LES ULTRAVIOLETS |
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> Qui n'a jamais souffert d'un coup de soleil ?
> Le rayonnement solaire
> Ultraviolets et météorologie : un voyage entre atmosphère et sol
> Les effets bénéfiques des ultraviolets
> Les dangers des ultraviolets pour la santé
> Index UV et conseils santé
> Réseau de surveillance et calcul de l'index UV
La quantité d’énergie véhiculée
pendant une seconde par les ultraviolets solaires et parvenant
sur une étendue de un mètre carré de la
surface terrestre définit sur cette étendue un
« taux d’ultraviolets au sol » ou, pour mieux
dire, un éclairement énergétique qui, dans
un créneau de longueurs d’onde fixé, varie
en fonction de nombreux paramètres météorologiques
(et astronomiques). Tout d’abord, pour arriver jusqu’au
sol, les ultraviolets doivent traverser l’atmosphère,
et durant ce voyage, les rayons subissent de nombreuses modifications
; plus précisément, le rayonnement solaire y est
modifié par trois phénomènes :
• l’absorption (par les molécules de
certains gaz, dont l’ozone),
• la diffusion (à travers les nuages, l’
atmosphère et les aérosols),
• la réflexion (par les nuages, l’atmosphère
et les aérosols), qu’il s’agisse d’une
réflexion directe (comme pour les miroirs) ou d’une
réflexion diffuse (par diffusion en retour).
Notons que la surface terrestre peut aussi réfléchir
les rayons solaires, qui sont alors replongés dans
l’atmosphère où ils subissent un nouveau
parcours.
L’absorption par les molécules
de gaz
Lorsqu’un photon, au cours de son trajet, rencontre
une molécule d’un gaz donné, il peut être
absorbé par celle-ci sous certaines conditions, qui
dépendent à la fois de la nature du gaz et de
la fréquence du rayonnement électromagnétique
représenté par le photon : ce dernier apporte
alors l’énergie nécessaire pour provoquer,
par exemple, une dissociation de la molécule de gaz
en deux autres molécules. Ce mécanisme, dans
les longueurs d’onde de l’ultraviolet, a en particulier
pour conséquence la formation d’ozone à
partir de l’oxygène stratosphérique :
ainsi, la concentration en ozone, faible dans la troposphère
(c’est-à-dire la basse atmosphère, depuis
la surface terrestre jusqu’à environ 8 km d’altitude
dans les régions polaires, 12 dans les régions
tempérées, 18 dans les régions tropicales)
et dans la mésosphère (au-delà d’une
cinquantaine de km d’altitude), s’accroît
fortement dans la stratosphère, entre la troposphère
et la mésosphère, où la « couche
d’ozone » stratosphérique atteint un maximum
de concentration vers 25 ou 30 km d’altitude. Au sein
de cette couche se produisent des réactions chimiques
nombreuses et opposées d’où finit par
émerger un équilibre complexe et fragile, dans
lequel certains composés gazeux, parfois en très
faible proportion, jouent un rôle essentiel de catalyse.
Tous ces catalyseurs ne proviennent pas de produits naturels.
À cet égard, on a mis en lumière, ces dernières
décennies, le rôle joué par l’insertion
progressive dans la stratosphère des chlorofluorocarbures
ou CFC. En effet, ces produits industriels
sont dissociés dans certaines conditions par les photons
UV en libérant des catalyseurs qui initient des réactions
de destruction de l’ozone. Ce processus polluant de réduction
de l’ozone stratosphérique, très complexe
en fait, est à l’origine du phénomène
du « trou d’ozone », autrement dit, de la
diminution considérable de la concentration en ozone
affectant la stratosphère (principalement aux hautes
latitudes de l’hémisphère Sud) depuis un
quart de siècle environ. Or, la couche d’ozone
exerce un rôle de filtre pour les UV-B et C, de sorte
que son affaiblissement a pour conséquence une augmentation
du taux des UV qui pénètrent jusqu’au sol
: par exemple, une diminution de 1 % de l’ozone
atmosphérique entraîne une augmentation de 2 %
du rayonnement UV-B. Ainsi, les risques que représentent
les UV pour la santé ne peuvent qu’être accentués
par le phénomène du « trou d’ozone
» qui, bien que les CFC ne soient plus émis désormais,
devrait persister de manière assez durable en raison
de la grande stabilité chimique de ces gaz.
Il est vrai que l’on doit considérer non seulement
l’ozone stratosphérique, mais l’ensemble
de l’ozone de l’atmosphère, c’est-à-dire,
pratiquement, le contenu de celle-ci en ozone troposphérique
et stratosphérique, intégré verticalement
à partir du sol et ramené aux conditions normales
de température (0 degré Celsius) et de pression
(1 013,25 hectopascals) : ainsi définit-on une grandeur
météorologique, la colonne d’ozone totale.
Cependant, l’ozone contenu dans les basses couches de
l’atmosphère reste avant tout un polluant atmosphérique
dont le rôle de filtre pour les UV demeure faible, contrairement
à l’ozone stratosphérique ; en particulier,
la présence de cet ozone troposphérique ne compense
aucunement le déficit engendré par le «
trou d’ozone ».
Pour en savoir plus sur la chimie atmosphérique
La diffusion par les différentes
couches nuageuses
Lorsqu’il n’a pas été absorbé,
le rayonnement global arrive au sol en observant deux types
de trajectoire possibles :
• celle du rayonnement direct, où le
parcours des rayons est celui d’une droite unique entre
le soleil et notre planète ;
• celle du rayonnement diffus, où le
parcours des rayons est modifié par une succession d’obstacles
: d’une part, les gouttelettes et cristaux de glace inclus
dans les nuages, et d’autre part, les aérosols
et les molécules d’azote et d’oxygène.
Les molécules constituant l’air atmosphérique
diffusent d’autant plus fortement les rayons lumineux
que ceux-ci ont une plus faible longueur d’onde : c’est
pour cette raison que par temps clair (sans nuages), le ciel
apparaît bleu ; de même, les rayons ultraviolets
sont fortement diffusés par l’air, et le rayonnement
UV global arrivant au sol est un rayonnement diffus à
proportion de 50 à 80 %.  Les
différentes couches nuageuses diffusent elles aussi
la lumière, mais de façon indifférente
à la valeur de la longueur d’onde. Cela n’en
signifie pas moins qu’elles accentuent la diffusion
des rayonnements UV, de même que celle des autres rayons
lumineux : Ainsi, la présence de nuages n’induit
pas systématiquement une diminution du risque présenté
par l’exposition aux ultraviolets, contrairement à
ce que nous serions spontanément enclins à penser
; quant à la sensation de rafraîchissement que
nous éprouvons lorsque le temps est nuageux, elle vient
de ce que les nuages absorbent les infrarouges et n’a
pas de rapport avec l’interaction entre nuages et ultraviolets.
Il est vrai cependant que le rayonnement global, lorsqu’il
rencontre des nuages en traversant la troposphère,
est en partie diffusé en retour vers le haut, ce qui
entraîne une baisse d’intensité du rayonnement
arrivant au sol par rapport au rayonnement initial. De ce
point de vue, d’ailleurs, toutes les catégories
de nuages n’ont pas le même comportement. De façon
générale, les nuages bas réduisent fortement
le rayonnement, tandis que les nuages élevés
(proches de la limite supérieure de la troposphère)
en laissent passer la majeure partie.
Pour un ciel peu nuageux, donc comportant quelques nuages
épars ou bien seulement des nuages élevés
tels que des cirrus ou un cirrostratus, on estime à
80 %, voire 90 %, la part du rayonnement UV qui atteint la
surface de la Terre. Ainsi, les nuages élevés
augmentent paradoxalement le risque de coups de soleil, du
moins quand leur présence, comme pour les autres nuages,
incite à négliger de se protéger.
D’autre part, la nébulosité agit sur
le rayonnement direct : par suite, plus le ciel est nuageux,
plus le rayonnement UV est faible, jusqu’à atteindre
un minimum pour un ciel couvert.
En France, le premier département à
être touché par les cancers de la peau est le
Finistère, avec pourtant ses nuages assez fréquents
et ses températures rarement excessives, mais aussi
avec ses habitudes culturelles moins vigilantes que dans des
régions plus méridionales, par exemple, face
aux risques solaires.
La position du soleil
« Si vous apercevez un géant, regardez d’abord
la position du soleil et voyez si le géant n’est
pas l’ombre d’un pygmée » (poème
allemand)
Les ultraviolets sont filtrés par l’atmosphère
: de ce fait, plus leur traversée est longue, plus
le taux d’UV arrivant au sol est faible ; ce taux doit
donc se modifier, toutes choses égales d’ailleurs,
en fonction de l’angle d’incidence du rayonnement
solaire par rapport à la Terre, dont dépend
la distance entre le haut de l’atmosphère et
la surface terrestre.
Ainsi, le taux de rayonnement UV va varier :
• au long de la journée : son maximum
est atteint au moment du midi solaire, là où
le soleil est au plus haut dans le ciel, le parcours à
travers l’atmosphère étant alors le plus
court. Par rapport à ce moment, la trajectoire des
rayons solaires est plus oblique le matin comme le soir, et
la traversée de l’atmosphère est alors
plus longue, d’où un rayonnement UV plus faible.
• avec les saisons : en été,
les journées sont plus longues et le soleil «
plus haut » qu’en hiver, où le rayonnement
solaire est moins important.
• avec la position géographique : le
rayonnement solaire varie en fonction de la latitude ; il
est plus « rasant » aux hautes latitudes, jusqu’à
disparaître durant l’hiver polaire.
• avec l’altitude : lorsque celle-ci
augmente, le parcours des rayons diminue, et il en va de même
pour leurs possibilités de filtrage ; en outre, la
diffusion vers le haut s’accentue. On estime ainsi que
le taux de rayonnement UV est  augmenté
de 5 % à 1 000 m d’altitude, de 10 % à
2 000 m d’altitude et de 14 % à 3 000 m d’altitude.
(Certaines études scientifiques traitent des risques
que présentent les ultraviolets pour la santé
des pilotes d’avions de ligne volant aux alentours de
10 000 mètres.)
La réflexion par la surface
terrestre
La surface terrestre interagit avec le rayonnement solaire
: elle absorbe une part de ce rayonnement et en réfléchit
l’autre part. Afin de mesurer cette autre part, on définit
une quantité appelée l’albédo,
qui est une fraction comprise entre 0 et 1 : à un instant
donné et en un lieu donné de la surface terrestre,
l’albédo est le taux de rayonnement réfléchi
par cette surface, divisé par le taux de rayonnement
qui y parvient dans le même domaine de longueurs d’onde.
Plaçons-nous dans le domaine des ondes lumineuses.
Plus l’albédo est élevé, plus fort
est le taux de rayonnement réfléchi par la surface
qu’il caractérise et plus grande est alors la
quantité d’UV absorbée par l’organisme.
Par exemple, la valeur de l’albédo pour la neige
fraîche est de l’ordre de 0,8 à 0,9 : c’est
dire que les capacités de réflexion maximale
se rencontrent sur les surfaces enneigées et que les
mesures de protection contre les UV, comme le montre cet exemple,
doivent prendre en compte la réflexion au sol.
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Numéro court 3250
