Compléments
Méthodes de télédétection spatiale
I La signature spectrale des composés chimiques
La composition atmosphérique de l’air peut être déterminée par des techniques spectroscopiques. Celles-ci consiste en l’analyse du spectre d’absorption du rayonnement électromagnétique ayant traversé l’atmosphère terrestre. La théorie quantique montre que toute molécule absorbe (réciproquement émet) le rayonnement électromagnétique reçu à des fréquences précises correspondant aux transitions énergétiques, c'est-à-dire aux changements d’état des molécules.
Au total, un spectre typique de l’atmosphère terrestre contient plus d’un million de raies spectrales. Ces raies ne sont pas régulièrement espacées et présentent une certaine largeur. Les paramètres caractéristiques sont la position, la largeur et l’intensité. A noter que dans certaines régions le recouvrement des raies est tel qu’on ne peut caractériser que la section efficace. C’est celle-ci ou l’intensité qui sont liées au contenu en absorbant et qu’on cherche à retrouver.
Fig. 1 : Spectre de transmission de l’atmosphère terrestre en infrarouge thermique (Crédits : PF Coheur et al) en nombre d’onde
Fig. 2 : spectre de transmission des principaux composé dans le domaine UV et visible (crédits : P. Dubuisson, LOA) (NJH) en longueur d’onde
II Techniques passives
Si la source du rayonnement électromagnétique est le soleil, la Terre ou les étoiles lointaines, on parle alors de technique passive. La technique utilisée dépend des régions atmosphériques qu’on cherche à documenter, de la résolution spatiale ou verticale recherchée, ou bien sur des molécules à détecter ou à caractériser.
Mesures aux limbes
On distinguera les techniques par occultation, utilisées en visée aux limbes, réalisées en visant le soleil ou d’autres étoiles. Elles peuvent être appliquées dans les différents domaines de fréquence.
On peut également observer aux limbes l’atmosphère terrestre sans source de fond. C’est alors l’émission atmosphérique et sa transmission à travers les couches successives qu’on mesure. Cette technique est applicable à des mesures dans les domaines infrarouge ou hyperfréquence et ne peut concerner que les molécules dont le spectre d’absorption se situe essentiellement dans ces régions.
Figure 3 : Principe d’une mesure aux limbes par occultation solaire (GOMOS)
Mesures au nadir
Lorsqu’on veut atteindre la surface, on opère en réalisant des mesures au nadir (on vise la surface terrestre) à travers l’atmosphère. Dans le domaine solaire, ce qui est mesuré alors est la rétrodiffusion du rayonnement solaire par les couches atmosphériques (celle-ci est plutôt dans l’UV où une faible partie du rayonnement solaire atteint la surface) et aussi l’absorption de rayonnement le long d’un trajet aller-retour. Ces techniques sont pertinentes pour retrouver les espèces absorbantes dans le domaine solaire jusqu’au moyen infrarouge (2,3 µm) : H2O, O3, NO2, SO2, H2CO
etc.
Figure 4 : principe de la mesure par rétrodiffusion de la lumière solaire (GOME) (crédits ESA)
Dans les domaines infrarouge et microonde, la source de rayonnement ne peut être que la surface ou l’atmosphère elle-même. La mesure contient alors un terme inconnu qui est la température des surfaces émettrices. Celle-ci doit être supposée connue (par exemple dérivée d’un modèle météorologique) ou restituée simultanément (cela peut être fait en réalisant des mesures dans des régions du spectre où l’absorption provient uniquement d’un gaz dont la teneur verticale est connue a priori).
III Techniques actives
Figure 5 : Illustration principe de la mesure Dial d’A-SCOPE (crédits ESA)
Les techniques actives sont celles utilisant une source de rayonnement maitrisé.
Les lidars génèrent un signal monochromatique et mesurent les caractéristiques de l’onde rétrodiffusée : délai, forme d’onde, décalage spectral, intensité etc.
Les lidars DIAL, opèrent à 2 fréquences, l’une dans une raie d’absorption, l’autre dans une micro fenêtre voisine. Cette technique fonctionne au sol ou sur avion, mais s’il existe des projets pour la mesure du CH4 ou du CO2, il n’y a pas encore d’instrument spatial en opération.
Les diodes laser sont utilisées depuis ballon ou avion pour des mesures selon le même principe.
Les radars ne sont pas utilisés en chimie de l’atmosphère.
