Corrigé

1.  Page de titre


Andréane D'ARCY-LEPAGE
Maude FONTAINE
Caroline PFISTER
Sciences de la nature
groupe 2507




Projet de recherche sur la pollution lumineuse
Contrôle de la pollution lumineuse à l'observatoire du mont Mégantic (OMM)





Rapport de laboratoire présenté à
M. Martin AUBÉ
Département de Physique
pour le cours
Projet de fin d'étude





Cégep de Sherbrooke
19 mai 2011


Résumé

Bien que le ciel nocturne soit affecté par la présence de lumière depuis l'avènement de l'éclairage extérieur, la pollution lumineuse est un concept qui n'a fait son apparition que dans les années 1980. Elle est définie comme étant un phénomène de présence nocturne anormale de lumière causé par l’être humain, principalement en raison des lampadaires, des panneaux publicitaires et des édifices éclairés. Ces différentes sources sont problématiques, car l’éclairage est souvent inutile et n'est pas seulement dirigé là où elle est nécessaire. De plus, l'éclairage omniprésent peut être nuisible pour la faune, la flore et même la santé humaine en favorisant le développement de cancers hormonaux et autres problèmes de santé. Les lampadaires étant la source qui contribue le plus à la luminosité nocturne, le passage du modèle Cobrahead, qui émet plus de 6% de sa luminosité au-dessus de l'horizon, au modèle plus récent Helios, qui lui émet moins de 1% de son flux lumineux au-dessus de l'horizon, améliorerait grandement la situation lumineuse des villes. L'instauration en 2007 de la Réserve Internationale de Ciel Étoilé (RICE), qui comprend les régions du Haut-Saint-François, du Granit, de même que la ville de Sherbrooke et s'étend sur une superficie de 5 500 km2, a déjà permis un pas important dans cette direction en remplaçant tous les lampadaires situés dans un rayon de 25 km à proximité de l'Observatoire du mont Mégantic par des modèles Helios et en réduisant leur intensité lumineuse.

La présente recherche vise à dresser un portrait de la situation lumineuse actuelle de la région entourant l'Observatoire du mont Mégantic (OMM). En fait, nous voulons recueillir les informations nécessaires afin de réduire la pollution lumineuse ou, à tout le moins, d'empêcher son augmentation. Dans cette optique, nous souhaitons cibler les zones critiques en matière de sensibilité et de contribution à la pollution lumineuse, puis mesurer l’impact de l’instauration de la RICE grâce à une comparaison entre la situation lumineuse de 2005 et celle de 2009.

Afin d'atteindre ces objectifs, nous produirons un total de huit cartes, dont quatre illustreront la contribution lumineuse et quatre, la sensibilité, chacune présentant les résultats en fonction de deux saisons, soient l'été et l'hiver, et en fonction de deux années, soient 2005 et 2009. D'une part, les cartes de contribution lumineuse illustrent comment chaque km2 de terrain contribue à la pollution lumineuse détectée au zénith à l'OMM, selon une échelle d'importance relative. D'autre part, les cartes de sensibilité à la pollution lumineuse permettent de dresser le portrait de l'impact d'un lampadaire typique (source étalon) sur la pollution lumineuse mesurée à l'OMM au zénith, et ce, pour chaque km2 entourant l'Observatoire. Ces cartes, produites par le modèle ILLUMINA, nous permettront de représenter le plus fidèlement possible le phénomène de pollution lumineuse par rapport à un point d'observation, dans notre cas l'OMM. L'éxécution de ce modèle nécessite l'obtention de certaines données en lien avec l'environnement étudié.

En important les cartes de contribution et de sensibilité dans Google Earth, il est possible d'associer ces observations à des régions spécifiques du Québec afin de connaître les endroits les plus problématiques pour l'Observatoire du mont Mégantic en matière de pollution lumineuse. Finalement, nos résultats visent à minimiser stratégiquement l'impact de la pollution lumineuse sur l'OMM et à contrôler efficacement l'ajout de nouveaux lampadaires dans ses environs en communiquant nos résultats aux employés de l'ASTROlab du parc national du mont Mégantic. Nos résultats seront également disponibles sur le web afin d'informer et de sensibiliser la population en général en ce qui concerne la pollution lumineuse.

2.  Abstract

Night sky has been altered by the presence of light ever since humans invented outdoor lighting. Meanwhile, the concept of light pollution only appeared in the 1980s. It’s now known as an occurrence of abnormal presence of light during the night attributed to human being, mainly because of streetlamps, advertising panels and lighted buildings. The reason why those sources of light are damaging is that they are often useless and the light they produce isn’t directed only where needed. Besides, the omnipresent lighting is a threat for the fauna, the flora and the human health because it’s correlated to the development of hormonal cancers and other health troubles. Since the streetlamps are the main cause of night luminosity, light pollution can be fought by improving the streetlamps’ performance. It has been done by converting the Cobrahead models, that send more than 6% of their radiance above the horizon, for the Helios models, that send less than 1% of their radiance above the horizon. Those changes were some of the ones made inside a 25 km radius surrounding the Observatoire du mont Mégantic when the Réserve Internationale de Ciel Étoilé (RICE) was created in 2007. This 5 500 km2 protected zone includes the Haut-Saint-François region, the Granit region, and Sherbrooke city. In addition to the conversion from Cobrahead to Helios, all the streetlamps located around the observatory had their intensity reduced.

This research is designed to point up the current incidence of light pollution in the surrounding area of the Observatoire du mont Mégantic (OMM). Actually, we want to gather the information that would permit to reduce the amount of light pollution, or at least prevent it from increasing. For this purpose, we hope to be able to identify the critical zones in terms of sensibility and contribution to the light pollution. We also want to measure the impact of the RICE creation by comparing the data of 2005 and 2009.

In order to reach those objectives, we will produce a total of eight maps, with four of them showing the contribution to the light pollution and the four others showing the sensibility. Different results will come out depending on the season (winter and summer) and the year analyzed (2005 and 2009). On one hand, the contribution maps illustrate how each km2 of the region contributes to the light pollution detected at the zenith from the OMM, according to a scale of relative importance. On the other hand, the sensibility maps point up the impact of a typical streetlamp on the light pollution measured at the OMM, still at the zenith, and this for each km2 surrounding the observatory. Those maps will be produced by the ILLUMINA model and will permit to represent as faithfully as possible the phenomenon of light pollution detected from a standing point, which is in our case the OMM. Some environmental data related to the characteristics of the analyzed territory are required to execute the ILLUMINA model.

By importing the contribution and sensibility maps in Google Earth, it becomes possible to identify the municipalities that correspond to the critical zones seen on the maps. We are then able to know the places that are the most damaging for the OMM in terms of light pollution. Finally, our results are eventually designed to strategically minimize the impact of light pollution on the OMM astronomical activities and to efficiently control the addition of new streetlamps in the surroundings. The conclusions of this research will be shared with the employees of the Mont Mégantic National Park’s ASTROLab, and will also be published on the web in order to inform and get the public involved to the situation of the light pollution.

3.  Introduction

Pendant des millénaires, les étoiles ont éclairé l’être humain et le ciel nocturne a été un atout précieux pour la survie de l’espèce, en plus d’être à l’origine des tous premiers questionnements scientifiques. Il faut remonter aussi loin qu’au Néolithique pour assister à la naissance de l’astronomie, aujourd’hui considérée comme la plus ancienne des sciences. Des civilisations de nos jours disparues savaient déjà reconnaître certaines constellations et avaient compris le caractère périodique des équinoxes, qu’elles avaient su associer au cycle des saisons. Les étoiles ont permis aux hommes d'inventer des calendriers pour mesurer le temps, de concevoir des outils pour naviguer en mer, et de se situer à partir de cartes célestes. À la fois interpellés par leur mystère et réconfortés par leur présence bienveillante, les hommes ont tiré des étoiles leurs premières croyances. Cependant, les observations des premiers astronomes, toujours faites à l’œil nu, seraient pour la plupart impossibles à réaliser aujourd’hui, l’éclairage artificiel nocturne ayant endommagé la visibilité du ciel sur pratiquement toute la surface de la planète.

La récente prise de conscience du problème que constitue la pollution lumineuse au sein de la communauté scientifique a fait comprendre la nécessité d’intervenir en ce domaine. Cependant, avant d’envisager des façons de lutter contre la pollution lumineuse, il faut pouvoir mesurer le phénomène, ce qui s’avère être un obstacle de taille. Comment évaluer de façon exacte et précise la présence anormale de lumière dans le ciel nocturne? C’est à partir de cette question, à laquelle bien peu de chercheurs ont su répondre jusqu’à ce jour, que nous avons entrepris la présente recherche. Celle-ci vise à modéliser la pollution lumineuse dans la région entourant l’Observatoire du mont Mégantic. De cet objectif découlent trois buts précis, le premier étant de dresser un portrait, sous forme de cartes de contribution et de sensibilité des lampadaires, de la situation lumineuse actuelle de la région. Nous voulons ensuite cibler les zones critiques en matière de sensibilité et de contribution, puis mesurer l’impact de l’instauration de la RICE (Réserve Internationale de Ciel Étoilé), créée en fonction depuis 2007 dans les municipalités situées à proximité de l’Observatoire.

Ces objectifs étant fixés, il devient essentiel de se doter d’un outil qui servira à modéliser la pollution lumineuse. Nous disposons pour ce faire du modèle ILLUMINA mis au point par le chercheur Martin Aubé dans le cadre d'une recherche sur la pollution lumineuse aux Îles Canaries1. Il est capable d’illustrer sous forme de cartes la contribution relative de chaque unité du territoire à la pollution lumineuse détectable en un point donné. Dans le cadre de notre recherche, ce point est l’Observatoire du mont Mégantic. Le modèle ILLUMINA produit également des cartes illustrant la sensibilité relative des lampadaires, que l’on peut comprendre comme le degré d’influence d’un lampadaire donné sur la lumière détectable à l’OMM. Si la pollution lumineuse est aussi difficile à mesurer, c’est notamment parce qu’elle fait intervenir un nombre considérable de facteurs. L’exactitude d’ILLUMINA est donc en partie attribuable à sa capacité de prendre en compte un grand nombre d’intrants, qu’il s’agisse de données satellites, de fichiers topographiques ou de caractéristiques des lampadaires.

1.Rapport de recherche Tenerife

4.  La pollution lumineuse

4.1  Historique

Officiellement, la notion de pollution du ciel nocturne a fait son apparition dans les années 1980. Cependant, le phénomène était déjà présent au XVIIe siècle. En 1667, Louis XIV entreprend l’éclairage de toutes les rues de la capitale française. L’objectif est d’assurer la sécurité des gens en réduisant les vols et les crimes, et rapidement, le besoin de combattre la noirceur s'étend au reste de l’Europe. Au siècle suivant, le progrès technique apporte les phares, qui ne tardent pas à envahir les côtes par centaines. On observe dès lors des comportements étranges chez les animaux. Les fanaux attirent les oiseaux par milliers, perturbant leur horloge interne et leurs repères géographiques.

Par la suite, l’éclairage progresse au rythme effarant effarent de la révolution industrielle, jusqu’au début du XXe siècle, période qui se verra marquée par les conflits armés les plus meurtriers de l'histoire. Au cours des 500 dernières années, les nuits d’Europe n’ont jamais été aussi sombres que lors des Première et Seconde Guerres mondiales. Les zones occupées et les zones de résistance faisant l'objet de règlementations militaires strictes, aucune luminosité ne devait être perceptible du ciel une fois le soleil couché. Après la Seconde guerre mondiale, la modernisation reprend de plus belle et on peut de nouveau observer un inquiétant halo au-dessus des grandes villes. Ce sont les astronomes qui ont été les premiers à se regrouper afin de dénoncer cette problématique, qui gêne leurs observations. Le premier appareil de mesure de la pollution lumineuse est développé par Léon Foucault, qui avait pour mandat de comparer le pouvoir éclairant de deux types de gaz d'éclairage destinés aux lampadaires de Paris. Son appareil est un photomètre.

En 1995, le problème écologique commence à faire surface et on voit apparaître les premiers colloques et symposiums où chercheurs et naturalistes traitent du problème de la pollution lumineuse. On tente d'exposer les impacts du phénomène sur l'environnement et sur la santé humaine. Les premières études étant encore très récentes, les spécialistes parviennent difficilement à vérifier leurs hypothèses et disposent de très peu de données. Depuis, les recherches et les données empiriques se multiplient et permettent une analyse plus exacte de la pollution lumineuse. C’est l’International Dark-Sky Association, fondée en 1988, qui fût le premier organisme à s’intéresser à la pollution lumineuse et à ses effets néfastes. Cette association s’impose encore aujourd’hui comme la référence en matière de lutte contre la pollution lumineuse. Le réseau AERONET, mis sur pied par la NASA en 1993, se veut quant à lui une banque de données précieuse. Les quelques 450 sites d’observations sont munis de photomètres solaires qui accumulent les données sur divers paramètres en lien avec la pollution lumineuse, de jour. Les données de ces appareils sont ainsi déposées sur le site web du projet AERONET. Les techniques et les méthodes restent encore imparfaites et limitées puisqu'aucun appareil, à l'exception de SAND 2 développé par Martin Aubé et son équipe, ne mesure la pollution lumineuse la nuit de façon efficace.

4.2  Définition

Le terme pollution lumineuse désigne un phénomène de présence nocturne anormale ou gênante de lumière causé par l’être humain. La notion de pollution lumineuse implique également les conséquences de l'éclairage artificiel nocturne sur la faune, la flore et les écosystèmes ainsi que les effets soupçonnés ou confirmés sur la santé humaine.

Depuis peu, la pollution lumineuse s'applique également à un nouveau domaine, celui de la lumière polarisée qui représente des rayonnements de lumière modifiée. L'expression ‘‘Pollution par la lumière polarisée’’ (ou PLP) a été dissociée du reste de la pollution lumineuse parce que celle-ci se distingue par le fait qu’elle est diurne. La lumière émise par le soleil est légèrement polarisée et peut le devenir d’avantage (par exemple lorsque les photons sont perturbés par l’eau ou la vapeur d’eau). Certaines espèces du règne animal peuvent percevoir cette polarisation et l’utiliser afin de se guider, notamment lors de migrations. La PLP englobe la lumière artificielle polarisée émise par l’être humain ainsi que les modifications portées à la polarisation de la lumière naturelle.

4.3  Sources

La luminosité nocturne est causée par des sources naturelles et humaines. La Lune, les étoiles, les aurores boréales et la luminescence du ciel sont les principales sources naturelles. Pour ce qui est des sources anthropiques, on retrouve les lampadaires (probablement la plus grande source), les panneaux publicitaires, les édifices éclairés, les aéroports, les ports, les phares, etc. Ces différentes sources d’origine humaine sont problématiques, car l’éclairage n’est pas uniquement dirigé là où elle il est nécessaire, comme c'est le cas avec les lampadaires isotropiques. La lumière perdue est réfléchie et dispersée par les aérosols en suspension dans l’atmosphère, ce qui cause une augmentation de la pollution lumineuse dans le cas où l’observateur se trouve à proximité de la source lumineuse et une diminution dans le cas où l'observateur se trouve à grande distance (???). Ainsi, il est plus difficile d’admirer le ciel nocturne dans les villes qui ne gèrent pas bien l’éclairage, à cause d’un halo lumineux orange brunâtre présent au-dessus de celles-ci. De plus, les lampadaires ayant le plus grand impact sur la pollution lumineuse sont ceux qui émettent une grande proportion de leur flux lumineux au-dessus de l'horizon. Il est à noter que l'angle selon lequel le ciel est observé est relié à la pollution lumineuse détectée : une source de lumière peut interférer de façon différente avec une observation faite au zénith, par rapport à une observation faite plus bas vers l'horizon.

4.4  Origine du problème

L’humain a instinctivement peur du noir, c’est pourquoi la demande d’éclairage la nuit est si grande. Pour une question de sécurité, les lampadaires sont en fonction à toute heure de la nuit. L’éclairage des aires publiques est manifestement abusif, la plupart des sources de lumière sont inutiles et/ou inappropriées. Elles sont inutiles lorsqu’elles fonctionnent et que personne n’en a besoin, par exemple dans une rue déserte. Elles sont inappropriées lorsque leurs orientations ne sont pas concentrées vers l’endroit visé, ou lorsqu'elles sont désuètes comme le sont lampes à vapeur de mercure à haute pression ou encore les luminaires sphériques et les ballasts qui consomment une grande quantité d'énergie.

La raison principale de l’éclairage excessif des panneaux publicitaires et des vitrines de magasins est qu’ils sont conçus pour attirer l’attention, ils doivent donc être assez éclatants pour capter le regard. Le faible coût de l’électricité dans les pays producteurs ainsi que l’absence de lois contrôlant la quantité, l’orientation et l’efficacité des sources de lumière (sauf quelques exceptions comme la RICE qui est une région contrôlée par des lois) entraînent une surconsommation de l’éclairage ce qui augmente considérablement la pollution lumineuse.

4.5  Les impacts

1) Sur la flore

Des effets néfastes sur les algues et les plantes qui subissent un éclairage artificiel pour un cycle anormalement long ou encore qui perçoivent une quantité non-négligeable de lumière polarisée ont été observés. En effet, la noirceur est essentielle aux plantes, qui profitent de la nuit pour cesser toute photosynthèse et ainsi se «reposer». La pollution lumineuse est donc responsable d'un métabolisme végétal moins performant. L’éclairage artificiel retarderait fortement la chute des feuilles (de plusieurs mois parfois) et causerait une diminution de certaines récoltes, selon de récentes observations. (sources?)

2) Sur la faune

Les oiseaux migrateurs sont nettement les plus touchés touchées par la pollution lumineuse. Leur sens de l'orientation est basé sur la vision, la perception du champ magnétique terrestre et la position des étoiles. Or, deux de ces sens sont altérés par la lumière nocturne ; les oiseaux perdent leurs repères célestes et sont éblouis par la lumière artificielle. Le FLAP (Fatal Light Awarness Program) estime à 100 millions le nombre d'oiseaux tués chaque année aux Etats-Unis par collision avec des vitres ou des éléments d'architecture, sur l'ensemble de leur parcours migratoire. Le programme a également mené une étude sur la tour du CN à Toronto. Cette tour est éclairée la nuit et on a dénombré à ses pieds 3000 cadavres d’oiseaux en un an. (sources?)

Plusieurs ornithologues s’intéressent au cas des oiseaux des villes. Les oiseaux devenus sédentaires dans les villes possédant un halo permanant de lumière montrent un comportement erratique et nerveux, ceux-ci vivant constamment sous une lumière artificielle. L’équilibre des écosystèmes en est bouleversé, puisqu'un taux anormalement élevé de prédation est observé chez les espèces continuellement soumises à un éclairage. De plus, les insectes et les oiseaux attirés par la lumière vive deviennent des proies faciles puisqu’ils se réunissent en groupe au même endroit et n’offrent aucune résistance, étant obnubilés par le rayonnement. (sources?)

3) Sur l’être humain

75% de la population planétaire vit dans des zones suffisamment urbanisées pour être concernées par la pollution lumineuse. Celle-ci contribue à désaccoutumer l'être humain de la pénombre et de la noirceur ce qui, par conséquent, entretient une dépendance à la lumière artificielle. L’évolution des espèces terrestres s’appuie sur l’alternance rythmée du jour et de la nuit, et le cerveau humain ne fait pas exception à cette règle, plusieurs processus hormonaux vitaux étant déclenchés par l'exposition à la lumière ou à la noirceur. Il est clair que l’adaptation physiologique n’est pas possible chez la plupart des espèces, dont peut-être l'espèce humaine, où le rythme nycthéméral (rythme naturel des levers et couchers de soleil) a probablement profondément modelé le psychisme. La mélatonine est l’hormone responsable de la gestion des cycles d'activité et de relâchement du corps, et celle-ci est sécrétée par la glande pinéale située dans le cerveau. C’est la présence ou l’absence de lumière qui stimule la sécrétion de cette neurohormone. Par son rôle de gestion de l’horloge biologique, elle agit sur l’ensemble des systèmes hormonaux du corps. L'éclairage omniprésent cause une sécretion presque continue de cette hormone, ce qui provoque un état d’activité biochimique anormalement élevé du corps humain, induisant inévitablement une accumulation de fatigue. On parle alors de conséquences allant d'une augmentation du stress, à une plus grande prédisposition à la dépression et même jusqu'à une augmentation des risques de développer un cancer. (sources?)

Dans la société moderne, l'éclairage artificiel des rues est justifié par le besoin de sécurité des passants et des automobilistes. Ce sentiment de sécurité a cependant tendance à inciter les automobilistes à augmenter leur allure, ce qui peut avoir des effets néfastes sur la sécurité. Aussi, un éclairage ponctuel très intense peut éblouir et gêner la conduite automobile, le contraste devenant insupportable pour l’œil humain et causant un délai dans le traitement de l’information. Notons ici que le vieillissement de la population augmente le nombre de personnes affectées par des cataractes, et donc particulièrement sensibles à l'éblouissement que causent les sources intenses de lumière. D'autre part, les éclairages mobiles ont tendance à distraire les conducteurs et les aviateurs. (sources?)

La lumière intrusive est une nuisance lorsqu'elle empêche l'accomplissement des activités dévolues à un lieu précis comme le sommeil dans les habitations, ou l'observation des étoiles à un observatoire. La lumière qui s’immisce dans une habitation dérange et nuit au sommeil des habitants. L'éclairage complique la tâche des astronomes qui tentent, par des observations célestes, de confirmer ou d’infirmer des théories, de produire l'imagerie électronique du ciel et d’approfondir notre connaissance de l’univers.

La pollution lumineuse est souvent associée au gaspillage d'énergie puisque l'éclairage mal adapté ou superflu engendre une dépense énergétique évitable, ce qui est immanquablement synonyme d'une mauvaise gestion des ressources et des problèmes écologiques. L'éclairage diffus du ciel n’est d’aucune utilité pour l'être humain et elle a un coût. Ce coût est évalué à 1,5 milliard de dollars par an aux États-Unis selon la International Dark-Sky Association. (sources?)

4.6  Améliorations possibles

Comme il a été expliqué précédemment, les sources d'éclairage artificiel sont souvent inutiles et/ou inappropriées. Il faut donc les utiliser seulement lorsque c'est nécessaire, concentrer leur flux en-deça de l'horizon et diminuer le plus possible leur intensité. Pour ce qui est des lampadaires, l’installation de détecteurs de présence réduirait fortement la quantité de lumière émise. L’utilisation d’abat-jours et de verres plats évite les pertes de lumière en orientant le faisceau de lumière vers le bas, ce qui réduit également les risques d’éblouissement. Le faisceau de lumière étant orienté vers le bas, il est important d’utiliser des surfaces les moins réfléchissantes possible au pied des lampadaires. Il est possible de s'attendre à ce qu'au Québec, la présence de la neige rende insuffisante la seule modification de l'orientation du faisceau de lumière, car la neige constitue une surface très réfléchissante dont on peut difficilement se débarrasser. Le seul moyen de diminuer l'incidence de la pollution lumineuse en hiver est sans doute de diminuer l'intensité des lampadaires.

Depuis quelques années, des tentatives de réduction de la pollution lumineuse et des dépenses énergétiques ont été faites en convertissant les lampadaires à vapeur de sodium à haute pression, modèles standards que l'on retrouve sur nos routes, par des lampadaires à vapeur de sodium à basse pression. Le dernier modèle présente en effet l'avantage de consommer moins d'énergie et d'émettre une lumière presque monochromatique, ce qui amoindrit l'impact sur la pollution lumineuse et en fait une lumière aisément filtrable par les astronomes. Cependant, ces lampes émettent une lumière orangée de piètre qualité, et leur installation sur quelques routes québécoises n'a pas été un très grand succès. Les lampadaires à vapeur de sodium à haute pression, qui émettent une lumière plus jaunâtre répartie sur quelques raies du spectre électromagnétique, semblent donc demeurer la meilleure solution, à condition que leur intensité et leur orientation soient adéquates.

Enfin, pour ce qui est des panneaux publicitaires, des édifices éclairés et des vitrines de magasins, il est essentiel de diriger encore une fois le flux lumineux vers le bas et d'intégrer des systèmes de minuteries. Effectuer ces changements peut paraître dispendieux, mais il faut retenir que la diminution de la pollution lumineuse est rentables à long terme. En effet, toute réduction de l'éclairage implique une dépense énergétique moindre, donc une diminution des coûts y étant associés, ainsi que des bienfaits sur la santé des humains et des écosystèmes. Mentionnons finalement que la contribution des municipalités consitue une condition essentielle à la lutte contre la pollution lumineuse, puisque c'est d'abord par des actions locales qu'il est possible de régler un problème à l'échelle planétaire, et surtout parce que ce sont des règlements municipaux qui permettront de donner lieu à des changements efficaces.

5.  Problématique

5.1  Observatoire du mont Mégantic et RICE

C'est dans la région des Cantons-de-l'Est, tout près de la petite localité de Notre-Dame-des-Bois, que se trouve le quatrième plus gros télescope au Canada, et le plus important de l'est de l'Amérique du Nord. Opéré par le Centre de recherche en astrophysique du Québec (CRAQ), une sommité de l'astronomie au Canada, l'Observatoire du mont Mégantic consacre ses activités à la recherche en astrophysique et assure la formation de jeunes chercheurs, leur donnant directement accès aux plus grands observatoires du monde. La mission de l'OMM inclut également le développement d'instruments d'observation astronomique dont la renommée a atteint une envergure internationale. Au pied du mont Mégantic se trouve l'ASTROLab, un établissement unique destiné à faire découvrir l'astronomie au grand public. Chaque année, ce véritable musée de la science céleste attire plus de 20 000 visiteurs.

L'éloignement géographique de l'OMM par rapport aux grands centres urbains ne le protège malheureusement pas de la pollution lumineuse. En effet, celle-ci aurait plus que doublé entre 1978 et 1998. Alors que la brillance du ciel nocturne était déjà de 25 % supérieure à sa valeur normale lors de la construction de l'observatoire en 1979, la pollution lumineuse augmente actuellement de 5 à 10 % chaque année, ce qui risque rapidement de compromettre la rentabilité scientifique et la vocation de l'OMM. Malgré leur petite taille, les municipalités situées à l'intérieur d'un rayon de 25 km autour du sommet du mont Mégantic contribuent de façon significative à la pollution lumineuse nuisant au travail des astronomes. En effet, les études menées par l'ASTROLab du mont Mégantic révèlent qu'une région comme celle de Montréal, malgré ses 3 000 000 d'habitants, est aussi nuisible qu'un village de 3000 habitants situé au pied du mont Mégantic.

C'est suite à ces constatations que l'équipe de l'ASTROLab a décidé de mettre sur pied son Projet de lutte contre la pollution lumineuse, un plan d'action visant à diminuer de plus de 25% la pollution lumineuse à l'OMM, de même que de préserver le potentiel de recherche de cet observatoire et le potentiel récréotouristique de l'ASTROLab et du parc national du mont Mégantic. Afin d'atteindre ces objectifs, l'ASTROLab a décidé d'agir sous trois axes, soit la sensibilisation, la réglementation et la conversion de dispositifs électriques tels que le passage du modèle de lampadaire Cobrahead à Helios, dont les caractéristiques seront détaillées plus loin. Concrètement, ces trois axes ont permis la création, en septembre 2007, de la Réserve Internationale de Ciel Étoilé (RICE), première zone protégée au monde, notamment reconnue par l'International Dark-Sky Association. Avec une superficie totale de 5500 km2, la RICE fait l'objet de règlements en matière d'éclairage, et est divisée en trois zones. La première, appelée la zone 1, correspond à un cercle de 25 km de rayon, centré à l'OMM. La deuxième, appelée la zone 2, correspond à un cerceau compris entre 50 et 25 km de rayon, toujours centré à l'OMM. Cette zone englobe principalement les MRC du Granit et du Haut Saint-François. Finalement, la zone trois correspond exactement à la ville de Sherbrooke, située à 60 km de l'OMM.

Les règlements mis en vigueurs lors de l'instauration de la RICE concernent d'une part l'intensité de la luminosité des lampadaires, qui a été diminuée dans toute la zone 1. D'autre part, le type de lampadaires que l'on retrouve à l'intérieur de cette zone a été modifié. On retrouve sur la quasi-totalité du territoire québécois un modèle standard de lampadaire, appelé Cobrahead, qui est alimenté par des lampes à vapeur de sodium à haute pression et qui possède le désavatage d'émettre plus de 6 % de son flux lumineux au-dessus de l'horizon. La zone 1 de la RICE a donc été équipée d'un modèle plus récent, appelé Helios, qui est lui-aussi alimenté par des lampes à vapeur de sodium à haute pression mais qui émet moins de 1 % de son flux lumineux au-dessous de l'horizon.

5.2  Modélisation de la pollution lumineuse

Ce projet vise à dresser un portrait de la situation lumineuse nocturne de la région entourant l'observatoire du mont Mégantic afin d'empêcher l'augmentation et même de réduire la pollution lumineuse observée à cet endroit. Pour ce faire, nous voulons produire des cartes de sensibilité et de contribution à la pollution lumineuse observée au zénith à l'observatoire du mont Mégantic. Il est nécessaire d'expliquer ici ce à quoi font allusion les termes «contribution» et «sensibilité». En fait, la carte de contribution montre, selon une échelle d'importance relative, comment chaque km2 de terrain contribue à la pollution lumineusede détectée à l'observatoire, tandis que la carte de sensibilité illustre l'impact d'un lampadaire type à un emplacement donné. Les cartes de contribution et de sensibilité seront produites pour l'été et l'hiver, et ce, pour les années 2005 et 2009 afin d'évaluer l'impact de l'instauration, en 2007, de la RICE. Nous avons choisi l'année 2009 car c'est celle qui correspond à la prise de données la plus récente, et donc qui nous offre le portrait le plus actuel de la situation lumineuse. Quand à l'année 2005, elle correspond à une période suffisamment éloignée de l'instauration de la RICE pour qu'il soit possible de présumer qu'aucun changement d'éclairage n'a encore été effectué à ce moment. De surcroît, le traitement des données de 2005 nous permettra de vérifier les résultats mis de l'avant sur le site de l'Observatoire à propos des proportions de contribution à la pollution lumineuse de différents endroits avant l'implantation de la Réserve, soit 50% pour les municipalités se retrouvant dans la zone 1, 25% pour la ville de Sherbrooke et 25% pour d'autres sources.

Finalement, en important les cartes obtenues dans Google Earth, nous pourrons associer ces observations à des régions spécifiques du Québec afin de connaître les endroits les plus problématiques pour l'Observatoire du mont Mégantic en matière de pollution lumineuse. Ces zones critiques, ciblées lors de l'analyse des cartes de contribution, pourront ensuite être classées par ordre d'importance afin d'avoir une idée des endroits où une intervention diminuerait stratégiquement l'impact de la pollution lumineuse sur l'OMM. L'analyse des cartes de sensibilité, quant à elle, permettra de contrôler de façon efficace l'ajout de nouveaux lampadaires ou le retrait de sources nuisibles aux environs de l'Observatoire, en fonction de la sensibilité d'un emplacement donné. Ces cartes représentant la situation lumineuse pourront finalement être diffusées sur le web dans le but de renseigner la population et plus spécifiquement de transférer l'information aux employés de l'ASTROLab, dans le cadre d'une rencontre.

6.  Méthodologie

6.1  Données d'entrée

Remarque : La première figure du rapport s'appelle figure 6.

Afin de produire des cartes de sensibilité et de contribution à la pollution lumineuse pour la région de l'observatoire du mont Mégantic, il est d'abord nécessaire de recueillir et de vérifier l'exactitude de certains intrants. Plusieurs d'entre eux, soient l'élévation du sol, la luminosité en général émise vers le haut de nuit et la réflectance du sol dans les longueurs d'onde du spectre électromagnétique visible, proviennent de données satellites. Nous nous servons notamment de données SRTM (pour Shuttle Radar Topography Mission), de données satellites météorologiques du Ministère de la défense des États-Unis, produites par le DMSP-OLS (DMSP, pour Defense Meteorological Satellite Program, et OLS, pour Operational Linescan System), et d'images fournies par le sattelite MODIS (pour Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer).

Il nous est ensuite utile de connaître la lumière générée par les lampadaires en fonction de l'angle d'émission, ce qui dépend évidemment du type de lampadaire auquel nous avons affaire. Puis interviennent l'humidité relative dans la région du mont Mégantic, l'épaisseur optique, la nature des aérosols, la hauteur typique à la fois des lampadaires et des obstacles (bâtiments et arbres), de même que la distance typique qui les sépare. Finalement, un masque des plans d'eau du Québec doit être généré.

Après quoi, ces intrants doivent être formatés de façon à être utilisables par le modèle ILLUMINA. Celui-ci sert à représenter le plus fidèlement possible le phénomène de pollution lumineuse par rapport à un point d'observation. Nous donnerons ici une définition plus précise des variables de l'environnement énumérées précédemment.

Tout d'abord, l'élévation du sol en tout point du territoire étudié est obtenue grâce aux données SRTM, des fichiers matriciels et vectoriels topographiques mis au point par la NASA et la NGA. Ces fichiers rendent disponibles au public des données altimétriques recueillies au cours d'une mission de onze jours en février 2000, par la navette spatiale Endeavour, utilisant l'interférométrie radar. Ils constituent l'une des bases de données topographiques digitales à haute résolution les plus complètes à ce jour. Avec des résolutions horizontales d'une centaine de mètre et une résolution verticale d'une dizaine de mètres, les cartes utilisées permettent de connaître l'altitude de n'importe quel point, selon sa longitude et sa latitude. Nous utilisons donc les données disponibles pour la région entourant l'OMM.

Figure 6 - Carte d'élévation du sol du Québec

Ensuite, nous devons connaître la luminosité émise de façon globale vers le haut, la nuit. Le DMSP-OLS est un système dirigé par des satellites en orbite polaire de basse altitude, ayant la capacité de détecter les radiations émises la nuit dans le spectre visible. Ainsi, les données fournies par le DMSP-OLS nous permettent de connaître, pour la région entourant l'OMM, la quantité relative totale de lumière détectable dans le ciel nocturne. Cette quantitée est représentée sur une échelle linéaire de sensibilité relative, calibrée de 0 à 63. Comme la résolution de 1 km du DMSP-OLS est la moins précise parmi tous les intrants, l'ensemble de nos données doit être rééchantillonné selon une résolution de 1 km. La résolution de 100 m des données SRTM originales, par exemple, n'est plus utilisée.

Figure 7 - Luminosité émise vers le haut au Québec de nuit

En ce qui concerne la réflectance du sol, soit la proportion de lumière réfléchie par le sol par rapport à la quantité émise dans cette direction, nous utilisons une valeur moyenne pour l'hiver, puis une valeur moyenne pour l'été. En effet, la réflectance du sol est différente selon les saisons, car la neige étant blanche, elle réfléchit beaucoup plus la lumière que le sol d'été. Pour cette variable, le printemps et l'automne sont exclus en raison de la complexité de l'obtention d'une valeur moyenne de la réflectance du sol puisque ce sont des saisons transitoires. Les données sur la réflectance du sol sont extraites d'images fournies par le satellite MODIS. Ce satellite capte des données pour 36 bandes spectrales correspondant à des longueurs d'ondes variant entre 400 et 14 400 nanomètres. En ce qui nous concerne, la lumière émise par les lampadaires est répartie sur trois des bandes du satellite MODIS, soient les bandes 01, 03 et 04.

Figures 8a et 8b - Réflectance du sol du Québec pour l'été et l'hiver, pour la bande 04 du satellite MODIS

De plus, la fonction photométrique des lampadaires, c'est-à-dire la lumière émise en fonction de l'angle, est la même pour tous les lampadaires dans un rayon de 25 km centré à 4 km à l'est de l'OMM, car ils ont tous été remplacés par un modèle (Helios) plus récent qui, rappelons-le, émet moins de 1% de sa luminosité à partir de l'horizon. Dans la région de Sherbrooke (rayon de 8 km centré au pavillon nautique du Lac des nations), on observe un mélange des lampadaires de modèle Helios (6,67%) et de modèle Cobrahead (93,33%) qui eux émettent plus de 6% de leur luminosité à partir de l'horizon. Pour ce qui est des régions complémentaires (rayon de 130 km centré à l'OMM), seul les lampadaires de modèle Cobrahead sont pris en compte.

Figure 9 - Modèle Cobrahead

Figure 10 - Modèle Helios

Par la suite, l'humidité relative est fragmentée en trois différentes valeurs afin de tenir compte de la différence notable de pollution lumineuse entre ces valeurs, qui sont 50%, 70% et 80%. L'humidité relative de 50% est la valeur moyenne minimale saisonnière, celle de 70% est la moyenne et celle de 80% est la valeur moyenne maximale prise en compte par le modèle. Ces valeurs ont été choisies en considérant le fait que la variation de la taille des aérosols et de leur indice de réfraction est très faible entre 0% et 50% d'humidité et qu'à plus de 80% d'humidité, la couverture nuageuse est assez importante pour empêcher une observation efficace de la pollution lumineuse.

Également, en ce qui concerne l'épaisseur optique, c'est-à-dire la fraction de rayonnement lumineux absorbé ou diffusé par les composants de la couche atmosphérique, nous utilisons les valeurs suivantes: 0,05 qui représente la valeur normale minimale (ciel clair), 0,10 qui représente la moyenne de l'épaisseur optique du visible au Québec et 0,20 qui représente la valeur normale maximale (ciel pollué).

De surcroît, la nature (composition chimique et distribution de taille) des aérosols dépend du secteur étudié (rural, urbain ou maritime). Le secteur rural est celui qui caractérise le mieux la région de l'observatoire du mont Mégantic, c'est donc celui qui est utilisé.

En poursuivant, à l'aide de Google Street View, nous estimons la hauteur moyenne des lampadaires aux alentours de l'OMM. Étant donné que les villes de Sherbrooke et de Lac-Mégantic utilisent des lampadaires semblables, nous mesurons la hauteur d'un lampadaire situé sur la rue du Cégep à Sherbrooke. Puisqu'il y a une seule rue à Lac-Mégantic sur laquelle il y a des lampadaires d'une hauteur différente, nous négligeons ce détail et nous concluons que la hauteur moyenne des lampadaires est de 9 mètres.

Figure 11 - Lampadaire sur Google Street View

Puis, nous utilisons les données disponibles sur les sites web de compagnies immobilières pour estimer la hauteur moyenne des obstacles, c'est-à-dire celle des bâtiments avoisinants la région de l'OMM. Pour ce faire, nous considérons un échantillon de bâtiments de deux étages, situés soit dans la région de Sherbrooke, soit dans la région de Lac-Mégantic, ce qui nous permet d'estimer la hauteur moyenne des obstacles à 9,2 mètres. Pour ce qui est de la distance typique séparant les lampadaires des obstacles, nous utilisons les images satellites disponibles sur Google Map : l'échelle indiquée sur les images nous permet d'avoir une idée de la distance moyenne à laquelle les façades des bâtiments se trouvent, par rapport au centre de la rue. Nous utilisons cette fois une image de la rue Wolfe, à Lac-Mégantic ; la distance entre les maisons et le milieu de la rue est évaluée à 13 mètres.

Finalement, il est nécessaire d'obtenir un masque qui servira à cacher les plans d'eau sur les fichiers de luminosité. En effet, les images satellites présentent une intensité lumineuse trop élevée aux endroits où se trouvent des plans d'eau. L'eau étant une surface peu réfléchissante, ce phénomène ne devrait pas être observé. Étant donné qu'une grande partie du fleuve Saint-Laurent est situé à la plus basse altitude du Québec, il est possible de l'isoler en utilisant l'élévation du sol comme critère. Pour ce qui est des plans d'eau à altitude plus élevée, ils sont repérés à l'aide d'un seuil maximal de réflectance donné par un fichier de réflectance qui est comparé avec une carte des plans d'eau du Québec. Les derniers ajustement sont effectués manuellement d'après l'expertise géographique du chercheur Martin Aubé.

Figure 12 - Masque des plans d'eau du Québec

Le programme ols2lum permet de faire la synthèse de quelque-uns des intrants définis précédemment (la luminosité émise vers le ciel selon le programme DMSP-OLS, la réflectance du sol et les caractéristiques des régions selon la fonction photométrique des lampadaires). L'objectif est en effet de connaître la quantité de lumière émise vers le haut par un lampadaire donné, alors que jusqu'à maintenant, tout ce dont nous disposons est la quantité relative de lumière détectée depuis le ciel. Or, cette quantité, détectée par le DMSP-OLS, tient compte la lumière émise vers le sol puis réfléchie vers le ciel, lumière qui s'avère en réalité innofensive, et qui doit donc être exclue de la modélisation de la pollution lumineuse. Cela revient à considérer la luminosité relative détectée par le DMSP-OLS comme étant fonction de la quantité de lumière émise par les lampadaires, de la réflectance du sol et de la fonction photométrique des lampadaires. On peut représenter cette relation par l'expression suivante:

LOLS est la luminosité relative détectée par le DMSP-OLS

est la luminosité émise par les lampadaires
est la réflectance du sol

LOP(z) est la fonction photométrique des lampadaires donnant la luminosité émise pour chaque angle z d'élévation, et
Fup est la fraction de lumière émise vers le haut, obtenue en intégrant LOP(z) de z=0 à z=\pi/2

Puis, la luminosité émise par les lampadaires peut être isolée comme suit (nous avons ici considéré un angle d'élévation de z=0):

Où R \lambda   est une constante de calibration pour la longueur d'onde de la lumière du lampadaire

Le programme ols2lum tient également compte du masque d'eau. Pour chaque point identifié par le masque comme faisant partie d'un plan d'eau, ols2lum considère que la luminosité émise est nulle.

C'est donc à partir de l'équation 3 que ols2lum calcule la luminosité émise par les lampadaires. Une fois ce calcul effectué, nous nous retrouvons avec des fichiers qui s'apparentent à des cartes montrant la luminosité émise par les lampadaires en tout point du territoire. Nous obtenons une carte pour chaque longueur d'onde, et ce pour chaque zone définie préalablement. Ces fichiers deviendront par la suite les intrants du modèle ILLUMINA.

Il faut maintenant créer un programme qui permet, par la suite, d'exécuter le modèle ILLUMINA sur la grappe linux. En fait, pour chaque paramètre qui varie dans l'expérience (saison, longueur d'onde, humidité et positions verticale et horizontale d'observation), le modèle nous fournit des informations sous forme de deux cartes. L'une de celles-ci, soit celle de la contribution lumineuse, nous informe sur la contribution lumineuse de chaque km² du territoire étudié. Ainsi, il sera par exemple possible de connaître la contribution d'une zone en particulier sur la pollution lumineuse détectée au zénith à l'Observatoire du mont Mégantic. L'autre, soit celle de la sensibilité à la pollution lumineuse, nous permet de dresser le portrait de l'impact d'un lampadaire typique (source étalon) sur la pollution lumineuse mesurée à l'OMM, et ce, pour chaque km² entourant l'Observatoire. Par exemple, nous serons en mesure de savoir qu'enlever un lampadaire situé au Lac-Mégantic serait davantage efficace afin de diminuer la pollution lumineuse que dans enlever un indentique, mais situé à La Patrie. Dans notre cas, nous produirons un total de huit cartes, c'est-à-dire quatre de contribution lumineuse et quatre de sensibilité présentant chacune les résultats en fonction de deux saisons, soit l'été et l'hiver, et en fonction de deux années, soit 2005 et 2009.

En effet, il est pertinent de produire des cartes illustrant séparément les conditions de pollution lumineuse pour l'été et pour l'hiver, car la présence de neige en hiver engendre une grande différence. À cet égard, la neige, en raison de sa blancheur, réfléchit fortement la lumière vers le haut. Par conséquent, les sources de lumière à proximité de l'Observatoire du mont Mégantic contribuent davantage à la pollution lumineuse perçue à cet endroit en hiver qu'en été, puisque dans ce cas, ces dernières génèrent davantage de lumière vers le haut et donc, en raison de leur proximité, directement vers l'Observatoire. À l'inverse, les sources lumineuses éloignées contribuent moins durant la saison froide, étant donné qu'une plus grande émission de lumière vers le haut par réflexion diminue celle émise davantage vers l'horizontale, ce qui fait en sorte que la quantité de rayons lumineux détectés à l'Observatoire en provenance de ces dernières diminue.

6.2  Matériel et instrumentation

Pour permettre la réalisation de ce projet, nous utiliserons les outils suivants:

  • Modèle de la pollution lumineuse illumina.in
  • Ordinateur (Galileo, Mammouth série II au besoin)
  • Spectromètre à pollution lumineuse SAND-3 pour calibrer le modèle illumina.in
  • Données d'entrée
  1. Élévation du sol (srtm)
  2. Luminosité émise vers le haut, la nuit (dmsp-ols)
  3. Réflectance du sol dans le visible (modis)
  4. Fonction photométrique des lampadaires (lumière en fonction de l'angle)
  5. Hauteur typique des lampadaires (9 m)
  6. Hauteur typique des obstacles (bâtiments et arbres) (9,2 m)
  7. Distance typique entre les lampadaires et les obstacles (13 m)
  8. Configuration des plans d'eau

6.3  Expérimentation

Les étapes à effectuer au cours de ce projet étant très techniques, elles sont expliquées en détail dans un document qui est disponible en annexe sous le nom de Guide illumina. Elles ne sont pas énumérées ici dans le but d'alléger le présent rapport. Nous nous contentons de présenter brièvement l'allure de l'expérimentation.

1 - Formater les intrants fournis par Jean-Denis Giguère afin qu'ils soient utilisables par le programme ols2lum.

2 - Récolter les autres intrants à l'aide de Google Map, de sites météorologiques et de sites immobiliers, tel que décrit dans la méthodologie pour chaque intrant.

3 - Exécuter le programme ols2lum pour créer les fichiers de luminosité des lampadaires.

4 - Créer le fichier de création des expériences d'exécution makeBATCH.

5 - Exécuter le programme illumina en lançant TortureMammouth.

7.  Analyse des résultats

Tel que prévu, le modèle ILLUMINA nous a permis d'obtenir une carte de contribution et une carte de sensibilité à la pollution lumineuse pour chaque saison, soit l'été et l'hiver, et chaque année analysée, soit 2005 et 2009, pour un total de huit cartes. Il est important de spécifier que les zones auxquelles font référence les tableaux suivants correspondent à celles de la Réserve Internationale de Ciel Étoilé.

Notons qu'une erreur du modèle a généré une tache sur pratiquement toutes les cartes au niveau du stationnement de l'OMM. En fait, le modèle a pris en compte la présence de lampadaires à vapeur de sodium à haute pression partout sur le territoire alors que les lampadaires du stationnement sont à vapeur de sodium à basse pression, et dont l'impact sur la pollution lumineuse est considérablement inférieur (voir la section 5.6, Améliorations possibles, pour plus de détails). En réalité, l'impact du stationnement a été surestimé. Par contre, la présence de fermes à proximité pourrait également être à l'origine de cette tache.

7.1  Contribution à la pollution lumineuse

D'abord, rappelons qu'une carte de contribution à la pollution lumineuse montre, en pourcentage, comment chaque km2 de terrain contribue à la pollution lumineuse observée à l'OMM au zénith.

Été

Figure 13 - Carte de contribution lumineuse pour l'été 2005Figure 14 - Carte de contribution lumineuse pour l'été 2009

Si l’on compare les figures 13 et 14, on observe que la contribution s’est étalée au-delà de la zone 1 et est maintenant concentrée à la frontière de la zone 2, et ce, depuis l'instauration de la RICE.

Tableau 1 - Pourcentage de contribution lumineuse vers le haut l'été

RégionsÉté 2005Été 2009
Zone 142,03%1,81 %
Zone 222,09%36,5%
Sherbrooke2,18%3,49%
Tache du stationnement7,26%0,36%
Stationnement1,11%0,048%
Montréal0,072%0,116 %

Le tableau 1 présente les pourcentages cumulés des différentes zones. Pour ce qui est de la zone 1, il y a eu une baisse évidente de la contribution, qui s’explique par le remplacement des lampadaires de type Cobrahead par des lampadaires de type Helios, ainsi que par la baisse d’intensité de la lumière émise par ceux-ci. La diminution importante de la contribution de la zone 1 a entraîné une augmentation de la contribution au niveau de la zone 2 et de la ville de Sherbrooke. En ce qui concerne le stationnement et ses environs, la diminution est probablement causée par le remplacement des sentinelles (lampadaires de ferme) par des modèles pointant vers le bas, de même que par l’élimination des lampadaires sur la route menant à l’OMM. Il est également possible de constater que Montréal ne fait pas partie des zones critiques de contribution à la pollution lumineuse observé au zénith à l’OMM. Comme pour Sherbrooke et la zone 2, il y a eu une légère augmentation de sa contribution. Il est toutefois important de mentionner que si nous avions mesuré la pollution lumineuse détectée au sommet du mont Mégantic selon un angle plus bas qu'au zénith, la contribution de villes comme Sherbrooke et Montréal serait sans doute plus élevée.

Tableau 2 - Radiance relative totale l'été

20052009Variation
10,63-37%

Le tableau 2 présente les valeurs de radiance relative détectée à l’OMM au zénith, pour l'été 2005 et l'été 2009. Cette valeur correspond au total de la contribution de chaque zone. Cette valeur est passée de 1 à 0,63, ce qui représente une diminution de 37%. En fait, on peut affirmer que la pollution lumineuse vers le haut observé à l’Observatoire du mont Mégantic a chuté de 37%.

Tableau 3 - Variation de la contribution lumineuse à la radiance l'été pour différentes zones

RégionsZone 1Zone 2SherbrookeTache du stationnementStationnementMontréal
2005100%100%100%100%100%100%
20092,68%102,97%99,77%3,00%2,69%100,004%
Variation-97,32%+2,97%-0,23%-97,00%-97,31%+0,004%

Le tableau 3 montre le pourcentage de la radiance relative de chaque zone analysée afin de vraiment visualiser la variation de la pollution lumineuse entre 2005 et 2009, en attribuant une valeur de 100% à la radiance détectée en 2005.

En combinant les informations de pourcentage de contribution et de radiance relative totale, il est possible de calculer la variation de pollution lumineuse provenant de différentes régions. Le tableau 3 sert à comparer les valeurs de 2005 avec celles de 2009 en considérant les valeurs de 2005 comme étant égale à 100%.

La grande variation observée dans la zone 1 est due au changement de type de lampadaire et à la diminution de leur l’intensité. Selon nous, l’augmentation de contribution en radiance de la zone 2 s’explique par l’agrandissement des villes, donc l’ajout de nouveaux lampadaires. À Sherbrooke, on observe une légère diminution. Il est possible que la substitution de quelques lampadaires Cobrahead pour des modèles Helios ait engendré une diminution de radiance provenant de cet endroit, mais celle-ci a été minimisée en raison de l’ajout de nouveaux lampadaires, comme pour la zone 2. Pour ce qui est du stationnement, les réglementations sont à l’origine de la baisse importante de radiance provenant de cet endroit.

Hiver

Figure 15 - Carte de contribution lumineuse pour l'hiver 2005Figure 16 - Carte de contribution lumineuse pour l'hiver 2009

En comparant les deux cartes de contribution pour l’hiver, soit les figures 15 et 16, il est possible de remarquer que les zones de contribution sont beaucoup plus concentrées à l’OMM en hiver par rapport au scénario observé l'été et illustré aux figures 13 et 14. En effet, entre 2005 et 2009, il est beaucoup plus difficile de distinguer l’implantation du rayon de 25 km de la RICE dans lequel les lampadaires ont été changés pour le modèle Helios, plus récent et émettant moins de 1% de lumière au-dessus de l'horizon. Cette constatation peut être expliquée par la présence de neige, qui est très réfléchissante en raison de sa blancheur. En effet, les sources à proximité de l’Observatoire contribuent davantage à la pollution lumineuse détectée au zénith à cet endroit, car les rayons qui sont réfléchis à la verticale après avoir frappé le sol sont directement dirigés vers l’Observatoire. À l’inverse, les rayons réfléchis à la verticale en provenance des zones lumineuses situés plus loin du sommet du mont Mégantic ne sont pas beaucoup perçus et donc contribuent moins à la pollution lumineuse au zénith.

Tableau 4 - Pourcentage de contribution lumineuse vers le haut l'hiver

RégionsHiver 2005Hiver 2009
Zone 1 (25km)57,86%36,26%
Zone 215,54%22,67%
Sherbrooke (8km)1,44%2,20%
Tache du stationnement (4km)16,70%8,86%
Stationnement (1km)2,75%1,26%
Montréal (14km+6km)0,05%0,07%

Le tableau 4 présente les pourcentages de contribution au zénith des différentes zones. Dans le premier cas, soit la zone 1, il est possible de remarquer une diminution de la contribution, certes importante, mais bien inférieure à celle qui a été observée dans le cas de l’été. Ceci peut être attribué à la présence de neige, qui comme nous l'avons mentionné précédemment, augmente la contribution des sources lumineuses à proximité de l’Observatoire. En fait, malgré cette particularité de la saison froide et l’implantation des lampadaires Helios, qui projettent pratiquement toute la lumière directement vers le sol (à l’inverse des Cobrahead), une diminution de la contribution a tout de même pu être observée dans la zone 1 principalement en raison de la diminution de l’intensité de ces lampadaires. En effet, sans cette diminution d’intensité, il est fort probable qu’une augmentation de la contribution au zénith aurait pu être observée l'hiver étant donné l’angle d’émission à la verticale des lampadaires Helios. Cependant, dans la zone 2, une augmentation de la contribution lumineuse a pu être observée entre 2005 et 2009, ce qui peut être attribué simplement à la diminution de celle observée dans la zone 1 afin de conserver au total un pourcentage de 100%. Pour la même raison, une augmentation peut aussi être détectée dans la ville de Sherbrooke. En ce qui concerne cette fois le stationnement et la tache qui l’englobe, la diminution illustrée dans le tableau 4 peut s’expliquer encore une fois par le remplacement des lampes de fermes par des modèles plus récents. Finalement, en ce qui concerne Montréal une légère augmentation peut être observée pour la même raison que celle qui s’est également produit à Sherbrooke et dans la zone 2.

Tableau 5 - Radiance relative totale l'hiver

20052009Variation
10,65-35%

Le tableau 5 permet d’observer une diminution globale de la radiance relative de 35% entre 2005 et 2009. Par conséquent, cela permet de conclure que la pollution lumineuse a diminué de 35% depuis l’implantation de la Réserve Internationale de Ciel Étoilé.

Tableau 6 - Variation de la contribution lumineuse à la radiance l'hiver pour différentes zones

RégionsZone 1 (25km)Zone 2Sherbrooke (8km)Tache du stationnement (4km)Stationnement (1km)Montréal (14km+6km)
2005100%100%100%100%100%100%
200940,63%94,57%99,05%34,39%29,70%100,69%
Variation-59,37%-5,43%-0,95%-65,61%-70,30%+0,69%

Le tableau 6 montre le pourcentage de la radiance relative de chaque zone analysée en attribuant une valeur de 100% à la radiance détectée en 2005.

En ce qui concerne la zone 1, il est possible de remarquer une variation de -59,37%, ce qui peut principalement être expliqué par la diminution de l’intensité des lampadaires dans cette zone, et non leur remplacement, tel que détaillé précédemment. De plus, une diminution, moins importante, mais tout de même observable, s’est produite dans la zone 2. Ceci s’explique par le remplacement de certains lampadaires par des modèles Helios, et donc une diminution de l’intensité lumineuse à certains endroits dans cette zone. En effet, les limites de la zone 1 que nous avons prises en comptes ne sont pas nécessairement exactes, car en réalité cette zone ne forme pas un cercle parfait. Par conséquent, certains endroits que nous avons catalogués dans la zone 2 ont subi les mesures appliquées à la zone 1. Ensuite, la ville de Sherbrooke a également subi une réduction de la pollution lumineuse entre 2005 et 2009, ce qui peut dans ce cas s’expliquer par le début de l’implantation de lampadaires du type Helios dans certaines partie de la ville. Également, la radiance relative détectée au stationnement de l’ASTROlab et ses environs a été réduite en raison de la réglementation qui s’est appliquée suite à l’implantation de la Réserve Internationale de ciel étoilé aussi à cet endroit, faisant partie de la zone 1. Finalement, une légère augmentation de la pollution lumineuse en provenance de Montréal et détectable au zénith à l’Observatoire du mont Mégantic a pu être observée, mais cette dernière, soit 0,004%, n’est pas assez importante pour en tirer véritablement une conclusion à ce sujet.

7.2  Sensibilité à la pollution lumineuse

Avant de passer à l’analyse des cartes de sensibilité à la pollution lumineuse, rappelons ce à quoi correspondent exactement ces cartes. La sensibilité d’un km2 est en fait le portrait de l’impact des lampadaires qui se trouvent à cet endroit, non pas en terme de leur contribution à la pollution lumineuse détectée à l’OMM, mais plutôt en terme de leur apport individuel à la contribution globale du km2 dans lequel ils se trouvent. Le modèle ILLUMINA effectue un rapport entre la contribution d’une aire donnée et la luminosité provenant de cette aire. Une aire qui contribue fortement à la pollution lumineuse tout en émettant une faible luminosité sera considérée comme étant très sensible, tandis qu’une aire dont la contribution est faible, mais où la luminosité est très forte sera considérée comme étant peu sensible. Évidemment, plus on se trouve à proximité de l’Observatoire, plus on risque d’avoir affaire à une zone sensible. Pour expliquer les choses de façon simple, si on veut faire diminuer la pollution lumineuse et qu'on a à choisir entre deux lampadaires identiques éclairant selon la même intensité, les cartes de sensibilité nous indiqueront lequel il serait le plus pertinent de retirer. Les zones les plus sensibles apparaîtront dans des teintes allant du rouge au jaune, comme l’indique l’échelle sur les cartes. Cela permettra d’identifier les municipalités auprès desquelles il serait le plus urgent d’agir, dans le but de mener une intervention efficace.

Été

Figure 17 - Carte de sensibilité à la pollution lumineuse pour l'été 2005Figure 18 - Carte de sensibilité à la pollution lumineuse pour l'été 2009

Pour la saison d’été, les cartes de sensibilité à la pollution lumineuse (figures 17 et 18) affichent clairement une différence entre l’année 2005 et l’année 2009. On distingue sur la carte de 2005 que les zones les plus sensibles se trouvent immédiatement autour de l’Observatoire, résultat auquel on pouvait s’attendre. Il semble que la ville de La Patrie ainsi que la zone à proximité du stationnement de l’ASTROLab soient les plus critiques. Au-delà de la zone 1, l’impact des lampadaires semble être négligeable. En 2009, le scénario est complètement différent. La conversion du type de lampadaires et la diminution de leur intensité semble avoir été des mesures suffisamment efficaces pour que malgré sa proximité avec l’OMM, la zone 1 n’ait plus un impact important. On distingue clairement la ceinture correspondant à la frontière de la zone 2, où sont situés les lampadaires de type Cobrahead les plus près du mont Mégantic. Il est même possible d’identifier les municipalités de St-Cécile de Whitton, Stornoway, Gould, Bury et Island Brook, comme étant particulièrement exposées à nuire à la situation lumineuse de la région. Également, la répartition des zones sensibles s’est répandue suite à l’instauration de la RICE, puisque les zones colorées occupent une aire plus grande en 2009 qu’en 2005. Il semble qu’un phénomène semblable à celui que l’on peut observer sur les cartes de contribution se soit produit dans le cas des cartes de sensibilité, et que les zones sensibles aient cessé d’être localisées sur un territoire restreint.

Hiver

[[Figure 19 - Carte de sensibilité à la pollution lumineuse pour l'hiver 2005Figure 20 - Carte de sensibilité à la pollution lumineuse pour l'hiver 2009

Les figures 19 et 20 montrent les cartes de sensibilité à la pollution lumineuse pour la saison d'hiver. Comme on a pu l'observer sur les cartes de contribution, les zones critiques semblent beaucoup plus rapprochées de l'OMM en hiver, par rapport à ce à quoi on assiste en été. La différence entre l'année 2005 et l'année 2009 est aussi beaucoup moins marquée. Il est impossible de repérer le cercle de 25 km de rayon correspondant à la zone 1, lorsque celle-ci a été soumise à la réglementation. Encore une fois, cette situation peut être attribuable à la présence de la neige, qui d'une part semble diminuer l'impact de la conversion des lampadaires puisqu'elle réfléchit de façon identique la lumière provenant des modèles Helios et Cobrahead. D'autre part, la neige réfléchit principalement vers le haut la lumière qu'elle reçoit, ce qui explique que la pollution lumineuse détectée au zénith à l'Observatoire proviennent des sources rapprochées et non des sources éloignées, dont les réflexions vont se perdre dans l'espace, directement au-dessus de leur site de provenance. Face à ces résultats, force est de constater que les cartes de la saison d'été s'avèrent beaucoup plus révélatrices que celles de l'hiver, lorsqu'il s'agit d'illustrer les effets de l'instauration de la RICE, puisque la présence de la neige semble uniformiser les caractéristiques des différentes zones.

8.  Conclusion

Rappelons d'abord l'objectif principal du présent projet de recherche, qui était de modéliser la pollution lumineuse pour la région entourant l'Observatoire du mont Mégantic. Le modèle ILLUMINA nous a ainsi permis de dresser un portrait de la situation lumineuse actuelle pour le territoire ciblé, de cibler les zones critiques en matière de sensibilité et de contribution à la pollution lumineuse, et de mesurer concrètement l'impact de l'instauration de la RICE. Il nous a été possible de mettre en évidence les interventions qu’il serait profitable d'effectuer afin de minimiser la pollution lumineuse détectée au zénith à l'OMM. Parmi celles qui ont été relevées dans ce rapport, les plus importantes à considérer demeurent la diminution de l’intensité des lampadaires dans les deux zones de même que l'application des règlements en vigueur dans la zone 1, à la superficie totale de la zone 2. Pour mener à bien ce dernier objectif, il faudrait éventuellement remplacer les lampadaires Cobrahead par le modèle Hélios, plus récent et moins sensible en matière de pollution lumineuse.

Pour la suite de ce projet, nous envisageons de modéliser la situation lumineuse de façon à visualiser l’impact de l’élargissement de la zone 1 de la RICE d’un rayon de 25 km à un rayon de 50 km, de manière à englober entièrement la zone 2. Cela permettra d'avoir en main des cartes semblables à celles qui ont été analysées précédemment, mais illustrant un scénario hypothétique qui pourrait éventuellement être appliqué de façon concrète à la RICE. Également, nous souhaitons inclure dans notre modèle l’analyse de la pollution lumineuse détectée à un angle de 45 degrés à l'OMM, et ce pour 2005, pour 2009 et pour la situation hypothétique décrite plus haut, dans l’optique d’avoir un meilleur aperçu de la réalité. Comme les cartes de contribution à la pollution lumineuse de 2005 et de 2009 illustrent la distribution des zones critiques par rapport à une contribution totale de 100%, il est possible de visualiser la variation de l'emplacement de ces zones en comparant les deux années, mais il est difficile d'avoir un aperçu de la variation absolue de la quantité de pollution lumineuse. C'est pourquoi il serait pertinent de produire des cartes de radiance relative permettant de visualiser directement la variation de la pollution lumineuse entre les situations analysées.

Les résultats de cette recherche offrent une vision positive de l'impact de l'instauration de la RICE et s'avèrent prometteurs pour la communauté scientifique impliquée, de près ou de loin, dans la lutte à la pollution lumineuse. D'une part, il est encourageant de savoir que la pollution lumineuse, souvent considérée comme très difficile à mesurer, peut désormais faire l'objet d'une analyse exacte et précise. D'autre part, il est clair que les solutions au problème de la présence anormale de lumière nocturne, solutions qui ont été évoquées précédemment, donnent des résultats directs et concrets. Dans le cas de la RICE, l'impact des nouvelles règlementations a même été supérieur à ce qui avait été escompté. Les cartes produites par le modèle ILLUMINA ont aussi l'avantage d'être accesibles et significatives, ce qui fait d'elles un outil d'une valeur inestimable lorsqu'il s'agit de sensibiliser le public à la situation lumineuse. C'est donc sur une note d'espoir que nous concluons notre projet, même si cette conclusion n'en est pas véritablement une, car nous espérons que nos travaux seront poursuivis par d'autres étudiants.

9.  Références

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