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

Equation de transfert radiatif »Introduction

Le rayonnement détecté par le satellite contient des contributions à la fois de la surface et de l’atmosphêre. Notez que le rayonnement provient de différentes altitudes dans l’atmosphêre.

Veuillez noter que dans ce chapitre, la luminance énergétique ou radiance est représentée par R(λ) au lieu de I(λ).

Equation de transfert radiatif »Loi de Beer 1

Le rayonnement en provenance de la surface et des couches atmosphériques est transmis à travers l’atmosphêre jusqu’au satellite.

La loi de Beer décrit comment l’énergie en provenance de la surface et d’une couche atmosphérique est transmise au satellite.

La seconde équation montre la relation entre la transmittance, représentée par τ et l’épaisseur optique, représentée par k(λ)u.

L’épaisseur optique est une mesure de l’opacité d’une couche atmosphérique donnée. L’exposant négatif traduit le fait que la transmittance décroît exponentiellement lorsque l’épaisseur optique croît.

u est proportionnel au nombre de molécules absorbantes entre la source émettrice et le sommet de l’atmosphêre, et est désigné sous le nom de longueur de parcours pondérée par la densité. k est une mesure de l’atténuation moléculaire à la longueur d’onde λ.

Equation de transfert radiatif »Loi de Beer 2

Considérez une couche atmosphérique et une longueur d’onde où se produit une absorption, c’est-à-dire où k(λ) est différent de zéro. La longueur de parcours pondérée par la densité u est déterminée par la densité de l’atmosphêre au dessus de la couche p. Le graphique de droite présente la transmittance en fonction de u. Lorsque u décroît, la transmittance tau augmente et par conséquent l’énergie émise par la couche p atteint le sommet de l’atmosphêre.

Equation de transfert radiatif »Contribution à la fonction de pondération - Basse atmosphêre

Sur la droite est représentée la fonction de pondération d’un rayonnement à une longueur d’onde donnée. Elle représente les contributions de diverses couches atmosphériques à la luminance énergétique atteignant le sommet de l’atmosphêre.

L’aire mise en évidence sur le graphique de gauche présente la contribution des plus basses altitudes de l’atmosphêre à la luminance énergétique atteignant le sommet de l’atmosphêre.

Comme le montre le graphique, il existe une quantité d’énergie substantielle disponible dans la basse atmosphêre, mais seulement une petite quantité atteint le sommet de l’atmosphêre comme l’indique la barre étroite. Ceci est dû à la grande épaisseur optique traversée par le rayonnement.

Equation de transfert radiatif »Contributions à la fonction de pondération - Moyenne atmosphêre

Le graphique de gauche montre la transmission de l’énergie émise à des niveaux plus haut dans l’atmosphêre. En dépit du peu d’énergie disponible dans cette couche à cause du refroidissement de l’atmosphêre avec l’altitude, une augmentation de la transmittance est observée, due à l’existence de constituants atmosphériques moins absorbants au-dessus de cette couche. Il en résulte qu’un plus grand pourcentage de l’énergie en provenance de cette couche atteint le sommet de l’atmosphêre. La plus grande contribution à la luminance énergétique est indiquée par la plus grande largeur de la barre au sommet de la figure de gauche. La luminance énergétique provenant de ce niveau de pression est associée à la valeur maximale de la fonction de pondération.

Equation de transfert radiatif »Contributions à la fonction de pondération - Haute atmosphêre

Le graphique de gauche montre la contribution d’une couche de la haute troposphêre à la luminance énergétique. La transmittance jusqu’au sommet de l’atmosphêre est élevée, mais la luminance énergétique de la couche est faible. D’où l’existence d’une faible contribution à la fonction de pondération sur la figure de droite.

Equation de transfert radiatif »Canal vapeur d’eau: fonction de pondération et image

La fonction de pondération du canal 6,7 µm est représentée sur la figure de gauche.

Une image du canal 6,7 µm est montrée à droite. Ce canal est três sensible à la vapeur d’eau et reçoit la majeure partie de sa luminance énergétique de la moyenne et haute atmosphêre.

La luminance énergétique provenant des basses couches dans l’atmosphêre (sêches, chaudes) est représentée par les régions sombres alors que celle provenant des hautes couches atmosphériques (humides, froides) est représentée par les zones claires.

Equation de transfert radiatif »Canal infrarouge de grande longueur d’onde: fonction de pondération et image

La fonction de pondération du canal infrarouge fenêtre (10,7 µm) de grande longueur d’ondes de GOES est représentée par la figure de gauche.

Une image du canal 10,7 µm est présentée à droite. Ce canal est celui d’une fenêtre et reçoit par conséquent la majorité de sa luminance énergétique de la surface terrestre et des nuages lorsque ceux-ci sont présents.

Equation de transfert radiatif »Canal de la fenêtre «sale»: fonction de pondération et image

La fonction de pondération du canal infrarouge fenêtre «sale» de GOES est représentée sur la figure de gauche. Comparez-la à la fonction de pondération du canal 10,7 µm de la page précédente.

Une image du canal 12 µm est montrée à droite. Ce canal est sensible à la présence d’humidité dans les basses couches. Ce canal ressemble au canal 10,7 µm dans une atmosphêre sêche.

Il est instructif de naviguer entre la page en cours et la page précédente pour observer la différence entre les deux canaux en ce qui concerne la température de la surface. Cette différence est due à l’humidité dans les basses couches.

Notez que ce canal est disponible sur les séries de satellites Meteosat Seconde Génération.

Equation de transfert radiatif »Contribution de la surface

La luminance énergétique infrarouge détectée par le satellite est émise à la fois par la surface terrestre et l’atmosphêre. La luminance énergétique en provenance de la surface est égale au produit de la luminance énergétique du corps noir qui lui est équivalent, du pouvoir émissif de la surface à une longueur d’onde donnée et de la transmittance de la couche allant de la surface au sommet de l’atmosphêre. Beaucoup de surfaces ont un pouvoir émissif thermique proche de 1.

Equation de transfert radiatif »Contribution atmosphérique

La luminance énergétique en provenance d’une couche atmosphérique est égale au produit de la luminance énergétique du corps noir qui lui est équivalent, du pouvoir émissif, et de la transmittance de cette couche jusqu’au sommet de l’atmosphêre. La somme de ces couches représente la contribution atmosphérique à une longueur d’onde donnée.

Equation de transfert radiatif »Equation complête

La luminance énergétique ascendante totale émise est la somme des contributions de l’atmosphêre et de la surface. La contribution atmosphérique peut aussi être considérée comme étant une intégrale par rapport à la pression, auquel cas les termes du pouvoir émissif et de la transmittance deviennent la fonction de pondération dτ/dp.

Equation de transfert radiatif »Résumé

Résumé:

• La luminance énergétique émise par la Terre traverse l’atmosphêre qui absorbe et émet sélectivement le rayonnement infrarouge
• La loi de Beer décrit l’atténuation de la luminance énergétique en fonction du coefficient d’absorption et du nombre de molécules entre la source (Terre et Atmosphère) et le capteur (satellite)
• Les fonctions de pondération indiquent la contribution de diverses couches atmosphériques à la luminance énergétique au sommet de l’atmosphêre
• Les fonctions de pondération des fenêtres infrarouges sont maximales au niveau de la surface terrestre puisqu’elles reçoivent principalement le rayonnement provenant de la surface terrestre en l’absence de nuages
• L’équation de transfert radiatif résume la luminance énergétique provenant à la fois de la surface et de différentes couches atmosphériques

Plan Conceptuel »Plan conceptuel

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