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TECHNIQUE

LE RAYONNEMENT SOLAIRE

■ Composition du rayonnement solaire

Le rayonnement solaire qui atteint la terre est compose d'environ 3 % d'ultraviolets (UV), 55 % d'infrarouges (IR) et 42 % de lumière visible.
Ces trois parties du rayonnement correspondent chacune a une gamme de longueur d'onde.
L'ultraviolet s’étend de 0,28 a 0,38 μm*, le visible de 0,38 a 0,78 μm et l’infrarouge de 0,78 a 2,5 μm.
La répartition énergétique du rayonnement solaire global, en fonction de la longueur d’onde entre 0,3 et 2,5 μm (spectre), pour une surface perpendiculaire à ce rayonnement, est représentée par la courbe ci-dessous.
Ce spectre relève des définitions de la norme EN 410 et d'un certain nombre de Paramètres normalises concernant la caractérisation de l'air et du rayonnement diffus.

■ Sensation lumineuse

La sensation lumineuse que nous éprouvons est due à l'action du seul rayonnement électromagnétique de longueurs d'ondes comprises entre 0,38 μm et 0,78 μm.
Ce sont, en effet, ces radiations qui, avec une efficacité variable sur l’œil suivant leur longueur d'’onde, permettent le phénomène physiologique de la vision.
L’efficacité lumineuse des différentes radiations permet de transformer le flux énergétique émis par une source de rayonnement en flux lumineux.

■ Caractéristiques spectrophotométriques - Rayonnement

Lorsqu'un rayonnement vient frapper un vitrage, une partie est reflechie, une autre est absorbée dans l’epaisseur du verre et une troisieme est transmise.
Les rapports de chacune de ces 3 parties sur le flux incident définissent le facteur de réflexion, le facteur d'absorption et le facteur de transmission de ce vitrage.
Les traces de ces rapports pour l’ensemble des l'ongueurs d'’ondes constituent les courbes spectrales du vitrage.
Pour une incidence donnée, ces rapports dépendent de la teinte du vitrage, de son épaisseur.

■ Facteurs de transmission, de réflexion et d'’absorption énergétiques

Les facteurs de transmission, de réflexion et d'absorption énergétiques sont les rapports des flux energetiques transmis, réfléchis ou absorbés au flux énergétique incident.
Ils sont déterminés pour des longueurs d’ondes comprises entre 0,3 et 2,5 μm.

■ Facteurs de transmission et de réflexion lumineuse

Les facteurs de transmission et de réflexions lumineuses d'un vitrage sont les rapports des flux lumineux transmis et réfléchis au flux lumineux incident.
Ces facteurs calculés selon la norme EN 410 sont des valeurs nominales, de légères variations pouvant intervenir en fonction des fabrications.
Certains vitrages très épais ou multiples (doubles vitrages et vitrages feuillètes), même non teintes, peuvent produire par transmission un certain effet verdâtre ou bleuâtre variable suivant l'épaisseur totale du vitrage ou de ses constituants.

■ Facteur solaire G

Le facteur solaire G (anciennement FS) d’un vitrage est le rapport entre l'énergie totale entrant dans le local à travers ce vitrage et l'énergie solaire incidente.
Cette énergie totale est la somme de l'énergie solaire entrant par transmission directe, et de l'’énergie cédée par le vitrage à l’ambiance intérieure à la suite de son échauffement par absorption énergétique.

Des différents types de vitrages fonction des facteurs de transmission et d'absorption énergétiques en prenant par convention :
- le spectre solaire tel que défini par la norme;
- les températures ambiantes intérieure et extérieure égales entre elles ;
- les coefficients d'échange du vitrage vers l’'extérieur de he = 23W/(m2.K) et vers l'’intérieur de hi = 8W/(m2.K).

■ Comment... se forme un arc-en-ciel ?

D'où vient cette magnifique bande multicolore que l'on observe après un orage ? Pour le comprendre, plongée dans l'univers de la lumière.

Dès l'antiquité, les arcs-en-ciel intriguaient les savants : Aristote pensait par exemple qu'ils étaient dus à la réflexion du soleil sur les nuages. Mais c'est Isaac Newton, qui en 1666 expliqua l'origine de ses couleurs.
Il faut d'abord savoir que la couleur est la manifestation d'une lumière (elle-même une onde électromagnétique) d'une certaine longueur d'onde (1). Le domaine du visible s'étend d'une longueur d'onde de 400 nanomètres (correspondant à ce que nos yeux perçoivent comme du violet) à une longueur d'onde de 670 nanomètres (le rouge).

Mais la lumière émise par le Soleil est "blanche", c'est à dire qu'elle se compose d'une sorte de mélange d'ondes lumineuses de longueurs d'onde (donc de couleurs) différentes. Si l'on décompose cette lumière blanche en ses constituants, on obtient le spectre de la lumière visible.
Une décomposition qui intervient lors du phénomène de diffraction.

Or, lorsqu'il pleut, chaque goutte d'eau réalise une diffraction : celle-ci réfléchit la lumière blanche du Soleil en déviant ses différentes composantes suivant des angles différents. Apparaissent ainsi sept couleurs : rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo et violet.

Morceau de cercle visible
L'angle de déviation dépend en effet de la longueur d'onde : on peut donc voir un arc avec les différentes couleurs successives. Par exemple, la lumière bleue est réfléchie suivant un angle de 40,5° par rapport aux rayons du Soleil, et la lumière rouge suivant un angle de 42,4° (ces angles correspondent aux angles Soleil-goutte-œil). Voici pourquoi le rouge est vu au bord supérieur de l'arc en ciel par l'observateur.

Et voilà aussi pourquoi il faut donc, pour observer l'arc-en-ciel, que le soleil soit situé au-dessous de 42° de hauteur. Peu de chance d'en observer un à midi ! Inversement, plus le soleil est bas sur l'horizon, et plus l'arc-en-ciel est haut. Mais vous ne pourrez jamais voir un demi-cercle complet, à moins d'être en montagne ou dans un avion. Dans ce dernier cas, on peut même voir le cercle en entier.
Par ailleurs, selon la grosseur des gouttes, l'arc-en-ciel sera plus ou moins coloré. En effet, les gouttes très fines (dans le cas de la bruine par exemple), dispersent mal la lumière : l'arc-en-ciel sera très pâle.

L'ENERGIE SOLAIRE

■ Effet de serre

L'energie solaire entrant dans un local a travers un vitrage est absorbée par les objets et les parois interieures qui en s’echauffant, réémettent un rayonnement thermique situe principalement dans l’'infrarouge lointain (superieur a 5 μm).
Les vitrages, même clairs, sont pratiquement opaques aux radiations de longueur d’'onde supérieure à 5 μm.
L'énergie solaire entrant par les vitrages se trouve donc piégée dans le local qui a tendance à s'échauffer : c'est “l'effet de serre” que l’'on constate, par exemple, dans une voiture stationnée en plein soleil, vitres fermées.

■ Contrôle Solaire

Pour éviter les surchauffes, on peut :
- assurer une circulation d’air ;
- utiliser des stores en veillant à ce qu'’ils ne soient pas à l'origine de casses thermiques. En outre, placés en intérieur, ils sont moins efficaces car ils ne font écran au rayonnement solaire qu'âpres traversée du vitrage.
En extérieur, la question de la maintenance doit être prise en compte;
Faire appel à des vitrages à transmission énergétique limitée, appelés “vitrages de contrôle solaire” qui ne laissent passer qu'une fraction déterminée du rayonnement énergétique solaire permettant l'éclairage en limitant la surchauffe.

■ La protection solaire par les vitrages et le film

La protection solaire doit être traitée en considérant trois objectifs :
- diminution des apports solaires (facteur solaire g le plus bas possible) ;
- diminution des transferts de chaleur de l’'extérieur vers l’'intérieur (coefficient Ug minimum);

LES ULTRAT-VIOLET

■ CE QU'ILS SONT

Le soleil émet plusieurs types de rayonnement et l'on sait, depuis le 19e siècle, qu'il existe des rayons invisibles à l'œil. On connaît notamment la gamme de l'infrarouge et de l'ultra-violet, mais avec l'amincissement de la couche d'ozone, on entend parler de plus en plus de cette dernière. Ce type de rayons se retrouve dans une source naturelle (le soleil), mais est également émis par des sources artificielles:
Les sources thermiques ou incandescentes:
Par exemple, les torches à oxyacétylène ou celles utilisées pour la soudure à arc émettent de façon intense des ultra-violets.
Les sources luminescentes:
Ainsi, les lampes éclairs comprennent une dose significative de rayons ultra-violets.

■ BÉNÉFIQUES ET NÉFASTES

Pour l'être humain, l'exposition au rayonnement ultra-violet est à la fois bénéfique (il participe à la création de la vitamine D) et à la fois néfaste (il cause des coups de soleil, cancer de la peau, etc.). La communauté scientifique s'inquiète de plus en plus de la destruction progressive de la couche d'ozone. Vraisemblablement, nous serions donc sujets à de plus grandes expositions aux rayons nocifs de l'ultra-violet dans les années à venir. Parmi les ultra-violets, le manque de filtration des UV-B serait le plus dommageable.

■ Les rayons UV-A

Les UV-A ont une longueur d'onde de 315 à 400 nanomètres. C'est cette lumière ultra-violette qui, en conjonction avec l'UV-B, est responsable du bronzage. Malheureusement, elle bronze les yeux autant que la peau. Ces rayons sont absorbés par le cristallin, la lentille à l'intérieur de l'œil qui règle la focalisation de notre système visuel. Or, plusieurs recherches ont démontré que ces rayons contribuent à accélérer la formation de cataracte, si la quantité absorbée est trop importante. Et ce, même si le patient porte des lunettes de protection lors des séances de bronzage.
Rappelons que la cataracte est une opacification du cristallin, laquelle empêche de plus en plus la lumière de se rendre au fond de l'œil (sur la rétine). À mesure que cette cataracte progressera, on constatera une diminution graduelle de l'acuité visuelle. Ainsi, la cataracte sera embêtante, gênant progressivement les activités de ceux qui en souffrent.

■ Les rayons UV-B et UV-C

Les rayons UV-B ont une longueur d'onde de 280 à 315 manomètres (nm) alors que les UV-C vont de 100 à 280 nm. Ce sont ces rayonnements qui provoquent les coups de soleil et le vieillissement de la peau. Au niveau de l'œil, ces rayons touchent notamment la cornée et la conjonctive bulbaire (les deux couches extérieures de l'œil).
Les flashs du soudeur et l'ophtalmie des neiges (l'œil rouge du skieur) sont deux résultats bien connus d'une exposition intense sans protection aux rayons UV-B.

■ ÇA PEUT FAIRE MAL

L'œil est fait pour se protéger d'une certaine exposition aux rayons solaires. Cependant, le rayonnement moderne, avec la diminution de la couche d'ozone, augmente grandement l'exposition aux UV. Comme l'effet de ces rayons est lent et progressif, on ne se rend pas toujours compte des effets de contacts répétés et/ou prolongés avec les UV. Its sont cependant réels.
Les personnes les plus à risque sont évidemment celles dont le travail ou les activités se passent à l'extérieur: activités agricoles, en forêt, col bleu et amateurs de plein air, plage, ski ou salon de bronzage.
Les cataractes hâtives, les inflammations de la cornée (photokératite), certains mélanomes des paupières (cancer de peau) sont des effets majeurs et connus. À titre plus bénin, le pinguecula inflammé ou le ptérygion sont favorisés par une exposition plus grande aux UV.
Les patients ayant subi une chirurgie réfractive au laser (excimer ou lasik) peuvent développer des membranes cicatricielles lorsque l'exposition aux UV devient importante. II faut donc que ces patients portent une lunette appropriée lorsqu'ils sont à l'extérieur et ce, même si le temps est nuageux.
Les travailleurs
■ Les travailleurs exposés à la réflexion du soleil sur la neige, le ciment, l'eau, le sable, etc. (ex.: monteurs de ligne hydro-électrique, les métiers reliés à la construction).
Les travailleurs exposés dans leur environnement aux ultraviolets provenant d'autres sources que le soleil: soudeurs, travailleurs en arts graphiques, scientifiques et techniciens de laboratoire, travail de bureaux derrière les vitrages.

• CAUSE DE LA DECOLORATION

Rayonnement ultraviolet : 40 %
Lumière visible                : 25%
Chaleur Infra rouge         : 25%
Divers                            : 10 %

L'ECLAIRAGE

■ Facteur de lumière du jour

La connaissance du facteur de transmission lumineuse d’un vitrage permet de fixer un ordre de grandeur approche du niveau d’éclairement disponible à l’intérieur d'’un local lorsque l’'on connait le niveau d’'eclairement à l'’extérieur.

En effet, le rapport de l’'eclairement intérieur en un point donne d’'un local à l’'eclairement extérieur mesure sur un plan horizontal est constant, quelle que soit l’heure de là journée.

- garantie d’une bonne transmission lumineuse (transmission lumineuse élevée).

CLIMAFILM propose une gamme complète de films pour vitrages de contrôle solaire qui offrent des performances très variées et ouvrent de multiples possibilités esthétiques.

Ce rapport est appelé “facteur de lumière du jour” (en abrège “facteur de jour”).
Ainsi, pour un local ayant un facteur de lumière de jour de 0,10 au voisinage de la baie vitrée et de 0,01 au fond de la pièce (cas moyen d’un local type), un éclairement extérieur de 5 000 lux (temps couvert, nuages épais) procurera un éclairement intérieur de
500 lux prés de la baie et de 50 lux au fond, tandis qu’un éclairement de 20000 lux (ciel couvert, nuages blancs) procurera des éclairements respectifs de 2 000 et de 200 lux dans ce même local.

■ Confort lumineux

L'éclairage doit contribuer au bien-être en assurant des conditions optimales pour les yeux en termes de quantité et de répartition de la lumière, en évitant tant les éblouissements que les coins sombres.
La qualité du confort lumineux est liée à un choix judicieux de la transmission lumineuse, à la distribution, à l’orientation et aux dimensions des vitrages.

■ Le phénomène de décoloration

La lumière solaire, qui nous est nécessaire pour la perception de notre environnement, est une forme d'énergie susceptible, dans certains cas, de dégrader les couleurs des objets qui lui sont exposes.

■ Mécanisme de l’'altération des couleurs

L’altération des couleurs des objets exposes au rayonnement solaire résulte de la dégradation progressive des liaisons moléculaires des colorants sous l’action des photons de forte énergie.
Les rayonnements dotes d’une telle action photochimique sont principalement les ultraviolets et dans une moindre mesure la lumière visible de courte longueur d’onde (violet, bleu).
L’absorption du rayonnement solaire par les surfaces des objets engendre des élévations de température qui peuvent également activer des réactions chimiques susceptibles d'altérer les couleurs.
Il est à noter que ce phénomène de dégradation affecte davantage les colorants organiques, dont les liaisons chimiques sont généralement moins stables que celles des pigments minéraux.

■ Comment réduire la décoloration

Tout rayonnement étant porteur d'énergie, aucun moyen ne protège les objets de manière absolue contre la décoloration, sauf à les placer à l'abri de la lumière, à basse température et à les maintenir à l'abri de l’air et des atmosphères agressives.
Cependant, les gammes de film offrent des solutions efficaces.
La plus performante consiste à éliminer les ultraviolets qui, malgré leur faible proportion dans le rayonnement solaire, sont la cause principale des dégradations.
Ils peuvent être quasiment arrêtes par l’utilisation de films Anti-UV qui rejettent 98 % des UV « 300-380 nm » (contre 44 % pour un verre de 10 mm d’épaisseur).
En second lieu, on peut recourir à des film haute luminosité qui filtrent la lumière de manière sélective, et également des films à dominante jaune qui absorbent davantage la lumière violette et bleue.
Enfin, les films présentant de faibles facteurs solaires, permettent de réduire l’action thermique des rayonnements.
Cependant, aucun produit verrier ne peut totalement garantir l'absence de décoloration. L’optimisation d'’un tel vitrage conduit toujours a trouvé un compromis entre divers paramètres impliquant des choix d’ordre esthétique et économique.