 
 

 

Et si on prenait en compte uniquement le rayonnement de la neige (300 W/m² uniquement pour de la neige fraiche au-dessus de -2°C), on aurait un manteau neigeux très vite archi-glacial, avec les même autres données d'entrée que précédemment :


 Je vais continuer le projet en interpolant les valeurs d'entrée horaires (ou toutes les 10min) pour les calculer chaque seconde, histoire d'avoir quelque chose de lissé, en ajoutant des couches en cas de chute de neige, en intégrant le tassement naturel, la perméabilité en cas de fonte ou de pluie, etc...

Désolé du demi-HS

Modifié 21 janvier 2019 par Bob_Gre

[adri34]

300 w/m^2 correspond à un rayonnement émis par la surface à environ 0 degrés. Il est évident que par ciel clair la température de brillance peut descendre à -20 avec cette précédente température sans aucun soucis ce qui fait que le rayonnement net à la surface vaut environ -50 w/m^2 pendant les nuits claires (plus fort au coucher du soleil mais se stabilisant ensuite).

 

Très intéressant ce petit modèle. Je pense qu'on peut déterminer l'épaisseur de la neige minimale pour laquelle l'influence de la surface ne se fait pas ressentir sur la journée. A priori la couche couleur saumon donc la 4 ème plus proche du sol semble être la limite. Comment explique tu la variation pendant ces 3 jours ? Modèle pas à l'équilibre ? 

[Bob_Gre]

il y a 36 minutes, adri34 a dit :

Très intéressant ce petit modèle. Je pense qu'on peut déterminer l'épaisseur de la neige minimale pour laquelle l'influence de la surface ne se fait pas ressentir sur la journée

 

Merci ! Cette épaisseur est appelée "profondeur de peau thermique", si mes souvenirs sont bons, et est égale à sqrt(2D/w), avec D la diffusivité thermique de la neige (D=lambda/(rho*Cp)), et w la pulsation du signal quotidien égale à w=2*pi/86400  Dans le cas de la neige, il y a des oscillations de température de surface infra-journalières non négligeables, si il y a condensation/sublimation/fusion/évaporation, si le ciel se couvre, si le vent se lève, etc... !

 

Et sur mes graphes, il ne s'agit pas de 3 jours, c'est une simulation sur 1h40 (pourquoi 1h40...parce que j'ai cru à tort bien faire avec 6000 secondes, ah ah) avec des données d'entrées toutes les 10 minutes, donc 10 jeux de données d'entrée !
Ciel clair sans vent puis bonne rafales de vent puis ciel clair sans vent (autre jeu de données d'entrée au hasard) donnerait par exemple ceci :

 

Je vais continuer à bosser dessus 😛

Modifié 21 janvier 2019 par Bob_Gre

[Idéfix37]

J’ai ouvert ce topic avec une question qui me paraissait presque anodine, mais je m’aperçois que les réponses sont relativement complexes. En tout cas, c’est passionnant, même si je ne suis pas en mesure de saisir tout le détail et les subtilités du raisonnement. Ces graphes montrent bien l’influence des divers paramètres. Merci.