Interactions avec l'atmosphère

Avant que le rayonnement utilisé pour la télédétection n'atteigne la surface de la Terre, celui-ci doit traverser une certaine épaisseur d'atmosphère. Les particules et les gaz dans l'atmosphère peuvent dévier ou bloquer le rayonnement incident. Ces effets sont causés par les mécanismes de diffusion et d'absorption.

La diffusion se produit lors de l'interaction entre le rayonnement incident et les particules ou les grosses molécules de gaz présentes dans l'atmosphère. Les particules dévient le rayonnement de sa trajectoire initiale. Le niveau de diffusion dépend de plusieurs facteurs comme la longueur d'onde, la densité de particules et de molécules, et l'épaisseur de l'atmosphère que le rayonnement doit franchir. Il existe trois types de diffusion :

• la diffusion de Rayleigh
• la diffusion de Mie
• la diffusion non-sélective.

La diffusion de Rayleigh se produit lorsque la taille des particules est inférieure à la longueur d'onde du rayonnement. Celles-ci peuvent être soit des particules de poussière ou des molécules d'azote ou d'oxygène. La diffusion de Rayleigh disperse et dévie de façon plus importante les courtes longueurs d'onde que les grandes longueurs d'onde. Cette forme de diffusion est prédominante dans les couches supérieures de l'atmosphère. Ce phénomène explique pourquoi nous percevons un ciel bleu durant la journée. Comme la lumière du Soleil traverse l'atmosphère, les courtes longueurs d'onde (correspondant au bleu) du spectre visible sont dispersées et déviées de façon plus importante que les grandes longueurs d'onde. Au coucher et au lever du Soleil, le rayonnement doit parcourir une plus grande distance à travers l'atmosphère qu'au milieu de la journée. La diffusion des courtes longueurs d'onde est plus importante. Ce phénomène permet à une plus grande proportion de grandes longueurs d'onde de pénétrer l'atmosphère.

On parle de diffusion de Mie lorsque les particules sont presque aussi grandes que la longueur d'onde du rayonnement. Ce type de diffusion est souvent produite par la poussière, le pollen, la fumée et l'eau. Ce genre de diffusion affecte les plus grandes longueurs d'onde et se produit surtout dans les couches inférieures de l'atmosphère où les grosses particules sont plus abondantes. Ce processus domine quand le ciel est ennuagé.

Le troisième type de diffusion est celui de la diffusion non-sélective. Ce genre de diffusion se produit lorsque les particules (les gouttes d'eau et les grosses particules de poussière) sont beaucoup plus grosses que la longueur d'onde du rayonnement. Nous appelons ce genre de diffusion "non-sélective", car toutes les longueurs d'onde sont dispersées. Les gouttes d'eau de l'atmosphère dispersent le bleu, le vert, et le rouge de façon presque égale, ce qui produit un rayonnement blanc (lumière bleue + verte + rouge = lumière blanche). C'est pourquoi le brouillard et les nuages nous paraissent blancs.

Un autre phénomène entre en jeu lorsque le rayonnement électromagnétique interagit avec l'atmosphère : c'est l'absorption. L'absorption survient lorsque les grosses molécules de l'atmosphère (ozone, bioxyde de carbone et vapeur d'eau) absorbent l'énergie de diverses longueurs d'onde.

L'ozone absorbe les rayons ultraviolets qui sont néfastes aux êtres vivants. Sans cette couche de protection dans l'atmosphère, notre peau brûlerait lorsqu'elle est exposée au Soleil.

Vous avez peut-être entendu dire que le bioxyde de carbone est un gaz qui contribue à l'effet de serre. Ce gaz absorbe beaucoup de rayonnement dans la portion infrarouge thermique du spectre et emprisonne la chaleur dans l'atmosphère.

La vapeur d'eau dans l'atmosphère absorbe une bonne partie du rayonnement infrarouge de grandes longueurs d'onde et des hyperfréquences de petites longueurs d'onde qui entrent dans l'atmosphère (entre 22µm et 1 m). La présence d'eau dans la partie inférieure de l'atmosphère varie grandement d'un endroit à l'autre et d'un moment à l'autre de l'année. Par exemple, une masse d'air au-dessus d'un désert contient très peu de vapeur d'eau pouvant absorber de l'énergie, tandis qu'une masse d'air au-dessus des tropiques contient une forte concentration de vapeur d'eau.

Parce que ces gaz et ces particules absorbent l'énergie électromagnétique dans des régions spécifiques du spectre, ils influencent le choix de longueurs d'onde utilisées en télédétection. Les régions du spectre qui ne sont pas influencées de façon importante par l'absorption atmosphérique, et qui sont donc utiles pour la télédétection, sont appelées les fenêtres atmosphériques. En comparant les caractéristiques des deux sources d'énergie les plus communes (le Soleil et la Terre) avec les fenêtres atmosphériques disponibles, nous pouvons identifier les longueurs d'onde les plus utiles pour la télédétection. La portion visible du spectre correspond à une fenêtre et au niveau maximal d'énergie solaire. Notez aussi que l'énergie thermique émise par la Terre correspond à une fenêtre située à près de 10 mm dans la partie de l'infrarouge thermique du spectre. Dans la partie des hyperfréquences, il existe une grande fenêtre qui correspond aux longueurs d'onde de plus de 1 mm.

Maintenant que nous comprenons comment l'énergie électromagnétique se rend de sa source à la surface de la Terre (et nous pouvons constater que c'est un voyage difficile), nous allons examiner ce qu'il advient du rayonnement une fois qu'il atteint la surface.

Le saviez-vous?

« ...Désolés, pas de trésor au bout de cet arc-en-ciel... »

Chaque gouttelette d'eau agit comme un petit prisme. Quand la lumière du Soleil traverse les gouttelettes, les ondes composantes sont déviées différemment selon leurs longueurs respectives. Les couleurs individuelles de la lumière du Soleil sont alors visibles, ce qui produit un arc-en-ciel. Les petites longueurs d'onde (violet, bleu) se situent vers l'intérieur de l'arc-en-ciel, et les grandes vers l'extérieur (orange, rouge).

... Sans la diffusion du rayonnement dans l'atmosphère, les ombrages paraîtraient noirs au lieu de gris. La diffusion donne une certaine luminosité à l'atmosphère, par suite de la dispersion de la lumière du Soleil qui illumine les objets situés dans l'ombre.

Question éclair

1. La plupart des systèmes de télédétection ne captent pas et n'enregistrent pas les longueurs d'onde des parties ultraviolette et bleue du spectre. Pouvez-vous expliquer pourquoi? La réponse est....

2. Identifiez les meilleures conditions atmosphériques pour la télédétection utilisant la partie visible du spectre. La réponse est....

 

 

Question éclair - réponse

1. Il est difficile de capter et d'enregistrer les longueurs d'onde ultraviolette et bleue à cause de l'absorption et de la diffusion dans l'atmosphère. Dans les couches supérieures de l'atmosphère, l'ozone absorbe la plus grande partie du rayonnement ultraviolet de moins que 0,25 µm. Heureusement pour nous et pour la plupart des êtres vivants, puisque le rayonnement ultraviolet est dangereux. La diffusion de Rayleigh disperse les petites longueurs d'onde davantage que les ondes plus grandes. Ce type de diffusion implique que les rayonnements UV mesurant plus de 0,25 µm et les petites longueurs d'onde visibles (bleu) soient dispersés de façon beaucoup plus importante que les grandes longueurs d'onde. Seule une très petite partie de cette énergie peut donc atteindre la surface de la Terre et interagir avec elle. La lumière bleue est dispersée 4 fois plus que la lumière rouge, tandis que l'ultraviolet est dispersé 16 fois plus.

 

2. Les meilleures conditions pour la télédétection utilisant les longueurs d'onde visibles seraient lors d'une journée ensoleillée, sans nuage, sans pollution, et près de l'heure de midi. À midi, le Soleil est directement au-dessus de la cible, ce qui réduit la distance que le rayonnement doit franchir et minimise les effets de diffusion. Une journée sans nuage assure aussi une illumination uniforme et élimine les ombrages. Les conditions sèches et sans pollution minimisent la diffusion et l'absorption causées par les gouttelettes d'eau et les autres particules dans l'atmosphère.