La lumière naturelle

Gabriel Dupras, Vice-président Recherche et Développement chez Sollum Technologies

décembre 2021

Préface

La lumière du jour se distingue par ses nuances quotidiennes et saisonnières où la nature passe, de façon cyclique, de l’éveil à la dormance. La gamme variée des transformations de la lumière du Soleil impose majestueusement sa cadence à l’activité terrestre. Inspirée par cette synergie entre les êtres vivants et la lumière naturelle, Sollum Technologies a créé la seule solution d’éclairage qui permet de reproduire tous les spectres de la lumière naturelle dans toute leur complexité. 

Introduction 

Dans la nature, le vivant et son milieu font preuve d’une complicité exceptionnelle. La lumière naturelle représente l’un des éléments constitutifs et essentiels au vivant et à ses interactions. Pour mieux la comprendre, il est nécessaire de rappeler quelques observations météorologiques, atmosphériques, astronomiques et physiques. La lumière possède une signature spectrale complexe qui est constamment modulée par les phénomènes naturels.

Par exemple, la rotation de la Terre et son mouvement de révolution autour du Soleil produisent des cycles de lumière quotidiens et saisonniers. Sollum a choisi de démystifier l’ensemble de l’œuvre afin de s’en inspirer pour créer un éclairage qui respecte ces rythmes et cette qualité offerte par la nature.

Afin de mieux comprendre la complexité de la lumière naturelle, les graphiques de signature spectrale ci-dessous illustrent deux séries de signatures lumineuses présentes dans le milieu humain. Les différentes technologies d’éclairage peuvent produire une température couleur lumineuse mesurée en Kelvin (K) qui, à première vue, semble similaire l’une à l’autre. Dans l’exemple ci-dessous, la température de couleur de l’éclairage 2700K est caractérisée comme un éclairage « chaud » ou dit « ambré » alors que 4700K est relativement plus « froid » ou « bleuté ». On constate que le spectre du Soleil de 4700K est beaucoup plus complet que son comparable dans la technologie à diode électroluminescente (DEL) blanc naturel, aussi 4700K.

La lumière du Soleil 

Les expressions “lumière du Soleil”, “lumière du jour” et “lumière naturelle” sont souvent utilisées de manière interchangeables. L’expression lumière naturelle a été retenue dans le présent document car elle permet de réunir et de préciser les nuances de la Lumière du Soleil transmise à la surface de la Terre durant le jour. 

La lumière émise par le Soleil est un rayonnement électromagnétique. Il s’agit en quelque sorte de l’évacuation d’un excédent d’énergie transporté par un rayon lumineux. La lumière du Soleil couvre un large spectre nommée spectre électromagnétique dont une portion seulement est visible. Le spectre visible peut être représenté par un graphique similaire à celui, ci-dessus, qui présente la signature du Soleil. 

DEL blanc “naturel” Soleil d’après-midi nuageux 4 Seule une infime part de la lumière émise par le Soleil est dirigée en direction de la Terre. Au cours de son déplacement, le rayonnement solaire est essentiellement altéré par ses interactions avec la matière qui compose l’atmosphère terrestre. Le spectre du Soleil mesuré dans l’espace diffère de celui perçu à la surface de la Terre. En effet, différentes portions du spectre de sa lumière sont réfléchies, absorbées, diffusées ou réfractées différemment par les particules, les poussières, la vapeur d’eau, les nuages et les gaz présents dans l’atmosphère.

L’arc-en-ciel 

Pour préciser les avantages de la représentation de la lumière par son spectre électromagnétique, l’exemple de l’arc-en-ciel est tout indiqué car celui-ci révèle que la lumière naturelle est composée de différentes couleurs additionnées les unes aux autres. L’arc-en-ciel représente l’une des rares manifestations naturelles de la dispersion de la lumière blanche. En effet, les gouttelettes d’eau en suspension par temps humide séparent par réfraction les couleurs constituant la lumière à la manière d’un prisme. L’œil humain ne perçoit qu’une couleur blanche et unie mais la lumière naturelle est composée d’une diversité de couleurs en proportions distinctes. Il est possible d’observer et de mesurer cette lumière avec un spectromètre. Sur cet appareil, la lumière est représentée en une suite de couleurs finement subdivisées en longueurs d’onde et exprimées en nanomètre (nm). La plage visible est de 400 à 700 nm. Par exemple, 470 nm représente une lumière bleue alors que 630 nm représente une lumière rouge. 

Progression dans le temps 

Les changements de la nature au gré du temps sont admirables et il faut s’y attarder. Cette section s’intéresse aux transformations spectrales et aux variations d’intensité de la lumière naturelle responsables des changements périodiques de la nature. La suite explique la façon dont les feux solaires gouvernent les jours et les saisons suivant la latitude, étant donné la rotation et la révolution de la Terre. Variations ponctuelles La lumière naturelle se caractérise par son spectre dynamique. En un court moment, les réflexions et les filtres imposés à la lumière du Soleil par l’atmosphère peuvent être modifiés par des événements météorologiques qui s’enchaînent de façon aléatoire. 

Par exemple, un simple passage nuageux fait varier significativement l’intensité lumineuse ainsi que les proportions des longueurs d’onde qui composent le spectre de la lumière naturelle.

Passage nuageux devant le Soleil © Sollum Technologies

Variations quotidiennes 

Du lever au coucher du Soleil, la lumière du jour progresse d’heure en heure suivant la rotation de la Terre. Les variations de la lumière sont marquées à l’aube et au crépuscule par un Soleil rouge et un ciel rehaussé de camaïeux orangés. Il va sans dire que la composition spectrale de la lumière se transforme considérablement au cours d’une journée. 

Ces événements chromatiques, qui brillent par la prédominance de la couleur bleue ou de son effacement au profit de teintes rougeâtres, sont dus à la redistribution désordonnée de lumière bleue par l’atmosphère ou diffusion de Rayleigh. Selon l’angle d’incidence de la lumière du Soleil dans l’atmosphère et l’épaisseur à traverser, la distribution de lumière bleue varie. Plus la lumière rencontre de particules, plus sa composante bleue est redistribuée dans toutes les directions au détriment de sa direction originale. Puisque « rien ne se perd, rien ne se crée », cette lumière bleue redirigée explique la dominance du bleu lors d’une observation indirecte de l’astre solaire, et sa moindre importance en observation directe.

Il n’y a pas que la couleur de la lumière qui est affectée par la variation de l’épaisseur de l’atmosphère à traverser. L’intensité globale de la lumière évolue aussi grandement. Des premières lueurs de l’aube aux derniers rayons du crépuscule, l’intensité de la lumière augmente graduellement jusqu’au zénith et diminue ensuite progressivement. 

Les captures de différents spectres solaires au cours d’un après-midi parsemé de passages nuageux soulignent l’évolution spectrale de la lumière. Le ratio des longueurs d’onde situées dans le tiers bleu du spectre par rapport à celles situées dans le tiers rouge est plus important lorsque le Soleil est près de son zénith. À une altitude intermédiaire au-dessus de l’horizon, les tiers bleu, vert-jaune et rouge sont plus équilibrés et le tiers rouge domine à l’horizon.

Progression du spectre du Soleil à Montréal au cours de l’après-midi du 15 avril 15 2020 © Sollum Technologies

 

Ces variations d’intensité et ces transformations spectrales quotidiennes, ainsi que celles qui s’étendent sur de plus longues périodes (abordées à la section suivante), constituent de véritables vecteurs d’information de la progression du temps pour la nature.

Variations annuelles 

En plus des variations quotidiennes, les variations annuelles ajoutent une autre dimension au dynamisme spectral de la lumière naturelle. D’une saison à l’autre, la lumière évolue notamment suivant la révolution de la Terre, étant donné l’orientation oblique de son axe de rotation. 

En fonction de la latitude, l’intensité de la lumière varie annuellement selon l’altitude maximale atteinte quotidiennement par l’astre solaire au-dessus de l’horizon. L’altitude du Soleil dans le ciel dépend d’une logique similaire à celle de la durée du jour. Ainsi, plus l’altitude maximale au-dessus de l’horizon est élevée, plus la quantité d’énergie transportée depuis le Soleil est concentrée à l’intérieur d’une petite surface. Pour visualiser ce phénomène, il suffit de s’imaginer, par analogie, un cylindre en tant que rayon lumineux. La section d’aire du cylindre parallèle à la base circulaire correspond à la concentration de la lumière sur la plus petite surface possible et donne l’intensité est maximale. Pour toute autre section d’aire non parallèle au diamètre du cylindre, la même quantité de lumière est répartie sur une plus grande surface ; et l’intensité diminue à mesure que l’angle normal de la section d’aire formé avec le plan du diamètre diminue.

La lumière de Sollum Technologies 

Le génie créatif de Sollum Technologies s’est penché sur la dynamique de la lumière naturelle. Dans le but de reproduire cette lumière dans des endroits où le Soleil ne parvient pas ou peu à accéder, Sollum a développé une source d’éclairage qui peut reproduire toutes les subtilités spectrales de la lumière. 

En prenant comme référence l’intelligence innée de la nature, nos luminaires reproduisent intégralement les cycles et les variations de la lumière solaire avec une précision et une qualité inégalée. 

En effet, notre solution permet de reproduire dynamiquement tous les spectres de la lumière naturelle, avec toutes ses nuances, au sein d’une seule solution d’éclairage intelligent. La solution tient compte de l’ensemble des variabilités : les changements météorologiques, le positionnement (longitude et latitude), l’altitude, le moment de la journée et la composition de la masse d’air. Cela nous permet de reproduire de façon optimale toutes les conditions lumineuses et climatiques de toutes les régions du monde. 

Puisque chacun de ces paramètres engendre une variation du spectre de la lumière, nous en tenons compte pour assurer un éclairage optimisé, personnalisé et créatif. Par notre volonté de suivre le spectre solaire naturel, nous assurons une lumière qualitative directement inspirée de la nature. 

Les figures ci-dessous démontrent, d’une part, que la solution de Sollum permet de reproduire le spectre de la lumière du Soleil intégralement dans la portion du rayonnement visible et, d’autre part, illustrent la modularité du spectre produit par le luminaire de Sollum.

À propos de Sollum Technologies

Fondée en 2015, Sollum Technologies s’inspire de la nature pour proposer aux serriculteurs la seule solution d’éclairage intelligent DEL qui reproduit et module dynamiquement tous les spectres de la lumière naturelle du Soleil. La société est basée à Montréal (Québec, Canada) où sont concentrées ses activités de conception, de développement et de fabrication. Elle travaille étroitement avec ses clients pour moduler et créer des recettes adaptées aux stades de croissance de chaque produit, peu importe son climat d’origine dans le monde et l’emplacement de leur serre. Les solutions d’éclairage de Sollum procurent ainsi une valeur inégalée du point de vue économies d’énergie, productivité et qualité supérieure des aliments au moyen d’une application flexible, évolutive et facile à utiliser, dans le plus grand respect de l’environnement. Pour de plus amples informations, visitez sollumtechnologies.com ou consultez la page LinkedIn.

 

Références (liste des sources)

ASTM INTERNATIONAL (2005). Astm g159-98, standard tables for references solar spectral irradiance at air mass 1.5 : Direct normal and hemispherical for a 37 degrees tilted surface. Rapport technique, ASTM. 8. https://www.researchgate.net/figure/Spectresolaire-hors-atmosphere-en-noir-et-au-sol-a-37Sud-en-rouge-ASTM_fig1_314446944

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