CINOC - Dispositif de mesure de la Luminance du Ciel Nocturne par Imagerie

CINOC Dispositif de mesure de la luminance du CIel NOCturne par imagerie 8 / 22 1 MATERIEL ET METHODES L’impact négatif de la lumière artificielle nocturne a été étudié pour la première fois dans les années 1970 dans le domaine des observations astronomiques [26], ce qui a suscité un intérêt pour la luminosité du ciel nocturne. Cette dernière peut être mesurée par des instruments tels que l’indicateur de qualité du ciel (SQM) et demeure une grandeur privilégiée pour évaluer les problèmes de pollution lumineuse Un SQM est un appareil de mesure à capteur unique qui fournit une valeur ponctuelle limitée dans l’espace, intégrant la lumière d’une portion du ciel. La valeur produite est une magnitude par seconde d’arc carrée (mag/arcsec²). Cette valeur correspond à la luminosité du ciel nocturne dans un carré de côté d’une seconde d’arc et peut être convertie en luminance, une grandeur à laquelle l’œil est sensible, exprimée en candelas par mètre carré (cd/m²). Pour obtenir des données spatialement résolues, il serait préférable d’utiliser des capteurs matriciels, tels que des appareils photo ou des caméras vidéo. Leur sensibilité moindre peut être compensée par de longs temps d’exposition et une gestion appropriée du bruit. Le principal inconvénient de ces appareils réside dans leur coût, environ 1 000 € pour un reflex numérique correct. Pour obtenir une image complète du ciel, des objectifs grand angle sont nécessaires (appelés objectifs fisheye, offrant un champ de vision de 180° ; compter environ 300 € supplémentaires). Leur taille doit également être prise en compte pour évaluer l'encombrement du produit fini, qui doit être étanche puisqu'il sera exposé aux intempéries. Leur consommation énergétique pose aussi problème si l'on souhaite un appareil de mesure autonome en énergie (alimenté par un panneau solaire, par exemple). De plus, il ne s'agit là que des aspects matériels, sans compter le coût de conversion d'un tel appareil en un système de mesure de luminance, qui requiert un étalonnage radiométrique ou photométrique en laboratoire. En conséquence, un appareil complet prêt à mesurer la pollution lumineuse peut facilement coûter plus de 10 000 € sur le marché. C'est pour toutes ces raisons que l'utilisation du SQM reste prédominante, malgré des limitations clairement identifiées : mesures sporadiques, incertitudes. La démocratisation récente des capteurs de téléphones portables offre une nouvelle opportunité de surveiller la qualité du ciel nocturne et la pollution lumineuse. Ces capteurs sont très abordables (moins de 100 €). Ils sont capables d'enregistrer des images au format brut, non modifié, qui peuvent être calibrées pour obtenir des mesures de luminance du ciel à l'échelle physique. Nos expériences ont montré que ces capteurs commerciaux peuvent facilement atteindre une incertitude de mesure inférieure à 10 % (soit 0,1 mag/arcsec²), après un étalonnage approprié. Cette opération est néanmoins l'étape la plus critique pour transformer un capteur d’images en système de mesures photométriques. Elle comprend au moins quatre étapes de traitement des données : la gestion du bruit intrinsèque du capteur, la correction du vignettage de l'objectif (champ plat), la détermination de la sensibilité spectrale du capteur et l'établissement de la fonction de conversion des images en valeurs de luminance. Pour évaluer la pollution lumineuse, il est nécessaire de pouvoir mesurer de très faibles luminances. La littérature utilise différentes unités physiques : le cd/m² en photométrie et le mag/arcsec² en astronomie. Ces grandeurs sont équivalentes en termes de dimensions, mais se rapportent à des instruments de mesure ayant des sensibilités spectrales différentes. Ainsi, pour convertir des cd/m² en mag/arcsec², une équation fréquemment utilisée est employée, mais il convient de rappeler que les coefficients dépendent du spectre mesuré [27] : ℎ = 108000 ∗ 10 (−0.4 ) (1) Avec en cd/m² et en mag/arcsec². Pour appréhender les ordres de grandeur en jeu, on peut se référer aux échelles utilisées en France [28] pour évaluer la qualité astronomique du ciel nocturne selon un indicateur produit par l’Observatoire national de la biodiversité (ONB) basé sur l’échelle de Bortle [29] (Tableau 1).