Modélisation de l'irradiance solaire totale et spectrale et applications à la chimie stratosphérique terrestre

Cette thèse présente des reconstructions de l'irradiance totale et spectrale durant les 400 dernières années à l'aide des modèles pour l'irradiance totale et l'irradiance spectrale dans l'ultraviolet développés à l'Université de Montréal. Tous deux sont basés sur la simulation de l'émergence, de la fragmentation et de l'érosion des taches solaires, qui permet d'obtenir une distribution de l'aire des taches sombres et des facules brillantes en fonction du temps. Ces deux composantes sont principalement responsables de la variation de l'irradiance sur l'échelle de temps de la décennie, qui peut être calculée en sommant leur émissivité à celle de la photosphère inactive. La version améliorée du modèle d'irradiance solaire spectrale MOCASSIM inclut une extension de son domaine spectral entre 150 et 400 nm ainsi que de son domaine temporel, débutant originalement en 1874 et couvrant maintenant la période débutant en 1610 jusqu'au présent. Cela permet de reconstruire le spectre ultraviolet durant le minimum de Maunder et de le comparer à celui du minimum de 2009. Les conclusions tirées de cette étude spécifient que l'émissivité dans l'ultraviolet était plus élevée en 2009 que durant le minimum de Maunder, que le niveau de base de la photosphère non magnétisée contribuait pour environ les deux tiers de cette différence et que les structures magnétiques restantes étaient responsables pour le tiers restant. Le modèle d'irradiance totale a vu son domaine temporel étendu sur la même période et une composante représentant le réseau magnétique de façon réaliste y a été ajoutée. Il a été démontré que les observations des 30 dernières années ne sont bien reproduites qu'en incluant la composante du Soleil non magnétisé variable à long terme. Le processus d'optimisation des paramètres libres du modèle a été effectué en minimisant le carré de la somme de l'écart journalier entre les résultats des calculs et les données observées. Les trois composites disponibles, soit celui du PMOD (Physikalisch Meteorologisches Observatorium Davos), d'ACRIM (ACtive Radiometer Irradiance Monitor) et du IRMB (Institut Royal Météorologique de Belgique), ne sont pas en accord entre eux, en particulier au niveau des minima du cycle d'activité, et le modèle permet seulement de reproduire celui du PMOD avec exactitude lorsque la composante variable à long terme est proportionnelle au flux radio à 10.7 cm. Toutefois, en utilisant des polynômes de Lagrange pour représenter la variation du Soleil inactif, l'accord est amélioré pour les trois composites durant les minima, bien que les relations entre le niveau minimal de l'irradiance et la longueur du cycle précédent varient d'un cas à l'autre. Les résultats obtenus avec le modèle d'irradiance spectrale ont été utilisés dans une étude d'intercomparaison de la réponse de la photochimie stratosphérique à différentes représentations du spectre solaire. Les simulations en mode transitoire d'une durée de 10 jours ont été effectuées avec un spectre solaire constant correspondant soit à une période d'activité minimale ou à une période d'activité maximale. Ceci a permis d'évaluer la réponse de la concentration d'ozone à la variabilité solaire au cours d'un cycle et la différence entre deux minima. En plus de ceux de MOCASSIM, les spectres produits par deux modèles ont été utilisés (NRLSSI et MGNM) ainsi que les données de SIM et SOLSTICE/SORCE. La variabilité spectrale de chacun a été extraite et multipliée à un spectre de base représentant le minimum d'activité afin de simuler le spectre au maximum d'activité. Cela a été effectué dans le but d'isoler l'effet de la variabilité seule et d'exclure celui de la valeur absolue du spectre. La variabilité spectrale d'amplitude relativement élevée des observations de SORCE n'a pas provoqué l'inversion de la réponse de l'ozone à hautes altitudes obtenues par d'autres études, ce qui peut être expliqué par la nature même du modèle utilisé ainsi que par sa limite supérieure en altitude. Finalement, la réponse de l'ozone semble être à peu près proportionnelle à la variabilité de l'intégrale du flux pour lambda<241 nm. La comparaison des concentrations d'ozone obtenues avec les spectres originaux au minimum d'activité démontre que leur différence est du même ordre de grandeur que la variabilité entre le minimum et le maximum d'un cycle typique. Le problème du choix de la reconstruction de l'irradiance à utiliser pour les simulations climatiques dans le passé demeure non résolu.

Modélisation de l'irradiance solaire spectrale dans le proche et moyen ultraviolet

Nous présentons un modèle pour l’irradiance solaire spectrale entre 200 et 400 nm. Celui-ci est une extension d’un modèle d’irradiance solaire totale basé sur la simulation de la fragmentation et l’érosion des taches qui utilise, en entrée, les positions et aires des taches observées pour chaque pas de temps d’une journée. L’émergence des taches sur la face du Soleil opposée à la Terre est simulée par une injection stochastique. Le modèle simule ensuite leur désintégration, qui produit des taches plus petites et des facules. Par la suite, l’irradiance est calculée en sommant la contribution des taches, des facules et du Soleil inactif. Les paramètres libres du modèle sont ajustés en comparant les séquences temporelles produites avec les données provenant de divers satellites s’étalant sur trois cycles d’activité. Le modèle d’irradiance spectrale, quant à lui, a été obtenu en modifiant le calcul de la contribution des taches et des facules, ainsi que celle du Soleil inactif, afin de tenir compte de leur dépendance spectrale. Le flux de la photosphère inactive est interpolé sur un spectre synthétique non magnétisé, alors que le contraste des taches est obtenu en calculant le rapport du flux provenant d’un spectre synthétique représentatif des taches et de celui provenant du spectre représentatif du Soleil inactif. Le contraste des facules est quand à lui calculé avec une procédure simple d’inversion de corps noir. Cette dernière nécessite l’utilisation d’un profil de température des facules obtenu à l’aide de modèles d’atmosphère. Les données produites avec le modèle d’irradiance spectrale sont comparées aux observations de SOLSTICE sur UARS. L’accord étant peu satisfaisant, particulièrement concernant le niveau d’irradiance minimal ainsi que l’amplitude des variations, des corrections sont appliquées sur le flux du Soleil inactif, sur le profil de température des facules, ainsi qu’à la dépendance centre-bord du contraste des facules. Enfin, un profil de température des facules est reconstruit empiriquement en maximisant l’accord avec les observations grâce à un algorithme génétique. Il est utilisé afin de reconstruire les séquences temporelles d’irradiance jusqu’en 1874 à des longueurs d’ondes d’intérêt pour la chimie et la dynamique stratosphérique.

Development of empirical equations for irradiance profile of a standard parabolic trough collector using Monte Carlo ray tracing technique

Irradiance profile around the receiver tube (RT) of a parabolic trough collector (PTC) is a key effect of optical performance that affects the overall energy performance of the collector. Thermal performance evaluation of the RT relies on the appropriate determination of the irradiance profile. This article explains a technique in which empirical equations were developed to calculate the local irradiance as a function of angular location of the RT of a standard PTC using a vigorously verified Monte Carlo ray tracing model. A large range of test conditions including daily normal insolation, spectral selective coatings and glass envelop conditions were selected from the published data by Dudley et al. [1] for the job. The R2 values of the equations are excellent that vary in between 0.9857 and 0.9999. Therefore, these equations can be used confidently to produce realistic non-uniform boundary heat flux profile around the RT at normal incidence for conjugate heat transfer analyses of the collector. Required values in the equations are daily normal insolation, and the spectral selective properties of the collector components. Since the equations are polynomial functions, data processing software can be employed to calculate the flux profile very easily and quickly. The ultimate goal of this research is to make the concentrating solar power technology cost competitive with conventional energy technology facilitating its ongoing research.

High-quality polar UV measurements : scientific analyses and transfer of the irradiance scale

The Earth's ecosystems are protected from the dangerous part of the solar ultraviolet (UV) radiation by stratospheric ozone, which absorbs most of the harmful UV wavelengths. Severe depletion of stratospheric ozone has been observed in the Antarctic region, and to a lesser extent in the Arctic and midlatitudes. Concern about the effects of increasing UV radiation on human beings and the natural environment has led to ground based monitoring of UV radiation. In order to achieve high-quality UV time series for scientific analyses, proper quality control (QC) and quality assurance (QA) procedures have to be followed. In this work, practices of QC and QA are developed for Brewer spectroradiometers and NILU-UV multifilter radiometers, which measure in the Arctic and Antarctic regions, respectively. These practices are applicable to other UV instruments as well. The spectral features and the effect of different factors affecting UV radiation were studied for the spectral UV time series at Sodankylä. The QA of the Finnish Meteorological Institute's (FMI) two Brewer spectroradiometers included daily maintenance, laboratory characterizations, the calculation of long-term spectral responsivity, data processing and quality assessment. New methods for the cosine correction, the temperature correction and the calculation of long-term changes of spectral responsivity were developed. Reconstructed UV irradiances were used as a QA tool for spectroradiometer data. The actual cosine correction factor was found to vary between 1.08-1.12 and 1.08-1.13. The temperature characterization showed a linear temperature dependence between the instrument's internal temperature and the photon counts per cycle. Both Brewers have participated in international spectroradiometer comparisons and have shown good stability. The differences between the Brewers and the portable reference spectroradiometer QASUME have been within 5% during 2002-2010. The features of the spectral UV radiation time series at Sodankylä were analysed for the time period 1990-2001. No statistically significant long-term changes in UV irradiances were found, and the results were strongly dependent on the time period studied. Ozone was the dominant factor affecting UV radiation during the springtime, whereas clouds played a more important role during the summertime. During this work, the Antarctic NILU-UV multifilter radiometer network was established by the Instituto Nacional de Meteorogía (INM) as a joint Spanish-Argentinian-Finnish cooperation project. As part of this work, the QC/QA practices of the network were developed. They included training of the operators, daily maintenance, regular lamp tests and solar comparisons with the travelling reference instrument. Drifts of up to 35% in the sensitivity of the channels of the NILU-UV multifilter radiometers were found during the first four years of operation. This work emphasized the importance of proper QC/QA, including regular lamp tests, for the multifilter radiometers also. The effect of the drifts were corrected by a method scaling the site NILU-UV channels to those of the travelling reference NILU-UV. After correction, the mean ratios of erythemally-weighted UV dose rates measured during solar comparisons between the reference NILU-UV and the site NILU-UVs were 1.007±0.011 and 1.012±0.012 for Ushuaia and Marambio, respectively, when the solar zenith angle varied up to 80°. Solar comparisons between the NILU-UVs and spectroradiometers showed a ±5% difference near local noon time, which can be seen as proof of successful QC/QA procedures and transfer of irradiance scales. This work also showed that UV measurements made in the Arctic and Antarctic can be comparable with each other.

Climate response to changes in atmospheric carbon dioxide and solar irradiance on the time scale of days to weeks

Recent studies show that fast climate response on time scales of less than a month can have important implications for long-term climate change. In this study, we investigate climate response on the time scale of days to weeks to a step-function quadrupling of atmospheric CO2 and contrast this with the response to a 4% increase in solar irradiance. Our simulations show that significant climate effects occur within days of a stepwise increase in both atmospheric CO2 content and solar irradiance. Over ocean, increased atmospheric CO2 warms the lower troposphere more than the surface, increasing atmospheric stability, moistening the boundary layer, and suppressing evaporation and precipitation. In contrast, over ocean, increased solar irradiance warms the lower troposphere to a much lesser extent, causing a much smaller change in evaporation and precipitation. Over land, both increased CO2 and increased solar irradiance cause rapid surface warming that tends to increase both evaporation and precipitation. However, the physiological effect of increased atmospheric CO2 on plant stomata reduces plant transpiration, drying the boundary layer and decreasing precipitation. This effect does not occur with increased solar irradiance. Therefore, differences in climatic effects from CO2 versus solar forcing are manifested within days after the forcing is imposed.

Pure-phase plates for super-Gaussian focal-plane irradiance profile generations of extremely high order

A set of recursive formulas for diffractive optical plates design is described. The pure-phase plates simulated by this method homogeneously concentrate more than 96% of the incident laser energy in the desired focal-plane region. The intensity focal-plane profile fits a lath-order super-Gaussian function and has a nearly perfect flat top. Its fit to the required profile measured in the mean square error is 3.576 x 10(-3). (C) 1996 Optical Society of America

A mechanism for the link between solar-irradiance variations and regional precipitation

Although the mechanisms of climatic fluctuations are not completely understood, changes in global solar irradiance show a link with regional precipitation. A proposed mechanism for this linkage begins with absorption of varying amounts of solar energy by tropical oceans, which may aid in development of ocean temperature anomalies. These anomalies are then transported by major ocean currents to locations where the stored energy is released into the atmosphere, altering pressure and moisture patterns that can ultimately affect regional precipitation. Correlation coefficients between annual averages of monthly differences in empirically modeled solar-irradiance variations and annual state-divisional precipitation values in the United States for 1950 to 1988 were computed with lag times of 0 to 7 years. The highest correlations (R=0.65) occur in the Pacific Northwest with a lag time of 4 years, which is about equal to the travel time of water within the Pacific Gyre from the western tropical Pacific Ocean to the Gulf of Alaska. With positive correlations, droughts coincide with periods of negative irradiance differences (dry, high-pressure development), and wet periods coincide with periods of positive differences (moist, low-pressure development).

Responses of vegetative gametophytes of Undaria pinnatifida to high irradiance in the process of gametogenesis

The population of Undaria pinnatifida in its ecologic niche sustains itself in high temperature summer in the form of vegetative gametophytes, the haploid stage in its heteromorphic life cycle. Gametogenesis initiates when seawater temperature drops below the threshold levels in autumn in the northern hemisphere. Given that the temperature may fall into the appropriate range for gametogenesis, the level of irradiance determines the final destiny of a gametophytic cell, either undergoing vegetative cell division or initiating gametogenesis. In elucidating how vegetatively propagated gametophytes cope with changes of irradiance in gametogenesis, we carried out a series of culture experiments and found that a direct exposure to irradiance as high as 270 mu mol photons m(-2) s(-1) was lethal to dim-light (7-10 mu mol photons m(-2) s(-1)) adapted male and female gametophytes. This lethal effect was linearly corelated with the exposure time. However, dim-light adapted vegetative gametophytes were shown to be able tolerate as high as 420 mu mol photons m(-2) s(-1) if the irradiance was steadily increased from dim light levels (7-10 mu mol photons m(-2) s(-1)) to 90, 180 and finally 420 mu mol photons m(-2) s(-1), respectively, at a minimum of 1-3 h intervals. Percentage of female gametophytic cells that turned into oogonia and were eventually fertilized was significantly higher if cultured at higher but not lethal irradiances. Findings of this investigation help to understand the dynamic changes of population size of sporophytic plants under different light climates at different site-specific ecologic niches. It may help to establish specific technical details of manipulation of light during mass production of seedlings by use of vegetatively propagated gametophytes.