Influence de l'éruption du Mt. Pinatubo sur le rayonnement solaire

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Influence de l'éruption du Mt. Pinatubo sur le rayonnement solaire

INEICHEN, Pierre, et al.

INEICHEN, Pierre, et al. Influence de l'éruption du Mt. Pinatubo sur le rayonnement solaire. In:

CISBAT'93 : Conférence internationale Energie solaire et bâtiment. 1993. p. Lausanne

Available at:

http://archive-ouverte.unige.ch/unige:99314

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ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE

CISBAT'93

LAUSANNE 1993

CISBAT'93

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Conférence Internationale Energie Solaire et Bâtiment

Lausanne 30 sept. - 1er oct. 1993 Laboratoire d'Energie Solaire et de Physique du Bâtiment

En collaboration avec ENET un service de l'Office Fédéral de l'Energie

Résumé.

Influence de l'éruption du Mt. Pinatubo sur le rayonnement solaire.

4 chemin de Conches CH - 1231 Conches

Richard Perez,

J.J.

100 Fuller Road USA - Albany, NY 12205

Lors de la plupart des éruptions volcaniques, les poussières éjectées n'atteignent pas la stratosphère et sont rapidement ramenées au sol par les précipitations. En 1982 et en 1991, deux éruptions particulièrements violentes ont injecté respective- ment 6 millions et 20 millions de mètres cube de dioxyde de soufre (SO) dans la stratosphère: celle de El Chichon au Mexique et celle du Mt. Pinatubo aux Philippines. Ces résidus se transforment en acide sulfurique (H₂S0₄⁾ et, mélangés à de la vapeur d'eau, restent en suspension sous forme d'aérosols jusqu'à sédimentation vers la troposphère, puis sont ramenés jusqu'au sol par les précipi- tations. L'analyse de données mesurées en plusieurs sites de l'hémisphère nord et à différentes latitudes à permis de mettre en évidence une diminution de 15% à 20%

du rayonnement direct dans les mois qui suivirent l'éruption.

Abstract.

The Philipine volcano Mt. Pinatubo put 20'000 ktons of S0₂ in the stratosphere. S0₂ is converted in H₂S0₄^, which combines with water vapor to produce aerosol. Sin ce there is no weather in the stratosphere and the aerosol is small, these aerosol particles can remain suspended for years. Mt. Pinatubo's peak extinction in the direct solar irradiance during 1992 was between 15% and 20%. Data from northern, mid-latitude sites are examined to compare the consequences of the volcano's eruption on the global and direct irradiance.

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Introduction.

Depuis 14 ans, le Total Ozone Mapping Spectromètre (TOMS) installé à bord du satellite Nimbus-7 effectue des mesures de la concentration en S0₂ et ozone de la stratosphère. Au lancement de ce satellite, sa mission était entièrement axée sur la mesure de l'ozone. En avril1982, après l'éruption du volcan El Chichon, de grosses interférences sont venues perturber les mesures; elles ont été mises en évidence par des valeurs trop élevées d'ozone dans la région de Mexico et ont été attribuées au S0₂^• Un nouvel algorithme a donc été utilisé pour les déterminations de la quantité de S0₂ à partir des données de TOMS [1]. La méthode utilisée pour l'évaluation de ces données est basée sur une mesure de l'albédo ultraviolet et la précision en est de l'ordre de ± 30%.

L'éruption du Mt Pinatubo a commencé le 15 juin 1991 vers midi et a injecté dans la stratosphère une masse d'environ 18'000 ktonnes de S0₂• Le soufre est converti en H₂S0₄ et mélangé à de la vapeur d'eau. Les échanges entre la stratosphère et la troposphère se font principalement sous forme de sédimentation après coagulation des aérosols; ce processus peut prendre plusieurs années. Une telle quantité d'aérosols va influencer les interactions du rayonnement lors de la traversée de l'atmosphère: une partie du rayonnement sera réfléchie en-dehors de l'atmos- phère, et une plus grande diffusion du rayonnement direct aura lieu. Les consé- quences seront une diminution de quelques pour cents de l'éclairement énergéti- que total et une variation importante dans la répartition du rayonnement entre le direct et le diffus. Nous avons utilisé pour cette étude des mesures de rayonne- ments effectuées à d'autres fin et de façon continue sur une période allant de une à deux années précédant l'éruption et jusqu'à fin 1992.

Données.

Nous avons utilisé des données mesurées en trois points des Etats-Unis et à Genève: Las Cruces au Nouveau Mexique (latitude de 32oN), Kramer Junction en Californie (la ti tude 35° N), Boulder au Colorado (la ti tude 40° N) et Genève (latitude 46°N).

Pour toutes les banques de données utilisées, nous disposons des valeurs en moyennes horaires, pour les deux ou trois heures précédant et suivant le midi solaire. Cette coupure permet de limiter les effets dus à la masse d'air optique traversée, à la hauteur du soleil et à quelques autres dépendances avec la géométrie.

Rayonnement direct.

De façon à isoler les effets dus aux variations climatiques saisonnières, nous avons utilisé un maximum de données mesurées avant l'éruption pour en extraire u~~

"année de référence". Nous avons moyenné le rayonnement dire et incidez:t par ae clair pour toutes les tranches horaires pour lesquelles celui-ci était supéneur à un

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seuil de 600 [W /m²] à Las Cruces et 400 [W /m²] à Genève. Les courbes ainsi obtenues sont représentées sur les figures ci-dessous (0.0 =1er janvier, 1.0

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Variation saisonnière du rayonnement direct par ciel clair

Las Cruces Genève

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Année moyenne (0 -> 1 j Année moyenne (0 -> lj

On constate sur ces figures que les maxima ne se produisent pas à la même période de l'année pour ces deux stations: à Las Cruces, le ciel est très souvent clair et peu turbide, et la variation de la constante solaire due à l'ellipticité de la trajectoire de la terre domine, il en résulte un rayonnement direct plus faible en été. A Genève, les phénomènes météorologiques (turbidité et couverture nuageuse plus impor- tante, latitude plus élevée) dominent et la tendance est inverse.

Nous avons ensuite déduit ce bruit de fond saisonnier de la période complète de mesure et représenté les résultats obtenus sur les figure suivantes :

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1989 1990

Déficit de rayonnement direct pour Las Cruces et Genève

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1991 1992 1990 U91

Année

1992 1993

Année

On constate que durant la période précédant l'éruption, nous avons des variations irrégulières et non cycliques de l'ordre de ±20 [W /m^2] pour Las Cruces et de

±40 [W /m²⁾ pour les données de Genève. La variation plus importante pour Genève s'explique par un nombre plus restreint de points et par un climat plus variable (beacoup moins de conditions clairs).

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A partir de l'éruption du Mt Pinatubo, on peut constater une diminution très significative du rayonnement direct de l'ordre de 150 [W /m^2]; elle est du même ordre de grandeur pour les deux sites. Il apparaît également sur ces graphlques que l'effet de ces aérosols a été ressenti plus tard aux latitudes de Genève. En effet, si la vitesse des nuages de soufre est assez élevée au niveau de la stratosphère dans une direction parallèle à 1' équateur (vi tesse moyenne d'environ 35 [rn 1 s] durant les 3 premiers jours),la composante sud-nord est en revanche beaucoup plus faible et les effets n'apparaissent qu'au courant de l'automne sur les données de Genève.

On constate également sur ces graphlques une remontée du rayonnement au cours de l'été qui suit l'éruption et une amorce de rechute pour l'hlver suivant. Ce phénomène, par ailleurs déjà observé après l'éruption du volcan El Chlchon en 1982 est vraisemblablement dû à des courants saisonniers de masses d'air polaires au niveau de la stratosphère. Si l'on considère l'hypothèse que l'atténuation du rayonnement direct suivra ces prochaines saisons les mêmes fluctuations que celles observées après El Chlchon, on peut s'attendre à un déficit de l'ordre de 70 [W /m^2] durant l'hiver 1993-94. L'année suivante, l'ordre de grandeur de ce déficit devrait rejoindre celui du bruit de fond.

Rayonnement global.

Une étude comparable peut être faite concernant le rayonnement global. Nous avons utilisé l'indice de clarté corrigé Kt' comme paramètre d'évaluation, celui-ci étant indépendant de la masse d'air optique traversée [3]. Par la même méthode que pour le rayonnement direct, nous avons isolé la varia ti on saisonnière et obtenu la courbe de la figure de gauche ci-dessous pour Las Cruces.

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Evolution de Kt' pour la station de Las Cruces

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19110 1&91 1992

Année

Le nombre impressionnant de points avec un indice de clarté élevé permet une évaluation aisée de cette courbe. La figure de droite représente les données indépendantes de la saison. On constate une baisse légère de Kt' de l'ordre de 0.05 mais néanmoins significative en comparaison du bruit de fond (environ 0.01).

Cette baisse correspond à un déficit d'environ 35 [W /m^2] sur le rayonnement global. Ce résultat est compatible avec une étude effectuée au Langley Research Center de Viginie aux Etats-Unis sur la base des mesures du satellite ERBS de la

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NASA, qui a montré que la température du globe a chuté d'environ 0.5

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quelques mois après l'éruption, et que le rayonnement réfléchi par l'atmosphère a augmenté de 3.8%.

Nous avons essayé de confirmer cette variation au moyen des données de Genève.

Malheureusement le bruit de fond étant beaucoup plus élevé et la série de données moins importante, aucun déficit significatif n'a pu être mis en évidence.

Autres sites.

Une étude similaire a été effectuée sur les données des deux autres sites. Pour Golden, seul le rayonnement direct était disponible et les courbes obtenues confirment en tous points les résultats ci-dessus: un bruit de fond de ±30 [W /m^2], une diminution d'environ 200 [W /m²] ayant lieu au début de l'automne 1991, un retour à -75 [W /m^2] et une rechute à l'automne 1992.

En ce qui concerne la station de Kramer Junction, seul le rayonnement global y est mesuré et les données ne couvrent pas 1992. Une légère diminution de l'indice de clarté Kt' y est visible, mais l'ordre de grandeur ne dépasse que très légèrement celui du bruit de fond saisonnier.

Effets sur les systèmes solaires à concentration.

Une baisse importante de production des systèmes solaires à concentration dans le sud de la Californie a été à l'origine de cette étude. En effet, le déficit de production en hiver et printemps 1992 a atteint 30% et les régies électriques des Etats-Unis ont cherché à comprendre cette perte et à prévoir les incidences sur la production des années à venir.

L'impact de ce déficit de rayonnement direct sur les systèmes thermiques à concentration est important. En effet, ces systèmes ne se mettentenroutequ'à partir d'un certain seuil d'ensoleillement et une diminution du rayonnement direct incident en réduit de façon significative le temps de fonctionnement. Nous avons évalué la quantité d'énergie disponible au-dessus de différents seuils sur la base des données de Las Cruces. On constate l'importance de cet effet sur la figure ci- contre où nous avons repré-

senté la disponibilité relative ^120,. ,.---- -...-- - --.---r---, de rayonnement direct pour

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différents seuils de rayonne-

ment. ~ ~---+----~-~~~~r+~v~~~

00 90 01 92 9J

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Remerciements

Cette étude a pu être menée à bien grâce au soutien du National Science Foundation, du Office of Health and Environmental Research et du US DOE et de l'Office Fédéral de l'Energie. Les données de Las Cruces, Kramer Junction et Golden ont été fournies par Le NERL de Sandia.

Bibliographie

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Global Tracking of tlze

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