Mesure de la "température du ciel" - estimation de la couverture nuageuse

[jackT]

Bonjour,

Je suis en train de faire des tests de mesures de "température du ciel" avec une sonde thermique sans contact infrarouge connectée à un contrôleur.

Un sonde IR sonde pointée sur un ciel complètement libre de nuages (dans le champ de vision de la sonde)  va mesurer des températures plus basses que -20°C. En présence de nuages, c'est la température de la base de ces nuages qui sera mesurée.

Donc en suivant la courbe de température, on peut avoir un aperçu, jour et nuit, de l'évolution de la couverture nuageuse.

Par exemple une capture récente, faite entre minuit et 8h,, avec passages nuageux alternés  suivis d'une période de ciel clair puis apparition d'un stratus bas en fin de période :

 

Ayant une estimation de la température de la base des nuages via la sonde IR et celle de la température sous abri de ma station, j'envisage calculer une estimation de l'altitude de cette base des nuages en utilisant la règle de diminution de 6.5°C pour 1000m pour cette estimation.

Y a t'il une autre méthode  pour ce calcul ?

[Mitrale]

Je ne suis pas sûr que ta démarche soit pertinente. Ta sonde IR quantifiera certes le rayonnement IR de corps se situant dans un cône définit par l'angle d'ouverture de l'instrument mais sera limité par la bande passante du capteur et sa sensibilité. Au delà d'une certaine distance (quelques mètres), l'atténuation par l'humidité de l'air sera telle que le rayonnement ne sera plus quantifiable.

[jackT]

Il y a 10 heures, Mitrale a dit :

Au delà d'une certaine distance (quelques mètres), l'atténuation par l'humidité de l'air sera telle que le rayonnement ne sera plus quantifiable.

Ce qui est sûr, c'est que les mesures de  la sonde IR MLX90614 que j'utilise (champ de vision de 35°)  varient en fonction de la couverture nuageuse (-25°C pour un ciel sans nuage et températures plus hautes selon le pourcentage de nuages et/ou leur hauteur, jusqu'à quelques degrés en dessous de la température sous-abri pour des nuages très bas - status).  

La valeur de la température mesurée ne sera peut-être pas assez précise pour en déduire une hauteur de nuages, mais cela reste un bon moyen  de mesurer un index de couverture nuageuse jour et nuit.

[mm91]

Ceci est une autre méthode que celle proposée ici par jackT:

Dans mon étude (*) sur la mesure de l'ensoleillement et de la couverture nuageuse à l'aide d'un capteur de température (température d'un corps noir sous verre) et du logiciel Wswin32 (étude que jackT connais bien puisqu'il m'a beaucoup aidé à sa réalisation à partir de 2006, encore merci à lui), j'ai rajouté récemment (en 2023) une méthode (et une proposition de calcul pour WSwin32) pour estimer, avec une bonne probabilité, la couverture nuageuse de nuit:

voir le dernier paragraphe "Mesure du rayonnement nocturne du sol" de cette page:

http://icare.cinq.free.fr/meteo/mesureensoleillement/4_resultats_obtenus.htm

 

extrait:
"Le phénomène est même suffisamment reproductible pour que, de nuit, une température solaire plus élevée que la température sous abri indique un ciel sans nuage".

 

Concernant la mesure et le calcul de la hauteur des "nuages bas", voir le deuxième paragraphe "Nuages bas" de cette page:
http://icare.cinq.free.fr/meteo/commentcamarche/paragraphe8.htm

 

 

 

(*) étude complète sur mon site, ici:
http://icare.cinq.free.fr/meteo/mesureensoleillement/1_generalites.htm

 

[Claude33]

C'est très intéressant, je ne pensais même pas qu'il était possible de mesurer la température du ciel. Sans aucune prétention, juste par curiosité, je viens de tester avec un "pistolet" infrarouge de cuisine à 20 €. Ce matin avec un ciel couvert il "faisait" -3°, ce soir dans le ciel quasi clair j'ai trouvé -11°.

 

 

[Hiigaraa]

C'est de cette façon que fonctionne le cloud watcher utilisé par beaucoup d'amateurs en astronomie. http://skymeca.com/aag-cloudwatcher/57-aag-cloudwatcher.html

[mm91]

L'étude de jackT mérite certainement d'être approfondie.

 

Une rapide recherche sur Internet montre que beaucoup de choses peuvent influencer (en plus de la présence de nuages) la mesure de la température de rayonnement (infrarouge) du ciel.

Ceci semble confirmé par l'appareil cité par Hiigaraa qui indique qu'il faut le paramétrer (en fonction de quoi ?) pour obtenir une certaine (laquelle ?) fiabilité.

Voir aussi:
https://www.atmos-meteo.com/couverture-nuageuse/radiometre-ir-4-capteurs-ventiles.html

 

C'est un peu le problème de tous les capteurs modernes dont la réponse n'est pas prortionnelle à ce que l'on veut mesurer, mais nécessite un traitement complexe pas toujours bien étudié et pas toujours reproductible (exemple: la mesure du vent par ultrason...)

[jackT]

Il y a 3 heures, mm91 a dit :

Ceci semble confirmé par l'appareil cité par Hiigaraa qui indique qu'il faut le paramétrer (en fonction de quoi ?) pour obtenir une certaine (laquelle ?) fiabilité.

Une première correction à appliquer à de telles mesures est de considérer la différence entre la température apparente des nuages et la température au sol (sous abri) plutôt que la température brute mesurée par le capteur

Par exemple, un nuage ayant sa base à 3000m peux avoir une température apparente de 8.8°c ( avec température au sol d'environ 25°C) en été et une température de -11.3°C en hiver (avec une température au sol de 5°C. ). Dans ces deux cas, le différentiel de température sol ( altitude 500m)- nuage est le même.

 

Un deuxième point est que l'épaisseur de l'atmosphère entre le capteur et le nuage va influencer la mesure. Plus la distance sonde-nuage est grande , plus la température mesurée par la sonde IR sera sur-estimée. Donc la relation entre la température différentielle mesurée  et la hauteur des nuages n'est certainement pas linéaire.

Modifié 28 avril par jackT

[cirrus007]

Cela fait depuis 2007 que j'ai un thermomètre IR, et très souvent j'ai la curiosité de regarder la T° du ciel en visant soit des couches nuageuses, soit le ciel complétement dégagé. On n'obtient pas la même chose selon les cas.

 

Je trouve que la méthode IR fonctionne très bien avec un plafond nuageux bas ou de moyenne altitude, ça permet de trouver assez simplement l'altitude du plafond nuageux en suivant la règle de l'adiabatique. Exemple simple, hier j'ai mesuré 3.5°C de T° des nuages, à ce moment j'avais 17°C sous abri, soit 13.5°C d'écart, en suivant l'adiabatique classique (1°C/150m) on tombe autour des 2000m, il suffit de rajouter son altitude au calcul et on tombe souvent sur des valeurs crédibles. Je le fais régulièrement avec des couches de stratus pour des mer de nuage, voire des altocumulus, et ça fonctionne globalement bien, c'est même assez robuste. Il faut par contre une couche de nuage suffisamment épaisse. 

 

Pour du ciel complétement dégagé (ou des nuages élevés), la mesure est un peu plus biaisée car le rayonnement capté devient la somme (l'intégrale) de toutes les composantes atmosphériques qui rayonnent en IR, chaque couche traversée ayant ses propres paramètres (humidité, aérosols entre autre) qui changent à la fin la transmittance et émissivité globale. C'est difficile de tirer quelque chose de ces mesures, en tout cas je n'ai jamais trouvé de pertinence concrète, avec mon modèle de thermomètre IR j'ai trouvé que souvent empiriquement la T° renvoyée correspondait à une sorte de moyenne de masse d'air autour des 3500 à 5000m d'alt, mais ça reste un ordre de grandeur et ça doit grandement dépendre du rapport D:S du capteur ainsi que de la longueur d'onde utilisée. En tout cas il ne faut pas espérer mesurer la T° des nuages les plus hauts type cirrus avec cette méthode, l'atténuation/diffusion du rayonnement IR capté devient trop forte quand on dépasse les 5000m. 

 

J'étais tombé sur cet article une fois, qui décrit un peu plus formellement les phénomènes en jeu.

meteo_2017_99_17.pdf

Modifié 29 avril par cirrus007

[jackT]

Le 29/04/2024 à 12:37, cirrus007 a dit :

il ne faut pas espérer mesurer la T° des nuages les plus hauts type cirrus avec cette méthode, l'atténuation/diffusion du rayonnement IR capté devient trop forte quand on dépasse les 5000m.

Oui, effectivement, pour les nuages hauts (>5000m), la température est surestimée, et donc difficile de calculer leur hauteur réelle.

En ce qui concerne la mesure d'un index de couverture nuageuse, qui je pense est réalisable avec ce type de sonde , il me faudra plus de données ces prochaines semaines pour suivre les données et voir ce qu'on peut en tirer. 

 

Actuellement, mes sondes thermiques (je viens de rajouter à une MLX90614 une MLX90640  qui mesure sur un champ de vision d'environ 55° une matrice 32X24 de valeurs températures. (mini caméra thermique) ne sont pas orientées de manière optimale. Elles ont sous un avant-toit, protégées de la pluie et pointant le ciel avec un angle d'environ 50°. L'idéal est de mettre les sondes orientées à 90°, à la verticale , c'est là ou l'effet de l'atmosphère est le plus faible, et où les températures du "ciel clair" sont les plus froides .

 

 Il reste à trouver un boitier  qui puisse permettre aux sondes de supporter la pluie si elles sont orientées à la verticale.  

 

[jackT]

...et surtout éviter que le soleil soit dans le champ de vision !

Mon MLX90640 a mesuré hier une température de 324°C  au niveau du soleil !

[Obiou]

Le 26/04/2024 à 22:41, Mitrale a dit :

Je ne suis pas sûr que ta démarche soit pertinente. Ta sonde IR quantifiera certes le rayonnement IR de corps se situant dans un cône définit par l'angle d'ouverture de l'instrument mais sera limité par la bande passante du capteur et sa sensibilité. Au delà d'une certaine distance (quelques mètres), l'atténuation par l'humidité de l'air sera telle que le rayonnement ne sera plus quantifiable.

La vapeur d'eau absorbe une partie des IR mais si tout l'IR était absorbé par seulement quelques mètres d'air on n'aurait pas de problème d'effet de serre... il n'y aurait pas non plus de givre par température positive les nuit de ciel clair ni d'impact de la couverture nuageuse sur les températures le matin !

Un article intéressant qui explique l'absorption et l'émission des IR dans l'atmosphère.
https://planet-terre.ens-lyon.fr/ressource/rayonnement-effet-de-serre.xml
 

Il faudrait savoir comment fonctionne ta sonde IR, quelle longueur d'onde est mesurée ? Si tu es dans la gamme de la vapeur d'eau tu mesure une température intégré sur une tranche de la troposphère ou celle de la base des nuages (dans l'exemple 267K). Si tu es dans la bande transparente, tu mesure la "température de l'espace" (ici 160K). Si ton capteur mesure les deux à la fois, c'est dur de savoir à quoi le relier. Idéalement si le capteur mesure tout le spectre et intègre la puissance totale il serait possible de connaitre le flux de chaleur que renvoie l'atmosphère et donc la température d'équilibre qu'on devrait atteindre à la fin de la nuit...

[Mitrale]

Il y a 18 heures, Obiou a dit :

Il faudrait savoir comment fonctionne ta sonde IR, quelle longueur d'onde est mesurée ? Si tu es dans la gamme de la vapeur d'eau tu mesure une température intégré sur une tranche de la troposphère ou celle de la base des nuages (dans l'exemple 267K). Si tu es dans la bande transparente, tu mesure la "température de l'espace" (ici 160K). Si ton capteur mesure les deux à la fois, c'est dur de savoir à quoi le relier.

 

Merci pour cet autre complément d'information ! Le sujet est vaste et passionnant. Il suppose la parfaite compréhension du phénomène physique que l'on cherche à quantifier et des caractéristiques du capteur utilisé dont sa sensibilité et sa bande passante. On peut aussi supposer que les capteurs "low cost" (à quelques dizaines d'euros) puissent avoir des domaines d'application limités à un usage "grand public". L'article de @cirrus007 faisait par exemple état de kits pédagogiques aux alentours de 500 € et d'autres appareils plus "professionnels" jusqu'à 2 000 €.

 

Comme dirait l'adage allemand : "Wer viel misst, misst Mist." (Those who measure a lot, measure garbage. I.e. learn to measure what is significant.) 😉