Les bases de la télédétection satellitaire dans le visible et l’infrarouge

Définition de la luminance energétique »Introduction

De l’énergie à la luminance énergétique en quatre étapes faciles! Cette section du modêle conceptuel explique ce que le satellite détecte en provenance de la terre à l’aide des différentes unités de rayonnement. En comprenant la maniêre dont on dérive la luminance énergétique à partir de l’énergie brute réfléchie et de celle émise, vous serez à même de faire correspondre les processus atmosphériques aux équations qui les représentent.

Définition de la luminance energétique »Equation de la luminance energétique

L’équation de la luminance énergétique est primordiale à la compréhension du système de détection de données du satellite et comment il traduit ces informations en différents produits de données.

Sur les écrans suivants, chaque terme de l’équation de la luminance énergétique est relié aux processus physiques qui sont présentés.

Définition de la luminance energétique »Equation de Planck et equation de la température de brillance

Les Equations de la luminance énergétique de Planck et de la température de brillance sont données ci-dessous. Les différents termes seront expliqués plus en détails dans la suite cette section.

Définition de la luminance energétique »Energie en joules

La télédétection a pour objectif de mesurer avec précision l’énergie électromagnétique émanant de la Terre et de l’atmosphêre.

Dans le systême MKS, l’énergie est exprimée en Joules.

Notez que l’énergie est émise de la Terre en permanence et dans toutes les directions.

Définition de la luminance energétique »Flux

Le flux est la quantité d’énergie détectée par le satellite par unité de temps.

L’énergie provenant de la Terre est mesurée entre le moment zéro et le moment un. Cet intervalle de temps est représenté par le terme dt dans les deux équations. Par conséquent, le flux est l’énergie détectée par le satellite divisé par le temps et s’exprime en joules par sec ou Watts.

Définition de la luminance energétique »Energie rayonnante

Le flux ou énergie par unité de temps est enregistré par un capteur du satellite aux dimensions fixes.

L’énergie détectée sur cette surface est appelée énergie rayonnante (E). Puisqu’elle fait référence à une surface, l’énergie rayonnante s’exprime en Watts par m² ou en joules par seconde par m².

Définition de la luminance energétique »Energie rayonnante monochromatique

La Terre émet de l’énergie à plusieurs longueurs d’ondes. Le satellite est conçu pour mesurer l’énergie rayonnante dans des intervalles de longueurs d’ondes étroits. A l’intérieur d’un intervalle spécifique, ceci est appelé l’énergie rayonnante monochromatique (ou à bande étroite) (Eλ).

Quelquefois, les scientifiques de l’atmosphère font référence à des nombres d’ondes. Le nombre d’ondes est le nombre de longueurs d’ondes  par centimètre et est représenté par la lettre ν (prononcée nu). Par conséquent, l’équation de l’énergie rayonnante monochromatique peut être exprimée à l’aide de la longueur d’onde ou du nombre d’ondes.

Définition de la luminance energétique »L’angle solide

Le satellite utilise un télescope pour collecter l’énergie dans un certain angle solide, qui est exprimé en steradians. La mesure de l’énergie rayonnante nochromatique dans cet angle solide constitue la luminance énergétique. Par conséquent, les unités utilisées pour la luminance énergétique sont les suivantes: Watts/mêtre carré/longueur d’onde/steradian.

Définition de la luminance energétique »Vue du satellite aux angles zénithaux locaux elevés

Bien que l’angle solide demeure constant pendant le balayage, son empreinte change selon le champ de vue. L’empreinte est plus large lorsque le balayage se trouve sur les bords. La résolution des images diminue lorsque l’empreinte augmente. Une résolution réduite dégrade les images aux angles zénithaux élevés.

Définition de la luminance energétique »Vue d’image au-delà d’un angle zénithal local de 60°

Bien que la résolution soit réduite aux angles zénithaux supérieurs à 60°, des informations utiles peuvent être dérivées des images Meteosat à ces latitudes élevées. Cette animation de 24 heures dans le canal visible montre une grande zone de glace près du Groëland. Notez le déplacement des nuages à travers la zone de glace au début de l’animation.

Définition de la luminance energétique »Equation de Planck pour la luminance energétique

La luminance énergétique en provenance de la Terre et de l’atmosphêre est décrite par la fonction de Planck présentée sur le panneau de gauche. La fonction de Planck est présentée ici en fonction de l’intervalle de longueur d’onde et de la température. Le panneau de droite présente les courbes de l’énergie solaire incidente et du rayonnement émis par la Terre. Les surfaces sous les deux courbes sont égales (Notez l’axe logarithmique x), preuve qu’il existe à l’échelle annuelle un équilibre thermique entre la Terre et le soleil. Les deux courbes sont représentées sur une échelle logarithmique sans laquelle elles ne tiendraient pas sur une page.

Définition de la luminance energétique »Equation de Planck et Température Température de Brillance

L’équation de Planck exprime la luminance énergétique en fonction de la longueur d’onde et de la température. Les météorologues s’intéressent très souvent à la température de brillance associée à une mesure donnée de la luminance énergétique. L’équation sur la gauche est une inversion de l’équation de Planck exprimant la température de brillance en fonction de la luminance énergétique de Planck et de la longueur d’onde.

Définition de la luminance energétique »La Fonction de Planck, longueur d’onde et température

A une longueur d’onde donnée, la luminance énergétique d’un corps ne dépend que de sa température. Les lignes (notez les flèches) montrent les maxima de Planck à différentes températures. Le maximum de la courbe de Planck se déplace vers des longueurs d’ondes plus courtes lorsque la température de la surface émettrice augmente (connu sous le nom de Loi de Wien).

Définition de la luminance energétique »La Fonction de Planck, longueur d’onde et température

De même, lorsque la longueur d’onde diminue, la luminance énergétique augmente plus rapidement avec la température. A titre d’illustration, examinons la variation de la luminance énergétique à 6 et 14 µm pour des températures de 220 à 240 K et de 280 à 300 K. Les augmentations de la luminance énergétique à ces deux longueurs d’ondes sont représentées sur la droite par des barres. Remarquez que la luminance énergétique a presque augmenté de 400% à 6 µm alors que l’augmentation n’est que de 50% à 14 µm. Cette propriété de la luminance énergétique est fondamentale pour la détection des incendies et autres surfaces chaudes à l’aide du canal infrarouge onde courte, centré sur 3.9 µm. Notez que ce canal est disponible sur les satellites Meteosat Seconde Génération.

Définition de la luminance energétique »Résumé

Résumé:

• Cette partie est consacrée à l’explication de la luminance énergétique et de la Loi de Planck
• Le flux est l’énergie par unité de temps; l’énergie rayonnante est le flux par unité de surface et la luminance énergétique est l’énergie rayonnante par intervalle de longueur d’onde et d’angle solide
• La luminance énergétique n’est fonction que de la longueur d’onde et de la température
• La température de brillance est déterminée par la luminance énergétique et la longueur d’onde
• Lorsque la température augmente, le maximum de la courbe de Planck se déplace vers les longueurs d’ondes plus courtes
• La luminance énergétique augmente plus rapidement avec la température aux plus courtes longueurs d’ondes qu’aux plus longues

Plan conceptuel »Question

Plan conceptuel »Plan conceptuel

Revoir les termes de l’équation de la luminance énergétique, ainsi que la dérivation de la température de brillance. Si vous voulez revoir une des quantités, cliquez sur la case correspondante.