albédo - Albedo


Un article de Wikipédia, l'encyclopédie libre

Le pourcentage de réémise la lumière du soleil par rapport à diverses conditions de surface

Albédo ( / æ l b i d / ) ( latin : albédo , ce qui signifie la « blancheur ») est la mesure de la réflexion diffuse du rayonnement solaire sur le total du rayonnement solaire reçu par un corps astronomique (par exemple une planète comme la Terre ) . Il est sans dimension , mesurée sur une échelle allant de 0 (correspondant à un corps noir qui absorbe tout le rayonnement incident) à 1 (correspondant à un corps qui réfléchit la totalité du rayonnement incident).

Albédo de la surface est définie comme étant le rapport de l' éclairement réfléchi vers l'éclairement énergétique reçu par une surface. La proportion réfléchie est non seulement déterminée par les propriétés de la surface elle - même, mais aussi par la distribution spectrale et angulaire du rayonnement solaire atteignant la surface de la Terre. Ces facteurs varient avec la composition atmosphérique, l' emplacement géographique et le temps (voir la position du Soleil ). Bien que bi-hémisphérique réflectance est calculée pour un angle d'incidence ( par exemple, pour une position donnée du soleil), l' albédo est l'intégration directionnel de réflectance sur tous les angles solaires dans une période donnée. La résolution temporelle peut varier de quelques secondes (obtenue à partir des mesures de flux) à tous les jours, les moyennes mensuelles ou annuelles.

Sauf donnée pour une longueur d' onde spécifique (albédo spectral), l' albédo se réfère à l'ensemble du spectre du rayonnement solaire. En raison des contraintes de mesure, il est souvent donné pour le spectre dans lequel atteint plus l' énergie solaire de la surface (entre 0,3 et 3 um). Ce spectre comprend la lumière visible (0,39 à 0,7 um), ce qui explique pourquoi les surfaces avec un faible albédo apparaissent sombres (par exemple, les arbres absorbent le rayonnement le plus), tandis que les surfaces avec un albédo élevé apparaissent lumineux (par exemple, la neige reflète la plupart des rayons).

Albédo est un concept important dans la climatologie , l' astronomie et la gestion de l' environnement (par exemple, dans le cadre du Leadership in Energy and Environmental Design programme (LEED) pour évaluation durable des bâtiments). L'albédo moyen de la Terre de l'atmosphère supérieure, son albédo planétaire , est de 30 à 35% en raison de la couverture nuageuse , mais varie considérablement au niveau local à travers la surface en raison des différentes caractéristiques géologiques et environnementales.

L'albédo terme a été introduit dans l' optique par Johann Heinrich Lambert dans son travail 1760 Photometria .

albédo terrestre

albédo échantillons
Surface typique
albédo
asphalte frais 0,04
Océan ouvert 0,06
asphalte usé 0,12
Forêt conifère
(été)
0,08, de 0,09 à 0,15
arbres à feuilles caduques De 0,15 à 0,18
Sol nu 0,17
L'herbe verte 0,25
désert de sable 0,40
Le nouveau béton 0,55
La glace océanique 0,5-0,7
La neige fraîche 0,80

Toute albédo en lumière visible se situe dans une plage d'environ 0,9 pour la neige fraîche à environ 0,04 pour le charbon, l' une des plus sombres substances. Profondément cavités peuvent obtenir une ombre albédo efficace approche le zéro d'un corps noir . Vu de loin, la surface de l' océan a un albédo faible, comme la plupart des forêts, alors que les zones désertiques ont quelques - unes des plus albédo parmi les formes de relief. La plupart des zones terrestres sont dans une plage de albédo de 0,1 à 0,4. L'albédo moyen de la Terre est d' environ 0,3. Ceci est beaucoup plus élevé que pour l'océan principalement en raison de la contribution des nuages.

2003-2004 moyenne annuelle ciel clair et albédo totale-ciel

Albédo de surface de la Terre est régulièrement estimée par observation de la Terre des capteurs satellites tels que la NASA de MODIS instruments à bord des Terra et Aqua satellites, et l'instrument CERES sur le Suomi NPP et JPSS . Comme la quantité de rayonnement réfléchi est mesurée uniquement pour une seule direction par satellite, et non pas toutes les directions, un modèle mathématique est utilisé pour traduire un ensemble d'échantillons de mesures de réflectance par satellite dans les estimations de facteur de réflexion directionnelle hémisphérique et la réflectance bi-hémisphérique (par exemple) . Ces calculs sont basés sur la fonction de distribution de réflectance bidirectionnelle (BRDF) , qui décrit la manière dont le facteur de réflexion d'une surface donnée dépend de l'angle de vue de l'observateur et de l'angle solaire. BDRF peut faciliter les traductions des observations de réflexion en albédo.

La température moyenne de surface de la Terre en raison de son albédo et l' effet de serre est actuellement d' environ 15 ° C. Si la Terre était entièrement gelé (et être par conséquent plus réfléchissant), la température moyenne de la planète chuterait en dessous de -40 ° C. Si seulement les masses continentales se sont couvertes par les glaciers, la température moyenne de la planète chuterait à environ 0 ° C. En revanche, si la Terre était couvert par l' eau - un Aquaplanet soi-disant - la température moyenne de la planète passerait à près de 27 ° C.

Blanc-ciel et albédo noir ciel

Pour les surfaces de terre, il a été montré que l'albédo à un particulier angle zénithal solaire θ i peut être approchée par la somme proportionnelle de deux termes: la réflectance directionnelle hémisphérique à l'angle zénithal solaire, et la réflectance bi-hémisphérique , avec étant la proportion du rayonnement direct à partir d' un angle donné solaire, et étant la proportion de l' éclairement diffus.

Par conséquent, l'albédo réelle (aussi appelée albédo bleu-ciel) peut alors être donnée:

Réflexion directionnelle hémisphérique est parfois appelée albédo noir ciel et réflexion bi-hémisphérique albédo blanc-ciel. Ces termes sont importants , car ils permettent à l'albédo à calculer pour toutes les conditions d'éclairage donné d'une connaissance des propriétés intrinsèques de la surface.

albédo astronomique

Les albédo des planètes , des satellites et des planètes mineures telles que les astéroïdes peuvent être utilisés pour déduire beaucoup sur leurs propriétés. L'étude de l' albédo, leur dépendance à la longueur d' onde, l' angle d'éclairage ( « angle de phase »), et la variation dans le temps comprend une majeure partie du champ astronomique de photométrie . Pour les petits objets et de loin qui ne peuvent pas être résolus par des télescopes, une grande partie de ce que nous savons vient de l'étude de leurs albédo. Par exemple, l'albédo absolue peut indiquer la teneur en glace de la surface de extérieurs Système solaire objets, la variation de l' albédo avec l' angle de phase donne des informations sur regolith propriétés, tandis que l' albédo de radar anormalement élevée indique une haute teneur en métal dans des astéroïdes .

Enceladus , une lune de Saturne, a l' une des albédo plus élevé connus de tout organisme dans le système solaire, avec 99% du rayonnement EM réfléchie. Un autre corps albédo élevé notable est Eris , avec un albédo de 0,96. Beaucoup de petits objets dans le système solaire externe et ceinture d' astéroïdes ont un faible albédo à environ 0,05. Un typique noyau de la comète a un albédo de 0,04. Une telle surface sombre est considérée comme étant indicative d'une primitive et fortement espace tanné surface contenant des composés organiques .

L'albédo global de la Lune est mesurée à environ 0,136, mais il est fortement directionnel et non Lambertian, affichant également un fort effet d'opposition . Bien que ces propriétés de réflexion sont différentes de celles de tous les terrains terrestres, ils sont typiques des régolithe surfaces des corps du système solaire airless.

Deux albédos communes qui sont utilisées en astronomie sont les (V bande) albédo géométrique (mesure de la luminosité lors de l' illumination provient directement derrière l'observateur) et l' albédo de Bond (mesure de la proportion totale d'énergie électromagnétique réfléchie). Leurs valeurs peuvent différer de manière significative, ce qui est une source commune de confusion.

Planète Géométrique Liaison
Mercure 0,142 0,088
Vénus 0,689 0,76
Terre 0,434 0,306
Mars 0,170 0,25
Jupiter 0,538 0,503
Saturne 0,499 0,342
Uranus 0,488 0,300
Neptune 0,442 0,290

Dans les études détaillées, les propriétés de réflexion de direction des corps célestes sont souvent exprimés en termes des cinq paramètres Hapke qui décrivent semi-empirique de la variation de l' albédo avec angle de phase , y compris une caractérisation de l'effet de l' opposition de régolithe surfaces.

La corrélation entre l' albédo astronomique (géométrique), valeur absolue et le diamètre est: ,

où est l'albédo astronomique, est le diamètre en kilomètres, et est la valeur absolue.

Des exemples d'effets albédo terrestre

Éclairage

Albédo ne dépend pas directement de l'éclairage car la modification de la quantité de lumière entrant varie proportionnellement à la quantité de lumière réfléchie, sauf dans les cas où un changement d'éclairement induit un changement dans la surface de la Terre à cet endroit (par exemple, grâce à la rétroaction de la température de l'albédo). Cela dit, l'albédo et l'éclairage varient tous deux par la latitude. Albédo est le plus près des pôles et le plus bas dans les régions subtropicales, avec un maximum local dans les régions tropicales.

effets Insolation

L'intensité des effets de la température albédo dépend de la quantité de l' albédo et le niveau des locaux insolation (irradiance solaire); les zones de haute albédo dans les arctiques et antarctiques régions sont froides en raison du faible ensoleillement, où des domaines tels que le désert du Sahara , qui ont aussi un albédo relativement élevé, sera plus chaud en raison de fort ensoleillement. Tropicales et sous-tropicales forêt tropicale zones ont albédo bas, et sont beaucoup plus chaudes que leurs forêts tempérées homologues, qui ont moins rayonnement solaire. Parce que joue un rayonnement solaire grand rôle dans les effets de chauffage et de refroidissement de l' albédo, les zones de forte insolation comme les tropiques ont tendance à montrer une fluctuation plus prononcée de la température locale lors des changements d'albédo locaux.

Les régions arctiques libèrent notamment plus de chaleur dans l' espace que ce qu'ils absorbent, le refroidissement efficace de la Terre . Cela a été une préoccupation depuis la glace arctique et la neige a été fusion à des taux plus élevés en raison de températures plus élevées, la création de régions dans l'Arctique qui sont notamment plus sombre (étant l' eau ou sol qui est une couleur plus foncée) et reflète moins de chaleur dans l' espace. Cette boucle de contre- réaction se traduit par un effet d'albédo réduite.

Le climat et la météo

Albédo affecte le climat en déterminant la quantité de rayonnement d' une planète absorbe. Le chauffage inégal de la Terre des variations d' albédo entre la terre, la glace ou des surfaces océaniques peut conduire temps .

albédo rétroaction de la température

Les modifications de l' albédo d'une région en raison de chutes de neige, une température de la neige rétroaction résultats. Une couche de neige augmente l' albédo locale, ce qui reflète la lumière solaire à une distance, ce qui conduit à un refroidissement local. En principe, si aucun changement de température extérieure affecte cette zone (par exemple, une ambiance chaleureuse masse d'air ), l'albédo élevé et une température plus basse maintiendraient la neige actuelle et d' inviter encore les chutes de neige, l' approfondissement de la rétroaction de la température de la neige. Cependant, en raison locale temps est dynamique en raison du changement des saisons , éventuellement des masses d'air chaud et un angle plus directe de la lumière du soleil (plus insolation ) provoquer la fusion. Lorsque la zone fondue révèle des surfaces avec albédo plus faible, tels que de l' herbe ou du sol, l'effet est inversé: la surface d'assombrissement abaisse albédo, en augmentant les températures locales, ce qui induit plus fusion et donc de réduire l'albédo plus loin, ce qui entraîne encore le chauffage.

Neige

Albédo de la neige est très variable, allant de 0,9 aussi élevé que pour la neige fraîchement tombée, à environ 0,4 pour la fonte des neiges, et aussi bas que 0,2 pour la neige sale. Au cours de l' Antarctique moyennes albédo de la neige un peu plus de 0,8. Si une zone légèrement couverte de neige se réchauffe, la neige a tendance à fondre, abaisser l'albédo, et conduisant donc à la fonte des neiges plus parce est absorbé plus de rayonnement par le manteau neigeux (la glace albédo rétroaction positive ).

Tout comme la neige fraîche a un albédo plus élevé que ne le fait la neige sale, l'albédo de la glace de mer couverte de neige est beaucoup plus élevée que celle de l' eau de mer. L' eau de mer absorbe plus de rayonnement solaire que serait la même surface couverte de neige réfléchissante. Lorsque la glace de mer fond, soit en raison d'une augmentation de la température de la mer ou en réponse à l' augmentation du rayonnement solaire au - dessus, la surface couverte de neige est réduite, et plus la surface de l' eau de mer est exposée, de sorte que le taux d'augmentation de l' absorption de l' énergie. L'énergie supplémentaire absorbée chauffe l'eau de mer, ce qui augmente la vitesse à laquelle la glace fond de la mer. Comme dans l'exemple précédent de la fonte des neiges, le processus de fusion de la glace de mer est donc un autre exemple d'une rétroaction positive. Les deux boucles de rétroaction positives ont longtemps été reconnu comme important de la théorie moderne du réchauffement de la planète .

Cryoconite , poudre windblown poussière contenant la suie, réduit parfois albédo sur les glaciers et les calottes glaciaires.

La nature dynamique de l'albédo en réponse à des commentaires positifs, ainsi que les effets des petites erreurs dans la mesure de l'albédo, peut conduire à des erreurs dans les estimations de l'énergie. De ce fait, afin de réduire l'erreur des estimations de l'énergie, il est important de mesurer l'albédo des zones couvertes de neige grâce à des techniques de télédétection plutôt que d'appliquer une valeur unique pour albédo sur de vastes régions.

effets à petite échelle

Albédo travaille sur une plus petite échelle, aussi. Dans la lumière du soleil, des vêtements sombres absorbent plus de chaleur et des vêtements de couleur claire reflètent mieux, ce qui permet un certain contrôle sur la température du corps en exploitant l'effet albédo de la couleur des vêtements externes.

effets solaires photovoltaïques

Albédo peut affecter l' énergie électrique sortie solaires dispositifs photovoltaïques . Par exemple, les effets d'un albédo spectralement sensible sont illustrés par les différences entre l'albédo spectralement pondéré de la technologie de l' énergie solaire photovoltaïque à base de silicium amorphe hydrogéné (a-Si: H) et du silicium cristallin (c-Si) à base par rapport à spectral traditionnel prévisions albédo -Intégré. La recherche a montré les impacts de plus de 10%. Plus récemment, l'analyse a été étendue aux effets du biais spectral en raison de la réflexion spéculaire de 22 matériaux de surface fréquemment rencontrés ( les deux faits humains et naturels) et analyse les effets albédo sur la performance de sept matériaux photovoltaïques couvrant trois topologies de système photovoltaïques commun : industriels (fermes solaires), des toits plats commerciaux et les applications résidentielles toit en pente.

Des arbres

Parce que les forêts ont généralement une faible albédo, (la majeure partie de l'ultraviolet et du spectre visible est absorbé par la photosynthèse impacts), certains chercheurs ont suggéré que la plus grande absorption de chaleur par les arbres pourrait compenser une partie des avantages de carbone de boisement (ou compenser le climat négatif de la déforestation ). Dans le cas des forêts à feuilles persistantes avec la réduction de l' albédo de la couverture neigeuse saisonnière peut être assez grande pour que la déforestation pour provoquer un effet de refroidissement net. Les arbres ont également un impact climatique d' une manière extrêmement compliquée par évapotranspiration . La surface provoque un refroidissement sur la vapeur d'eau la terre, provoque le chauffage où elle se condense, agit comme un puissant gaz à effet de serre, et peut augmenter l' albédo quand il se condense en scientifiques de nuages traiter généralement évapotranspiration comme un impact net de refroidissement et l'impact climatique net de l' albédo et évapotranspiration les changements de la déforestation dépend grandement du climat local

Dans les zones saisonnièrement couvertes de neige, albédo d'hiver des zones dénudées sont de 10% à 50% plus élevé que dans les zones boisées à proximité parce que la neige ne couvre pas les arbres aussi facilement. Arbres à feuilles caduques ont une valeur d'environ albédo de 0,15 à 0,18 alors que les conifères ont une valeur d'environ de 0,09 à 0,15.

Des études menées par le Centre Hadley ont étudié l'effet relatif effet (généralement réchauffement) du changement albédo et (refroidissement) de la séquestration du carbone sur les forêts de plantation. Ils ont constaté que les nouvelles forêts dans les zones tropicales et midlatitude ont eu tendance à refroidir; de nouvelles forêts dans les hautes latitudes (par exemple, la Sibérie) étaient neutres ou peut - être le réchauffement.

Eau

Réflectivité de l'eau douce à 20 ° C (indice de réfraction = 1,333)

L' eau réfléchit la lumière différemment des matériaux terrestres typiques. La réflectivité d'une surface d'eau est calculée en utilisant les équations de Fresnel (voir graphique).

A l'échelle de la longueur d' onde de la lumière même de l' eau ondulée est toujours lisse de sorte que la lumière soit réfléchie dans un local de manière spéculaire (non diffuse ). La lueur d'eau lumière éteinte est un effet commun de cela. Pour de faibles angles d'incident de lumière, ondulation entraîne une réflectivité réduite en raison de la pente de la courbe de réflectivité-contre-angle incident et d' un angle d'incidence moyen a augmenté localement.

Bien que la réflexion de l' eau est très faible à angle faible et moyen de la lumière incidente, il devient très élevé à des angles de lumière incidente tels que ceux qui se produisent sur le côté lumineux de la Terre près de la terminaison (tôt le matin, après - midi, et près de les pôles). Cependant, comme mentionné ci - dessus, provoque une réduction ondulation appréciable. Parce que la lumière réfléchie spéculairement de l' eau ne généralement pas atteindre le spectateur, l' eau est généralement considéré comme ayant un albédo très faible malgré sa haute réflectivité à des angles de la lumière incidente.

Notez que les plafonds blancs sur les ondes sont blanchâtres (et ont albédo élevé) parce que l'eau est transformé en mousse, donc il y a beaucoup de surfaces de bulles superposées qui reflètent, en ajoutant leurs réflectivités. glace fraîche « noires » des expositions de réflexion de Fresnel. Neige au-dessus de cette glace de mer augmente l'albédo à 0,9.

Des nuages

Albédo Cloud a une influence considérable sur les températures atmosphériques. Différents types de nuages présentent une réflectivité différente, allant théoriquement albédo d'un minimum de près de 0 à un maximum de 0,8 approche. « Chaque jour, environ la moitié de la Terre est recouverte par les nuages, qui reflètent la lumière du soleil plus que la terre et l' eau. Les nuages gardent la Terre fraîche en réfléchissant la lumière du soleil, mais ils peuvent aussi servir de couvertures à piéger la chaleur. »

Albédo et le climat dans certaines régions sont touchées par des nuages artificiels, tels que ceux créés par les trainées de trafic avion commercial lourd. Une étude qui suit la combustion des champs de pétrole du Koweït pendant l' occupation irakienne a montré que les températures sous les feux de pétrole en feu étaient jusqu'à 10 ° C plus froid que les températures de plusieurs miles loin sous un ciel clair.

effets aérosol

Aérosols (particules très fines / gouttelettes dans l'atmosphère) ont des effets directs et indirects sur le bilan radiatif de la Terre. L'effet direct (albédo) est généralement refroidir la planète; l'effet indirect (les particules agissent comme des noyaux de condensation du nuage et modifier ainsi les propriétés des nuages) est moins certaine. Comme par les effets sont les suivants :

  • Aérosol effet direct. Aérosols dispersent directement et absorbent le rayonnement. La diffusion du rayonnement provoque un refroidissement atmosphérique, alors que l' absorption peut provoquer le réchauffement atmosphérique.
  • Aérosol effet indirect. Aérosols modifient les propriétés des nuages à travers un sous - ensemble de la population d'aérosol appelé noyaux de condensation du nuage . Des concentrations accrues de noyaux de plomb à des concentrations accrues de nombre de gouttelettes de nuages, qui à son tour conduit à albédo des nuages accrue, la diffusion accrue de lumière et (refroidissement radiatif effet premier indirect ), mais conduit aussi à l' efficacité de précipitation réduite et durée de vie accrue du (nuage effet seconde indirect ) .

Carbone noir

Un autre effet lié à l' albédo sur le climat est de noir de carbone des particules. La taille de cet effet est difficile à quantifier: le Groupe d' experts intergouvernemental sur l' évolution du climat estime que le forçage radiatif moyen global pour les aérosols de noir de carbone provenant des combustibles fossiles est +0,2 W m -2 , avec une gamme 0,1 à 0,4 W m -2 . Le carbone noir est une cause plus importante de la fonte de la calotte polaire dans l'Arctique que le dioxyde de carbone en raison de son effet sur l'albédo.

Activités humaines

Les activités humaines (par exemple, la déforestation, l'agriculture et l'urbanisation) modifient l'albédo de diverses régions du monde. Cependant, la quantification de cet effet à l'échelle mondiale est difficile.

D'autres types de albédo

Albédo de diffusion de l' unité est utilisée pour définir la diffusion des ondes électromagnétiques sur de petites particules. Cela dépend des propriétés du matériau ( indice de réfraction ); la taille de la particule ou des particules; et la longueur d'onde du rayonnement incident.

Voir également

Références

Liens externes