CARACTERISATION OPTIQUE DE DIFFERENTS TYPES DE NEIGE. EXTINCTION DE LA LUMIERE DANS LA NEIGE

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Submitted on 1 Jan 1987

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CARACTERISATION OPTIQUE DE DIFFERENTS TYPES DE NEIGE. EXTINCTION DE LA LUMIERE

DANS LA NEIGE

C. Sergent, P. Chevrand, J. Lafeuille, D. Marbouty

To cite this version:

C. Sergent, P. Chevrand, J. Lafeuille, D. Marbouty. CARACTERISATION OPTIQUE DE DIF- FERENTS TYPES DE NEIGE. EXTINCTION DE LA LUMIERE DANS LA NEIGE. Journal de Physique Colloques, 1987, 48 (C1), pp.C1-361-C1-367. �10.1051/jphyscol:1987150�. �jpa-00226296�

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CARACTERISATION OPTIQUE DE DIFFERENTS TYPES DE NEIGE.

EXTINCTION DE LA LUMIERE DANS LA NEIGE

C. SERGENT, P. CHEVRAND, J. LAFEUILLE e t D. MARBOUTY

Direction de la Météorologie Nationale, Centre dlEtudes de la Neige, B.P. 44, F-38402 St-Martin-d'Hères Cedex, France

FESUME :

La cornplexit4 des particules qui constituent le materiau neige ne permet pas un calcul rigoureux de ses paramgtres optiques pour lesquels il est donc necessaire de recourir à l'expérience. L'extinction de la lumiPre a ét4 mesurée pour différents types de neige, dont le givre de profondeur, et pour des bandes spectrales allant du visible au proche infra-rouge. Les donnees experimentales montrent une nette dépendance envers la taille des cristaux (D) en D - l H a et r4vPlent l'effet de la pollution.

BBSTRACT :

The complex ice texture of the snow medium unables an exact calculation of its optical paranhters, .thus making measurernents necessary. Flux extinction has been measured for various snow types, amone which depth hoar. and for near infra-red and visible wavelengths. the data collected are stmngly depending on grain size

(D> as D-"* and on impurity content.

1) UTRODUCTION :

La connaissance de l'interaction entre le rayonnement et la neige est fondamentale pour évaluer le bilan énergétique du manteau neigeux et des glacierS.Dans la neige, considérée A l'échelle macroscopique corne un milieu homogène absorbant et diffusant, l'extinction de la lumiere est décrite par l'équation du transfert radiatif. En supposant le milieu fortement diffusant, l'approximation d e SCHUSTER- SCHWARZSHILD ( 1 ) et l'intégration sur 2 demi-espaces conduisent 3 un modele à 2 flux (2),(3),où les flux descendant ( Y ) et ascendant ( 2 ) . sont fonction d e la profondeur (x), du cotZfficient (k) d'absorption de la neige et d u coefficient tr) de rétrodiffusion. Lorsque l'albédo de la surface inférieure est égal A celui de la neige dans le cas d'un milieu fini ( 4 ) , et d'un milieu semi-infini, les flux sont des fonctions exponentielles d e la profondeur tx) :

Y = Y , e - B X avec :

B = 2 ( ~ ~ + 2 ~ r ) l 2 coefficient d'extinction apparent par unité de profondeur.

On définit e n outre un coefficient d'extinction par unité d'équivalent en eau : B o = B/P avec P densité de la neige.

L'absorption étant fonction de la matiere traversée, o n a pour un rayonnement monochromatique d e longueur d'onde ( h l :

K( A ) = Ki( 1) P/Pi

où k+( X ) est le coefficient d'absorption de la glace. P et piles densites respectives de la neige et de la glace.

A 1 'échelle microscopique, la rétrodif fusion est liée a la présence d' interfaces glacelair. Elle est fonction de la surface spécifique CS) du mileu. pour des particules de glace de géombtrie donnée (sphbres, aiguilles.plaquettes.

..)

^on^a^:

S = ( Y/D) ( P / pi

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1987150

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Cl-362 JOURNAL DE PHYSIQUE

où D est un param6tre de taille et Y un coéfficient dépendant de la géométrie des grains. Ces remarques conduisent a une expression de la forme:

B ( A ) = Q ( K ~ ( A ) / D ) ~ ' * (O/pi)

où a est un coefficient inconnu caractéristique de la forme des particules.

L'optique g6omPtrique appliquée à des grains sphériques ( 5 ) conduit 2 une relation

dli même type où : a = 0.84

1,cs modèles basés sur la diffusion de Mie ( 6 ) obtiennent des résultats trés voisins dans le visible, et permettent en outre la prise en compte de la pollution de la neige. Les mesures des paramètres optiques de la neige réalisées pour différentes longueurs d'onde 7 , 8 9 1 0 restent parcellaires, peu nombreuses et. les types de neige 6tudiés sont souvent décrits de façon sommaire.

L1exp6rimentation d6crite ci-dessous visait donc 3 préciser les relations entre le coPfficient d'extinction défini 2i l'échelle de la couche de neige et les caractéristiques des grains pour des neiges naturelles variées.

TI) METHODOLOGIE :

Les mesures expérimentales ont été effectuées en chambre froide dans un laboratoire situé au Col de Porte(1300m). dans le Massif de La Chartreuse(A1pes).

Ce site assez bien enneigé permet le prélèvement d'échantillons de types variés.

Pour créer les conditions d'un milieu semi-infini, les échantillons doivent être places dans des carottiers dont les parois sont réfl6chissantes. et dont le fond a un albédo voisin de celui de la neige. La surface libre est soumise A un rayonnement diffus. Les mesures de flux lumineux dans les échantillons ont été effectuées 3 l'aide d'une fibre optique afin de perturber au minimum la propagation du rayonnement, pour 13 bandes spectrales de 50 nanomètres centrées de

400 a ¹⁰⁰⁰nm. Les cristaux de neige constituant les échantillons ont été caractérisés en dimension et en forme par macrophotographie.

III) MONTAGE EXPERIMENTAL : Ecran.diffurant

Ig3 r BANC DE MESURE. -EXPERIMENTAL DEVlCL

Le banc de mesure(fig.1) qui a &té utilisé peut être décomposé en trois maillons:

a) La source de rayonnement diffus :

Une lampe 21 filament de tungstene quartz haloghne de 250 watts dont le spectre d16mission recouvre bien le domaine spectral étudié(400 a 1000nm). éclaire un écran diffusant.

b) Le carottier :

Construit de forme cylindrique, de dimensions assez grandesidiam&tre intérieur de 19 cm, et longueur de 20 ou 30 cm), et revêtu intérieurement d'adhésif aluminium, il permet au mieux d'imposer des conditions aux limites en accord avec lVhypoth&se de eiemi infinité.

c) Le svstème de mesure des flux lumineux transmis :

Ce maillon est constitué en premier lieu d'une fibre optique de 4 mn de diametre ins6rée dans une gaine d'acier de 8 mn de diametre extérieur.Introduite A

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à

Cette fibre optique est reliée à un photomultiplicateur dont la tête est munie d'un systhme porte-filtre. Le photomultiplicateur est connecté à un radiometre dont la gamme de mesure s'étend de 2.10-s 2 1.10-7z Ampères.

IV) RESULTATS EXPERIMENTAUX :

28 échantillons de neige allant de la neige fraîche au givre de profondeur et aux grains ronds ont fait l'objet d'expérimentations. On vérifie qu'il existe une décroissance exponentielle du flux au sein de l'échantillon(fig.2) dés que la profondeur atteint 3 cm. Chacun des échantillons peut être représenté par 13 valeurs de coefficients d'extinction relatives aux 13 bandes spectrales choisies.

PWR DIFFERENTS TYPES DE NEIGE

. ( y ) GIVRE DE PROFONOEUR

Fig.Z : VALEURS DE TRANSMISSIVITE SELON LA PROFONDEUR DANS L'ECHANTILLON.

TRANSMISSIVITY VERSUS SNOW DEPTH.

Fig. 3 : VALEURS EXPERIMENTALES

DE^

^{0 )}^{W U R}

-

DIFFERENTS TYPES DE NEIGE.

EXPERIMENTAL VALUES OF <B. ^VERSUS(A)

FOR VARIOUS SNOW TYPES.

a ) Analvse lobal le des résultats :

La figure no3 montre les variations des6 (1) moyens obtenus pour 5 types de neige étudiés. On peut noter que dans le domaide du visible les valeurs de 8, observent une certaine stabilité avec un minimum entre 500 et 600 nm.alors que dans le proche infra-rouge la croissance est assez rapide lorsque la longueur d'onde augmente. Les positions relatives des courbes montrent que le vieillissement de la neige s'accompagne dTune baisse des valeurs des 6,(A) ,donc dlune augmentation de la transparence. Cependant on ne peut distinguer si le vieillissement est dO à une métamorphose de gradient ou de fonte.

b) Comparaison avec les valeurs expérimentales connues :

La figure n04 montre les valeurs mesurées par différents auteurs. Celles de Hellor sont supérieures aux nôtres et montrent une décroissance dans le visible. Mais il semble que le système expérimental utilisé ne vérifiait pas l'hypothèse de semi- infinité. Celles trouvées par Grenfell et M.,et par Kuhn et S.donnent par contre des courbes ayant des allures comparables aux nôtres pour le domaine du visible mais avec des valeurs environ 2 fois plus faibles. Il faut cependant noter le peu d'indication concernant les neiges utilisées par ceux-ci. Aucun résultat ne concerne le givre de profondeur. En outre leS.neiges qu'ils ont expérimentées provenaient de l'Antarctique ou drAlaska et n'étaient donc que faiblement polluées.

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Cl-364 JOURNAL DE PHYSIQUE

c ) Analyse statistique des mesures :

Les coefficients de corrélation entre les 6 ( A ) sont supérieurs 3 0.85 pour la plupart, ce qui montre une certaine redondance entre les différentes longueurs d'onde. L'analyse en composantes principales montre que 97% de llinformation est fournie par les deux premiers vecteurs propres,le premier en représentant à lui seul 92%. Le premier axe principal représente l'extinction moyenne quelle que soit la longueur d'onde. L'axe 2 représente le comportement spectral, dépendant probablement de la plus ou moins grande pollution. L'examen des cercles de corrélation permet de distinguer deux groupes de longueurs d'onde dont les comportements sont léggrement différents: d'une part, le groupe des longueurs d'onde supérieures à 800 nm et d'autre part celles qui sont inferieures à 750 nm.

AI-A2-A3-A4 : MELLOR 1965 @ = 0.2 mm Bo BI-B2-B3 : MELLOR 1965 = 0.3 mm

'

^Cl-C2-C3^:^MELLOR¹⁹⁶⁵

^a.=

^0.6^mm

A : GRENFELL et MAYKUT : Neige sèche - Dry snow B : GRENFELL et ILIAYKUT : Neige fondante

-

^Melt^snow

C : KUHN et SIOGA : Neige sèche - Dry snow

1"'"-''

400 500 600 700 400 500 600 700 800

F i

.

^{n o 4} VALEURS EXPERIMENTALES CONNUES.

-:EXPER!MENTAL VALUES F R ~ M FORMER s ~ u m s .

d) Influence de la dimension des mains de neirze;

La définition d'un parametre de taille pour les grains de neige pose une difficulté de principe. Ils ont en effet des formes complexes et différentes même au sein d'un échantillon qualifié d1homog@ne. Plusieurs parametres de taille peuvent être envisagés : rayon de courbure moyen. rapport volume/surface... Le choix que nous avons opéré est donné par le tableau nO1.

Les figures n05 et n06 où sont portées les valeurs de Bo( A) en fonction des diamètres des grains pour 2 longueurs d'onde montrent une décroissance en iD-1'2).

Ceci est en accord avec la formulation établie par Bohren et Barkstrom 3 partir de l'optique géometrique, et avec les résultats du modéle de Wiscombe et Warren.

Cependant, les valeurs que nous avons mesurées sont légérernent supérieures aux leurs dans le proche infra-rouge et environ 10 fois supérieures dans le visible.

l

TYPES DE NEIGE

...

Etoiles i

+

¹et particules reco~aissables i A ⁾

Grains fins (

.

¹^{et grains}

ronds i O )

1

Givre de profondeur i A )

PARAMETRES DE TAILLE CHOISIS

---

DiamPtre moyen des dendrites.

I

DiamPtre moyen des granules de glace qui composent le grain.

l

DiamPtre moyen des grains.

1

Racine c a r d e de la section

I

moyenne.

,-

---

-- 1

Tableau n o l : Paramètres de taille choisis suivant le type de neige.

Size parameters versus snow types.

(6)

selon l e diamètre des grains.

-

X Valeurs selon Bohren et B. )

neige pure Valeurs selon Wiscombe et W. )

450

t

selon le diamètre des grains.

7 4

= 900 N M . ~

Il+

Valeurs selon Bohren et B. 1

) neige I Valeurs selon Wiscombe et W. )

pure

Fig. no 5 e t 6 : VALEURS EXPERIMENTALES DE Bo POUR OES LONGUEURS D'ONOE DONNEES SELON LE PARAMETRE CE TAILLE (D).

B o EXPERIMENTAL VALUES FOR GIVEN WAVELENGTHS VERSUS ( D ) . 300--

250..

700..

150..

100..

50

O

e > Influence de la pollution :

Les travaux de Wiscombe et Warren sur la neige polluée (WWII) peuvent apporter une ex~lication aux écarts constatés. Ceux-ci ont montré sue pour une neige polluée le

*

Valeurs selon Wiscombe et W. *Valeurs selon Wiscombe et W.

pour une neige polluée par 0.5 ppm de suie. p pour une néige polluée par 0.5 ppm de suie.

.

! '!

- .

f

. -

m, A

O . b

O 0

O

.. 8 50 -- ^L

C

+

- ^D^{( m m )} ^D^{( m m )}

& : : : G : : ; : Z : : :

o. 1 O! 5 TT O o o . : , : :

:,-;-

- .

cokf f icient dl extinction est globalement plus important, et amoindrit les différences d'extinction entre le visible et l'infra-rouge(fig. n07). Au cours de nos manipulations nous avons noté que l'échantillon considéré comme visuellement le moins pur(éch. 1-1027) présentait le plus faible rapport @(1000)/ B(500). Les valeurs que nous avons mesurées montrent un trés bon accord avec les résultats pr6vus par le modèle WWII. pour une neige polluée par une concentration massique de 0.5 ppm de suie. Or, bien que de nature différente, la pollution relevée sur les neiges que nous avons étudiées semble Btre équivalente du point de vue optique.

Celles-ci contenaient 27 ppm de débris essentiellement minéraux.

Tableau n02 : Valeurs du rapport g(l000)/ P(500) pour les échantillons étudiés.

Values of the ratio g(1000)I p(500) for the studied snow samples.

8 (1000)

-Bo

1.62 (Hinimum)

2.18

2 . 9 3

(Maximum)

TYPE DE NEIGE Neige w a i n s

ronds Ech. No 27

( impure )

Moyenne des 28 Ech.

Neige recente Ech. No 5

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JOURNAL DE PHYSIQUE

VALEURS DE Bs(X) SELON E MODELE WW&

P Ps ;. . -

B o .

-g- : VALEURS D E @,(A) POUR DES NEIGES POLLUEES.

@,(A) VALUES VERSUS WAVELENCTHS FOR VARIOUS IMPURITY CONTENTS.

f ) Influence de la densité :

La théorie simplifiée évoquée au paragraphe 1, prévoit une dépendance linéaire entre 8 et p

.

Certains auteurs, suggérent toutefois que des effets secondaires ("Effets de champs proches", "Effets d'ombre") pourraient induire des écarts par rapport à cette formulation linéaire soit :

B = A p B

avec : B c 1

NOUS avons donc cherché une relation entre le coefficient d'extinction B et la densitep en éliminant l'effet de la taille des grains. Les figures no 8 et 9 pour deux longueurs dlonde,tvisible et proche infra-rouge) montrent la répartition des valeurs de

fia

en fonction de la densité pour l'ensemble des échantillons Qtudiés.

Les valeurs obtenues sont relativement dispersées en raison de l'erreur faite sur l'évaluation des paramètres de taille. Cependant, ces résultats n'infirment pas l'hypothèse d'une dépendance linéaire dans le domaine spectral considéré.

Fi n 8 et 9 : Valeurs d

* n c t i o

n de

la densité p . '

Values of @fi versus densit y p .

- . ..-

Figure 8 Figure 9

(8)

Le flux incident qui n'est pas parfaitement diffus et les parois des carottiers dont l'albédo est inférieur 3 1 , provoquent probablement une surestimation du phénomène d'extinction dans nos résultats. Ces effets sont cependant limités grece à l'utilisation d'une fibre optique au centre d'échantillons de diamètres assez grands. L'inhomogénéité, inhérente au matériau neige, est également une source d'erreur inévitable. Ces premiers résultats peuvent être affinés en apportant A l'avenir une attention particuliere aux points suivants:

-Analyse systèmatique du contenu en impuretés des échantillons.

-Mesure objective des tailles des particules par digitalisation d'images.

-Definition plus prbcise du paramètre de taille pour chaque classe de formes.

-Amélioration de l'albédo des limites latérales de l'échantillon.

Les mesures effectuées ont permis néanmoins une comparaison synthétique des différents types de neige naturelle vis à vis de l'extinction de la lumiere sur un large spectre.

REFERENCES :

( 1 > Sobolev V.V. A treatise on radiative transferl.Van Nostrand.(1963).42-46.

( 7 ) Dunkle R. and Bevans J.T. Journal of Météorology. v01.13.(1954).212-216.

( 3 ) Giddings J.C. and Lachapelle E. Journ. of GPophys. Research.Vol.66.N01.(1961

).

(4) Lafeuille J. Note de travail de 1'EERH N0100.(1984).

( 5 ) Bohren C.F. and Barkstrom B. Journal of Glaciology.Vol.11 N063.(1972). 357-

368.Journal of Géophysical Research.Vo1.79.N030.(1974). 4527-4535.

( 6 ) Wiscombe J. and Warren SG.Journa1 of Atmospheric Sciences.Vol.37.(1980). 2712- 2744.

( 7 ) Liljequist G.H.Norwegian-British-Swedish Antarctic Expedition 1949-52.

Scientific results.Vol.2 part 1A. Norsk Polarinstitutt. Oslo.(1956).

(8) Mellor M.USA.CRREL.169.(1965).

(9) Grenfell TC. and Haykut GH.Journ. of Glaciology. Vol 18.N080.(1977). 445-463.

( 1 0 ) Y.uhn M. and Sioga L.Antarctic Journal of United States.(l978).