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

Energie Solaire Incidente »Introduction

Quatre-vingt-dix-neuf pour cent de l’énergie solaire incidente proviennent delongueurs d’onde inférieures à quatre µm. L’intensité est maximale à environ 0.5 µm, qui est une longueur d’onde située dans le spectre visible. Ceci implique une température d’environ 6000 K. Aucun phénomêne atmosphérique ne génêre une telle température.

Energie Solaire Incidente »Absorption et diffusion moléculaires

Du fait de la rétrodiffusion vers l’espace et de l’absorption, les gaz atmosphériques et les nuages diminuent la quantité d’énergie solaire atteignant la surface terrestre d’environ 50%. Certains des gaz atmosphériques les plus courant sont représentés sur la gauche. La diffusion moléculaire par exemple produit la couleur bleue du ciel, et l’absorption et la réémission du rayonnement par l’ozone dans la haute atmosphêre est responsable du réchauffement de la stratosphêre.

Energie Solaire Incidente »Energie solaire réfléchie

Une certaine quantité de l’énergie solaire est absorbée par la surface terrestre, les nuages, les aérosols et les gaz. Une portion importante est aussi réfléchie ou rétrodiffusée vers l’espace.

Energie Solaire Incidente »Diffusion solaire en début de journée

La diffusion dans différentes directions est contrôlée par la géométrie soleil-cible et les propriétés physiques des particules diffusantes. Cet exemple montre la diffusion par les aérosols. Etant donné la position relative du soleil et du satellite dans ce diagramme, seule une petite quantité de l’énergie visible est diffusée vers le satellite. Par conséquent les aérosols ne sont pas facilement détectés par le capteur du satellite.

Energie Solaire Incidente »Diffusion solaire à mi-journée

Etant donné la position relative du soleil et du satellite dans ce diagramme, les aérosols diffusent plus de rayonnement visible vers le satellite, même si la majeure partie de ce rayonnement est diffusé vers le sol.

Energie Solaire Incidente »Diffusion solaire en fin de journée

Etant donné la position relative du soleil et du satellite dans ce diagramme, les aérosols diffusent plus d’énergie vers l’avant en direction du satellite qu’à tout autre moment de la journée, révélant clairement leur présence.

Energie Solaire Incidente »Résumé

Ce graphique illustre les changements que subit le rayonnement solaire incident à l’échelle globale. Lorsque le rayonnement solaire pénêtre l’atmosphêre, il est absorbé par les nuages et les composants atmosphériques, rétrodiffusé par les molécules et réfléchi par les nuages, réfléchi et absorbé à la surface terrestre. Les chiffres du graphique fournissent des estimations en pourcentages des moyennes globales de ces processus.

Résumé:

• Le rayonnement solaire incident subit une absorption et une réflexion par les composants atmosphériques et la surface terrestre
• Dans l’atmosphêre, les molécules, les aérosols et les nuages absorbent 19% du rayonnement solaire total incident
• A la surface terrestre, les continents et les océans absorbent 51%
• L’air, les nuages et la surface terrestre réfléchissent 30% du rayonnement solaire vers l’espace
• Les changements dans l’absorption ou la réflection du rayonnement solaire affectent les températures globales
• La partie à droite du graphique est étudiée dans la section suivante (Energie émise par la Terre)

Energie emise par la Terre »Absorption de l’energie solaire

La surface terrestre, les nuages et dans une moindre mesure les composants atmosphériques absorbent l’énergie solaire. Cette énergie est ensuite réémise aux longueurs d’ondes infrarouges. La quantité d’énergie réémise dépend de la température et du pouvoir émissif de la surface terrestre, des nuages, des aérosols ou des gaz.

Energie emise par la Terre » Energie (thermique) emise par la Terre

La Terre et l’Atmosphêre émettent principalement dans l’infrarouge. Quatre-vingt-dix-neuf pour cent de cette émission d’énergie thermique se produit aux longueurs d’ondes supérieures à 4 µm, avec un maximum prês de 10 µm. Ce domaine de longueurs d’ondes implique une source d’environ 290 K.

Energie emise par la Terre » Bandes d’absorption et fenêtres atmosphériques

Bien que le spectre d’émission de la Terre soit représenté sur le graphe de gauche par une courbe continue, les gaz atmosphériques absorbent et réémettent ensuite de l’énergie à des longueurs d’ondes discontinues. Sur la droite est représenté le spectre émis par la Terre entre 2 et 16 µm sur lequel ont été superposées des courbes de Planck à différentes températures. La courbe jaune représente le rayonnement émis par la terre à 295 K en janvier 1995 sur le Golfe du Mexique. La courbe représentant la luminance énergétique ascendante varie avec la longueur d’onde à cause de l’absorption et l’émission par les gaz atmosphériques aux différents niveaux de pression. La courbe fait ressortir aussi bien les  fenêtres atmosphériques que les bandes d’absorption.

Energie emise par la Terre » Absorption de de l’energie thermique par l’atmosphêre

Lorsque l’énergie thermique de longueur d’onde λ rencontre une molécule, elle est soit absorbée, soit diffusée ou passe sans interaction avec la molécule, c’est-à-dire transmise.

L’atmosphêre se comporte généralement comme un absorbant et un émetteur sélectifs. Les gaz absorbent à certaines longueurs d’ondes et pas à d’autres, à cause des états de vibration et de rotation discontinus de la molécule impliquée dans le processus d’absorption. Le rayonnement absorbé dans un intervalle de longueur d’onde donné est réémis dans toutes les directions.

A une longueur d’onde λ le pouvoir émissif est défini comme étant le rapport de la luminance énergétique émise I (λ) à celle d’un corps noir B (λ) à la même température.

Ceci peut être illustré en considérant la molécule de vapeur d’eau.(page suivante)

Energie emise par la Terre »Absorption de l’energie thermique à 6,7 µm

Le panneau de droite montre l’absorption et l’émission de l’énergie à 6,7 µm par les molécules de vapeur d’eau. La vapeur d’eau absorbe et réémet de maniêre três active le rayonnement à cette longueur d’onde. Par conséquent l’énergie émise à 6,7 µm par la surface terrestre est absorbée et réémise par la vapeur d’eau des couches moyennes et n’atteint pas directement le satellite. L’énergie détectée par le satellite à 6,7 µm est émise par les hautes couches atmosphériques. Sur la gauche est représentée une image du canal vapeur d’eau de Meteosat, les régions grises indiquent la vapeur d’eau des couches moyennes et supérieures (B), alors que les régions blanches représentent les sommets des nuages élevés (A); les régions sêches et/ou les plus chaudes sont quant à elles représentées par les parties sombres (C).

Energie emise par la Terre » Absorption de l’energie thermique à 11,5 µm

Il existe généralement peu d’interaction entre le rayonnement et la vapeur d’eau à 11,5 µm. À gauche est représentée la même image que précédemment mais prise cette fois-ci à 11,5 µm. La barre de couleurs en bas de l’image indique les températures de brillance observées. Remarquez l’apparition des phénomênes thermiques de la surface. En présence de nuages, l’énergie en provenance de la surface est absorbée et la température de brillance déduite de la luminance énergétique détectée indique la température du sommet du nuage.

Energie emise par la Terre » Conservation de l’energie

La conservation de l’énergie implique que le rayonnement est soit absorbé, soit réfléchi, soit transmis par le milieu. La somme de ces 3 processus constitue 100% de l’énergie.

Energie emise par la Terre »Résumé

Le graphique illustre les changements que subit le rayonnement thermique à l’échelle globale. Lorsque le rayonnement émis par la Terre pénètre dans l’atmosphère, il est absorbé et réémis par les nuages et les composants atmosphériques. Les chiffres sur le graphe fournissent des estimations en pourcentages des moyennes globales de ces processus.

Résumé:

• Environ 70% du rayonnement solaire incident est absorbé par la surface terrestre et l’atmosphêre et réémis sous forme de rayonnement thermique principalement dans l’infrarouge
• Le rayonnement infrarouge est atténué par le CO₂, H₂O, et O₃ atmosphériques
• L’atténuation varie avec la longueur d’onde; la surface terrestre par exemple est vue à travers la fenêtre infrarouge prês de 11,5 µm alors que l’on ne voit du canal vapeur d’eau à 6,7 µm que la moitié supérieure de l’atmosphêre
• L’émission par les molécules atmosphériques et les nuages constitue la plus grande partie du rayonnement infrarouge
• Les chaleurs sensible et latente qui sont três variables suivant le lieu redistribuent 30% de l’énergie solaire incidente

Résumé »Résumé

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