Introduction aux résultats de mesures LPMD (Partie 1)

Introduction

Le module LPMD (Light Pollution Mobile Detector) est un assemblage de trois composants de bases :

• Un détecteur de type SQM/LU
• Une unité connectée de traitement basée sur un Raspberry PI
• Un boitier hébergeant l’ensemble sur une longue durée
• Des capteurs pouvant évoluer avec le temps (tel que une caméra « All sky » )

Ce module, pouvant être disposé soit en mode connecté ou non, vise à capturer les données de tout capteur qui lui est raccordé (on peut rajouter vidéo, humidité, détecteur de nuage, etc…) effectue des mesures de manière périodique (généralement, toutes les 5 minutes)

Il effectue également un calcul astrométrique sur les levers/couchers de Soleil et de Lune et en mode connecté, capture les conditions météo générale de l’endroit (météo aviation).

Dans l’expérience actuelle, des capteurs ont été déployés sur le territoire Belge, dans quatre régions :

• une région urbaine typique (région Bruxelloise, 5 km de Brussels Airport, depuis 2020)
• une région sub-urbaine typique(région de Fernelmont, zone résidentielle, depuis 2021)
• une région rurale  typique (région de Wellin/Ave-et-Auffe, zone campagnarde, depuis 2021)
• une région rurale profonde (région de Neufchateau, Grapfontaine à l’Observatoire Centre Ardenne, depuis fin 2022)

Ces capteurs fixes sont disposés avec une vue directe sur le ciel (une orientation vers la polaire pour Bruxelles, vers le zenith pour les autres).

Un autre est utilisé en mode « itinérant » pour tester des zones de manière non régulière dans la région de Viroinval (Dourbes) ou des zones proches.

Géographiquement, la situation est donc la suivante :

Les mesures considérées couvrent une période allant 01/2021 au 04/2023, selon la disponibilité des capteurs.
Le but est d’observer de manière cohérente, avec des capteurs calibrés, sur la plus longue période possible l’évolution de la pollution lumineuse dans les régions concernées.

Dans l’ordre de mise en route : Fernelmont (2020), Wellin (2020-2021), Wezembeek (2021), Grapfontaine (2022-2023).

Evolution du parc de luminaires

Où avoir des données fiables sur ce sujet ? C’est déjà le premier problème. La transparence voudrait que l’on puisse trouver directement cela sur les sites régionaux officiels en accès libre. Mais hélas, c’est loin d’être une réalité et les recherches n’aboutissent guère quelque soit la région. Cependant, si on se base sur les quelques chiffres publiés par les organismes régionaux (sensés superviser cela), ils montrent notamment que le parc de luminaires wallon… S’étend au fur et à mesure du temps !

Et cela, cependant, pendant qu’une étude avait indiqué que 32.000 points étaient inutiles et à supprimer !

Cohérent ou pas ? Examinons cela avec les données disponibles (issus de 3 sources différentes)…

Source : UVCW

Année	Nbr de luminaire	Puissance (kW)	Consommation (kWh)	Nbr LED
2012	591.903	44800	242.511.402	572
2016	605.062	44510	238.735.849	14.759
2018	612.431	43348	220.673.436	57.319
2020	618.143	43043	213.187.523	104.611
2021	622.972	40799	197.073.725	169.788

La consommation (-45.437.677‬ kWh) et la puissance installée (-4000 kW) descendent avec la migration vers les LED, mais il n’empêche que selon ces chiffres on rajoute des points lumineux (+31.069 en 2021) au parc déjà ultra-dense existant !

Depuis 2012, on voit donc apparaître, puis s’accélérer, la migration des luminaires vers les LED (de 2012 à 2021, de 572 à 169.788 en 9 ans !)

• au niveau des cités (de toute taille)
• au niveau des voies routières importantes (autoroutes, plan Lumière 4.0)
• au niveau des voies routières secondaires

Source : ORES

ORES publie, via ses rapport stratégiques et ses données Open Data qu’au sein des  communes gérées par ses services, le nombre total de luminaires installés est :

Et avec une ventilation par régions :

Première constatation :

• La région annonce sur la période 2020-2021 une augmentation de 4829 luminaires, alors que ORES n’en comptabilise que 2608. Donc, Si les chiffres de la région sont exacts, 2221 ont été ajoutés par les autres GRD (RESA, etc..)
• ORES gère 74% du parc global selon les chiffres annoncé (463.132 lum.), ce qui semble assez correct vis à vis des autres informations disponibles (articles de presse)
• L’incrément de 2221 luminaires a donc été exécuté par les acteurs ne gérant ensemble que 26% du parc (159.840 en 2021), ce qui implique que l’ensemble de ces acteurs locaux ajoutent plus de luminaires/an que celui qui gère les 3/4 du réseau : grandement surprenant !
• Parmi les régions, l’incrément de luminaire est constant, pas de diminution en vue… Et aucune trace des 30000 à supprimer dans les faits.
• C’est Namur (plus de 82000 luminaires) qui est la zone la plus éclairée de Wallonie, avec Mons très proche (80000)

En 2020-2021, ORES a publié la situation de 460.524 luminaires (39043 KW installés)

• NaLP – sodium basse pression 96.385 (2019) 83.909 (2020)
• NaHP – sodium haute pression 237.032 (2019) 232.746 (2020)
• MHHP – halogénures/iodures métalliques 68.086 (2019) 68.190 (2020)
• Led – diodes électroluminescentes 55.164 (2019) 74.812 (2020)
• Autres 983 (2019) 867 (2020)

Ce qui indique que le parc à convertir est principalement équipé en sodium à haute pression (50,5%).

Remarquons plusieurs périodes intéressantes  :

• La période 2017-2019, où toute discussion sur des extinctions possibles n’étaient vraiment pas un sujet fréquentable tant au niveau politique que public
• La période 2020-2022, en pleine pandémie, mais qui fut cependant assez peu affectée au niveau de l’éclairage urbain. Même si le nombre des activités externes fut largement réduit, les transports limités et que personne n’étaient dans les rues… Personne n’a voulu en profiter pour éteindre et faire des économies pour financer les impacts liés au COVID !.
• La période 2022-2023 qui voit apparaître, avec la guerre en Ukraine et la crise énergétique , un mécanisme longtemps espéré : les extinctions ou diminution d’éclairage urbain de manière systématique…
  Y compris en Wallonie !

En 2023, ORES, acteur principal de la conversion sur le région, estime qu’une  commune « moyenne » (on y reviendra) comptait environ 2.230 lampadaires. D’ici 2030, même remplacés par les modèles LED, il y en aura 2.380 (+6%) par l’accroissement dit « naturel » du parc ( nouveaux lotissements, extensions de voirie, etc.).

Si on applique cette croissance au parc régional installé, cela le mènerait à environ 650.000 luminaires en 2030… Vu que les LED consomment moins, la dépense énergétique sera plus basse comparé au parc actuel.

Sur les autoroutes, la conversion vers les LED liée au plan 4.0 s’accélère. Et seuls les équipements convertis en LED voient leur intensité diminuer lors de la mise en place des plans d’extinctions. Mais cela devrait devenir largement visible, car au début 2023, c’est 50.000 points lumineux sur 72.000, soit 69% du parc, qui est déjà converti. Les 22.000 autres points restent activés à 100 % dans l’attente de leur conversion au LED.

Pendant ce temps, la migration progressive des villes en Flandres via Fluvius à soit les LED et/ou à des régimes d »extinction/diminution d’éclairage continue. Chaque commune peut d’ailleurs choisir les modalités de son implantation dans un catalogue de luminaires et services. Quant aux autoroutes, une large partie sont déjà éteints depuis 2017. A la frontière entre régions, c’est le choc des modèles qui va donc déterminer l’état du ciel.

En résumé :

• Dans le chef des politiques wallons : la politique est régionale, même communale.
  • L’agenda global est variable,
  • Vu que l’énergie dépensée (et les élections prochaines) : 50% des communes ayant été forcées d’éteindre en 2022-2023 décident de « éclairer comme avant, voire plus, car on consomme moins » ! Ex : Namur.
• Dans le chef des politiques flamands : les communes doivent statuer elles-mêmes sur leur éclairage
  • un objectif budgétaire est fixé (réduction de 30% des consommations)
  • un agenda est modulable (migration selon l’entretien du matériel ou un via plan de rénovation déposé et validé).
• Pas, ou peu, de synchronisation perceptible entre les acteurs
  • Seul le projet fédéral (de 2005) de la conversion globale vers les LED, reste directeur
  • Les spécifications restent inchangées, malgré les progrès techniques. Car les études doivent être validées sur des années (et votées !) et pendant ce temps : on installe.

Bref : le surréalisme à la belge habituel… Celui où, dans une même zone, on subira : une extinction d’un côté, un éclairage avec conversion de l’autre et au milieu : on reste inchangé… Voire, pire, on rajoutera des éclairages des trois côtés (vue budgétaire, agenda et acteurs différents) !

Est-ce que les mesures reflètent ces différents modes d’éclairages ? C’est le sujet de l’étude en cours.

Comment mesurer la pollution lumineuse ?

Préambule

Ce sujet est relativement controversé entre spécialistes depuis des années… Je ne suis ni physicien, ni astrophysicien, ni biologiste. Je ne suis qu’un modeste amateur du ciel qui est « tombé » dans le sujet de la pollution lumineuse depuis plus de vingt ans… J’ai proposé plusieurs fois qu’un « spécialiste » (peut importe son nom), possédant des compétences que je n’ai pas puisse exploiter les données que je vais essayer de présenter ici… Mais apparemment, cela ne passionne guère, car on considère le sujet comme « maîtrisé ».

C’est clairement une erreur… Le sujet évolue constamment et les dérives de toutes sortes (architecturales, administratives et politiques) tellement propre à la Belgique, sont légions. Et cela tant dans un sens que l’autre…  Certes, il y a les mesures satellites (fort limitées en perception, cependant) et les modèles mathématiques.

Mais faut-il pour cela abandonner de les vérifier ? A travers le monde, de nombreux amateurs et professionnels continuent de capturer des mesures dans des endroits « clés » (observatoires, réserve naturelles, etc…). Je collabore à plusieurs échanges entre pays dans le domaine et j’ai pu remarquer plus d’une fois sur le terrain une divergence entre « ce qui devrait être » et la « réalité ».

En Belgique, modèle permanent de la PL au niveau mondial, cela ne passionne pas trop… Car on sait, instinctivement, que sans une politique claire dans le domaine, rien ne changera…  Et une politique claire, cela ne rapporte pas autant aux acteurs que le flou artistique communautaire habituel.

Si dans les données modestement présentées ici, des interrogations se posent dans la tête d’un spécialiste, qu’il sache qu’elles peuvent lui être mises à sa disposition sans problème pour un examen plus poussé… Il n’a qu’à contacter l’ASCEN, qui transmettra…

Et maintenant, voyons ce que nous réserve le ciel belge…

Mesurer l’obscurcissement du ciel ?

J’estime modestement que cela en revient à mesurer la brillance du ciel sur une surface donnée, la surface étant : le ciel !

On va voir apparaître les notions de : flux lumineux, brillance (ou luminance) et éclairement. 3 aspects différents, même si fortement associés.

Le flux lumineux = « la quantité de lumière qui est diffusée dans l’espace », mesuré en Lumen (lm), est associé à l’espace traversé. Si un luminaire fonctionne de manière identique (= puissance consommée constante), le flux lumineux émit variera en fonction des conditions (atmosphère, réflecteur) qui entoure sa source. De même, si on le bloque (en masquant totalement la source) le flux deviendra nul (mais la lampe consommera toujours la même l’énergie, alors diffusée en chaleur…)

L’éclairement lumineux = « combien il y a de lumière à un endroit par unité de surface », mesuré en Lux (= nbr de lumen/m²). Varie en fonction de la distance entre source et cible (selon / d²).  Lorsque qu’on regarde une surface ou une rue éclairée, c’est l’éclairement lumineux que perçoit votre œil. Ainsi : la surface au sol sous un ciel étoilé : 0,0005 lux. et sous un clair de lune : 0,2 lux. Un clair de Lune éclaire donc 400x plus que le ciel étoilé…

La luminance = « combien une source lumineuse émet de lumière par unité de surface », mesurée en Candela par mètre carrés (cd/m2). Si un écran lumineux est 2x la taille d’un autre, il émet deux fois plus de lumière. Mais par unité de surface, ils sont identiques ! C’est la notion la plus proche de ce que l’on cherche à mesurer ici sur le ciel. La luminance finit, très logiquement, au sol par un éclairement proportionnel à celle-ci.

On vise ici à mesure du ciel (étoilé ou pas)… Avec des niveaux si bas, on va  mesurer la « brillance du ciel » avec des outils plus sensibles qu’un luxmètre, tels que :

Instruments	Type de mesures	Unité
Defense Meteorological Satellite Program Operational Line-Scan System (DMSP-OLS)	Photométrie satellitaire	W.cm-².sr-1
Visible Infrared Imaging Radiometer Suite Day-Night Band (VIIRS DNB)	Photométrie satellitaire	W.cm-².sr-1
Sky Meter Quality (SQM)	Photométrie 1D	mag.arcsec-²
Luxmètre	Photométrie 1D	lux
Appareil photo avec objectif « fisheye »	Photométrie 2D	cd.m-² ou mag.arcsec-²
Spectromètre	Spectroscopie	μmoles.s-1.m-²

Les techniques de photométrie 1 et 2D permettent de faire des mesures depuis le sol. Quand aux contributeurs à cette pollution lumineuse, ils sont nombreux, surtout  en incluant toutes les sources lumineuses qui éclairent vers le ciel de manière inutile.

SQM : Sky Quality Meter

Le détecteur de type SQM (Sky Quality Meter) mesure la brillance du ciel évaluée dans un cône de 20° dans la direction du capteur (pour le type « -L », assez directionnel, avec 1/9 du ciel). Il se compose d’un convertisseur lumière-fréquence (TAOS TSL237S) et d’un filtre infra-rouge. La réponse spectrale englobe le spectre de la vision humaine, mais elle est également sensible à des longueurs d’onde plus courtes, c’est-à-dire dans le bleu (voir figure).

La valeur fournie par la mesure est la « magnitude par arcsec² » ou « magnitude surfacique ». Même si elle est controversée, cette mesure est très commune dans le monde de l’astronomie et bien connue dans le milieu des études de PL. Au plus la valeur est élevée, plus le ciel est sombre. L’échelle est définie de sorte qu’une diminution de 5 mag.arcsec-² correspond à une augmentation d’un facteur 100 de la luminance.

On l’interprète couramment cette valeur selon :

• > 22 : meilleur ciel théorique sur Terre (avec son atmosphère, allez au Pole Sud pour le rencontrer tous les jours…)
• 22.0 : une nuit sans Lune et sans aucun lumière artificielle (là où on construit les observatoires…)
• 21.0 : typique d’un ciel rural sans pollution lumineuse (toutes les constellations, voie lactée sont visibles)
• 20.0 : typique d’une zone périurbaine où la visibilité de la Voie lactée est déjà fortement atteinte
• 19.0 : typique d’une zone périurbaine avec des maisons proches l’une des autres (la majorité des constellations sont reconnaissables)
• 18.0 : typique pour une zone périurbaine déjà fort éclairée (une partie des constellations est reconnaissable)
• 17.0 : la vue du ciel depuis une ville éclairée (quelques étoiles sont visibles à l’oeil nu)
• 13.0 : limite de la « nuit », le Soleil s’est civilement couché (-6° sous l’horizon), Venus and Jupiter sont visibles, les étoiles les plus brillantes (mag 0) apparaissent.
• 7.0 : le Soleil se lève civilement
• < 7.0 : Lumière du jour

Sa sensibilité permettant de suivre l’évolution de l’éclairage urbain vers le LED, cet aspect est important. C’est donc un détecteur simple à mettre en route et utiliser. Mais on peut évidemment faire des équivalences avec d’autres mesures ou évènements (visibilité à l’œil nu d’objets du ciel, nombre d’étoiles visibles) ou le convertir en cd/m², tel que :

Voici une version plus « astronomiquement intuitive » d’équivalences possibles :

Les méthodes intuitives

Une simple ligne horizontale dans le tableau précédant permet globalement de représenter la brillance du ciel  selon d’autres valeurs ou effets.

Ainsi, une mesure de :

• 20 mag/arcsec² équivaut à 1 mcd/m², mais aussi la visibilité théorique de 2000 étoiles à l’oeil nu.
• 15 mag/arcsec² équivaut à 100 mcd/m², ou la visibilité théorique de 15 étoiles à l’oeil nu.
• 21.6 mag/arcsec² équivaut à ce qu’était une belle nuit il y a 200 ans dans notre région…
  (rappellons-nous que Messier a établit sa fameuse « liste » d’objets du ciel depuis : le centre de Paris !)

Afin de pouvoir intuitivement estimer la qualité du ciel, d’autres catégorisations  ont vu le jour, dont celle de Bortle.

L’échelle de Bortle permet intuitivement et visuellement de fixer la noirceur du ciel…

Elle est relativement empirique (car liée à la capacité visuelle de l’individu), mais avec de la méthode et des cartes de magnitudes stellaires, elle devient assez précise.

La valeur clé se calcule comme l’unité inférieure issue du calcul de la moyenne de minimum deux étoiles détectées visuellement, ou : BS (Bortle Sky) = (t1*m1 + t2*m2) / (t1+t2) avec t = nombre d’étoiles d’une catégorie m, et m = magnitude visuelle de l’étoile.

Si par exemple on détecte 3 étoiles de catégorie 3.0 à 3.5 et 5 étoiles de 5.0 à 5.5, cela fait : BS = (3*3.5+5*5.5)/(7+9) = (10.5+27.5)/8 = 4.75 = Bortle 4

De là, on peut établir des valeurs ou indications plus précises, mais comme toute échelle empirique, plusieurs « équivalences » sont disponibles dans la littérature.

Un autre exemple : Table d’équivalence Bortle

Bortle

Vue pollution lumineuse

Code couleur

Type de ciel

Magnitude SQM.

Mag. Limite oeil nu

Mag Limite au 320mm

M33 visible?

M31 visible?

Voile lactée visbile ?

Lumière zodiacae visible?

Nuages

Objet au sol

(mag/arcSec²)

(mag.)

(mag.)

1

Aucune, airglow faible

Excellent

22.00–21.99

≥ 7.5

> 17

Evidente

Evidente

Totalement

Totalement

Invisible

Silouette faible

2

Aucune, airglow naturel

Très bon

21.99–21.89

7.0–7.49

16.5

Simple en vision directe

Evidente

Détails

Détails de couleur

Noir partout

Silouette

3

Horizon faible

Rural

21.89–21.69

6.5–6.99

16.0

Simple avec vision attentive

Evidente

Structure

Evidente

Noir/Gris

Quelques objets

4

Horizon visible

Rural/sub-urbain

21.69–20.49

6.0–6.49

15.5

Difficile en vision attentive

Evidente

Large structures

Jusque 45°

Brile à distance

Objets distants

5

Avant 35°

Sub-urbain

20.49–19.50

5.5–5.99

14.5–15.0

Invisible

Simple en vision directe

Délavée…

Faible

Plus lumineux que le ciel

Objets proches

6

A 35°

Sub-urbain brillant

19.50–18.94

5.0–5.49

14.0–14.5

Invisible

Simple avec vision attentive

Qu’au zénith

Invisible

Lumineux

Détails

7

Jusque zenith

Sub-urbain / urbain

18.94–18.38

4.5–4.99

14.0

Invisible

Difficile en vision attentive

Invisible

Invisible

Fort lumineux

Détails proches

8

Brillant à 35°

Urbain

< 18.38

4.0–4.49

13

Invisible

Invisible

Invisible

Invisible

Brillant

Lecture titres

9

Brillant au zenith

Centre ville

< 17

≤ 4.0

Invisible

Invisible

Invisible

Invisible

Brillant

Lecture

On reprendra de cette notion de « niveau » dans l’étude pour catégoriser les sites d’observation, en se basant sur :

• le « type de ciel » et les conditions météo liées
• l’appartenance à une catégorie/qualité via les mesures de magnitude SQM mesurées in-situ.

Mais d’abord, revoyons tout ce qui peut l’influencer

Réfraction, diffusion et Skyglow

La pollution lumineuses est influencée par l’interaction de la lumière avec notre atmosphère, où la lumière peut être réfractée et/ou diffusée en fonction de ce qu’elle traverse. Et la perception au sol va fortement être influencé par cela.

En soi, pour la faune et la flore, peut importe qu’il fasse noir à cause de nuages ou d’une nuit sans Lune, du moment que pendant une période nommée globalement « nuit », elle peut se regénérer.

Ciel de type « Scattered » (50% du ciel)	Ciel de type « Overcast »

Les nuages (molécules d’eau et autres : poussières, polluants, etc…) jouent donc un rôle important dans ce cycle, en absorbant, diffusant, réfractant toute lumière (naturelle et artificielle) qu’ils interceptent. Par temps de neige et de ciel couvert, oµ toute lumière est réfléchie vers eux et ensuite réfractée ou diffusée, il fait rarement « noir » dans nos régions.

Réfraction :

Déviation d’une onde (lumineuse, etc.) qui franchit la surface de séparation de deux milieux où la vitesse de propagation est différente (réfringent), ex : une goutte d’eau et l’air ou la glace et l’air. Dans ce dernier couple, la lumière peut générer un « halo » autour le source (déviation de 22° dans un cristal de glace à haute altitude). Dans l’image ici : un exemple de halo lunaire.

Le fait d’observer un halo nous permet de connaître immédiatement la température du nuage, l’état physique de l’eau, la taille, la forme et l’orientation des cristaux de glace.

Puisque l’existence de nuages est nécessaire pour la formation des phénomènes de halos, leur présence indique aussi que l’air est humide en altitude. Ex : comme les cirrus ne sont pas des nuages de pluie, les halos peuvent se former même s’il fait beau.

La lumière peut donc être « capturée et renvoyée » alors que non visible directement, ce qui explique l’influence de luminaires mal réglés à longue distance (on y reviendra).

 

Diffusion :

Une lumière diffusée est plus efficace pour illuminer une zone. Tout comme en hiver une pièce sera plus éclairée par une lumière diffuse que par une lumière directionnelle mal orientée, la luminosité globale d’un ciel couvert sera souvent bien plus largement influencée par les lumières parasites et naturelles (Lune et Soleil couchant).

Dans le domaine de l’architecture, on a depuis longtemps modélisé l’influence de la quantité de lumière directe et diffuse. Lorsque le ciel est couvert, le rayonnement lumineux est diffusé dans toutes les directions, les baies vitrées verticales ou de toit captent donc la lumière de manière similaire, indépendamment de leur orientation. Par contre, lorsque le ciel est clair, l’orientation de la baie vitrée influence directement la quantité de lumière captée.

De même, Les ciels couverts ne sont pas symétriques à 100% et il y aura toujours plus de lumière provenant de l’endroit où la Lune (ou un éclairage parasite) se trouve dans l’hémisphère visible que partout ailleurs.

Au niveau de l’atmosphère, les facteurs de diffusion les plus connus sont Rayleigh et de Mie.

Diffusion de la lumière par une particule selon la loi de Rayleigh

Dans l’atmosphère, ce sont les molécules de diazote et de dioxygène qui diffusent le plus.

Diffusion de Mie

En 1908, Mie généralise le résultat de Rayleigh et indique que l’efficacité de la diffusion en fonction de la longueur d’onde disparaît quand la taille des particules devient proche de la longueur d’onde de la lumière. En prenant une taille de l’ordre du micromètre,  c’est ce qu’il se passe pour les gouttelettes d’eau dans les nuages !

La diffusion est donc forte pour un gaz peu dense comme l’atmosphère terrestre, mais pas pour des liquides ou des solides transparents, où la lumière diffusée par l’ensemble des molécules ou des atomes qui les compose est très faible.

Température, neige et cristaux de glace

Un aspect non négligeable dans la réflexion de la lumière au sol ou dans l’atmosphère : la présence de neige ou de cristaux de glace. En période de neige, la réflexion lumineuse atteint 90%, voire plus. Donc toute lumière focalisée sur le sol devient quasiment entièrement polluante et contributive du skyglow. Au plus focalisée et directionnelle, au mieux réfléchie… Ce qui est donc le cas de tous les éclairages LED !

De même, la présence de cristaux de glace dans l’atmosphère basse augmente la réfraction / diffusion des lumières locales.

Exemple de luminaire à ULOR > 0° et de diffusion de la lumière avec un éclairage mal adapté (brouillard et givre).

En zone industrielle, ce genre d’effet rend la contribution maximale… (ex : Anvers…)

Skyglow

Par ce terme générique, on désigne la luminance globale du ciel, crée par tout phénomène lumineux présent, qu’il soit naturel ou artificiel. L’atmosphère elle-même, via des processus bien connu, génère de la lumière, mais elle est largement surpassée par toutes les sources artificielles.

Et toute pollution atmosphérique (tel que au-dessus des villes) va évidemment influencer et générer un « halo » caractéristique. Donc, en région urbaine, le « halo jaunâtre » couvrira de-facto largement plus le ciel que dans le cas d’une zone rurale.

Donc, l’éclairage du ciel nocturne (même dégagé) sera fortement influencé par l’éclairage urbain de mauvaise qualité ou réfléchi (rem : avec les LED, plus directionnelle, cela aura un effet plus marqué). En incluant tous les phénomènes décrit, on remarque que la lumière blanche mal gérée (ampoule métal, LED) va s’ajouter 3,3x plus au skyglow que les précédentes lampes orange (sodium).

Sky Glow brightness ratios for different lamp types

Lamp Type	Description	Sky Glow relative to LPS	Sky Glow relative to HPS
LPS	Low-pressure sodium	1.0	0.4
NBA-LED	amber AlGaInP LED	1.0	0.4
HPS	High-pressure sodium	2.4	1.0
PCA-LED	Phosphor-converted amber LED	2.4	1.0
FLED	5000K CCT LED with yellow filter	3.6	1.5
LED 2400K CCT	Warm white LED	4.3	1.8
LED 3000K CCT	Warm white LED	5.4	2.1
LED 4100K CCT	Neutral white LED	6.4	2.7
LED 5100K CCT	Cool white LED	7.9	3.3

D’où l’intérêt d’avoir à la fois un éclairage LED SANS perte lumineuse ET au plus proche du « rouge » (blanc chaud) que du « blanc » (blanc froid). Car sinon, sa contribution à la PL est maximale… Et hélas, les éclairages actuellement installés dépassent tous 3000K !

Les éléments composantes d’un éclairage urbain sont les suivants :

Un Cahier Technique sur les pertes directes et directes d’un éclairage nous inspirera pour la détermination de la contribution au halo des luminaires.  Même dans le cas d’un luminaire performant, on considère que la perte sera de <= 15%

Nous considérons donc que le flux lumineux alimentant le halo est constitué de trois apports de lumière tous dirigés dans l’hémisphère supérieur :
1. Le flux directement émis par les luminaires (ULOR).
2.Le flux réfléchi par la surface principale S (m²) qui reçoit un éclairement de E (lux).
3.Le flux réfléchi par la surface des abords de la surface principale.

Si l’on désigne par :
• ρ1, le facteur de réflexion diffuse de la surface (S) à éclairer ;
• ρ2, le facteur de réflexion diffuse des abords ;
et si l’on prend en considération le facteur d’utilisation (u) de l’installation d’éclairage
étudiée, on exprime le flux potentiellement perdu UPF par la relation :
UPF = Fla [ULOR + ρ1.u + ρ2 (DLOR – u)]

Reste à déterminer ULOR, DLOR, ρ1,ρ2, u dans un cas le plus général, pour l’utiliser dans les estimations.

Facteur ULOR

Le critère ULOR (Upward Light Output Ratio) détermine la quantité de lumière « perdue » vers le ciel par un luminaire. Les effets peuvent se voir (réfraction / diffusion) à une centaine de km de la source, comme le montre le graphique suivant :

Un luminaire d’autant moins efficace que son ULOR est élevé.  L’exemple le plus marquant est le luminaire de type « boule » qui éclaire partout, sauf réellement par terre !  Dans ce cas, on dépasse largement les 50% de perdu !

En fonction du rendement de conversion énergie > lumière d’un type de lampe (lm/W), on peut facilement estimer la quantité de flux lumineux (lm) utile et inutile. Et tout ce qui est inutile se retrouvera dans le skyglow mesuré.

Dans les modèles anciens, on va estimer la contribution moyenne à la PL d’un luminaire mal adapté via deux luminaires très courant en Belgique pour lesquels on va limiter la ULOR à 3% (en réalité, c’est souvent pire, avec une installation non horizontale).

• Le modèle Schreder VZ 3s, fort répandu(sur routes communales rurales, notamment). C’est un modèle utilisant la Sodium basse pression (fournit 100 à 200 lm/W) et  il est le plus couramment installé avec 50W et 100W.
  • Avec un ULOR moyen de 3%, 50W par luminaire (donc 50 Wh), 100 lm/w en rendement, 8h de fonctionnement (moyenne), cela fait : 50 x 150 x 0.03 x 8, soit ‬1800 lm de flux lumineux expédié vers le ciel par nuit par luminaire
• Le modèle Schreder MC1/12, fort répandu dès les années 80 dans les zones urbaines et routes,  des lampes NaHP (Sodium haute pression,  (fournit 80 à 150 lm:W). Le plus couramment installé est le modèle 70W.
  • Cela fait : 70 x 100 x 0.03 x 8, soit‬ 1680 lm de flux lumineux expédié vers le ciel par nuit par luminaire

Pour simplifier, 1700 lm/luminaire sera considéré comme perte typique pour un luminaire non-LED.

Quand aux nouveaux modèles LED’s, ils sont normalement « Full Cut Off » (FCO) et ne devrait pas présenter ce problème (on estime à ULOR = 0).

Facteur DLOR

Le critère DLOR (Downward Light Output Ratio) détermine la quantité de lumière émise en dessous du plan horizontal.

On peut parler d’éclairage utile… Si il n’est pas dirigé vers des fenêtres d’habitation au lieu de la route !

Pour la suite de la description :

Voir la partie 2