Vincent GODARD

Département de Géographie

Université de Paris 8

V.1.9 - Dernière mise à jour : 18/02/2022

Fiche Mémo n°1.3. du cours de Télédétection niveau 2 :

La traversée atmosphérique

Avant que le REM n'atteigne sa cible, à la surface de la Terre, il doit traverser l'atmosphère.

- Que va-t-il lui arriver ?

1. La traversée de l'atmosphère

Jusqu'à présent l'onde électromagnétique s'est déplacée dans un milieu homogène : le vide

Que se passe-t-il lorsqu'elle change de milieu de propagation :

fig. 1 - La traversée de l'atmosphère par le signal

Source : Tutoriel du Centre Canadien de Télédétection

B => interaction entre le REM et l'atmosphère

Déviation ou blocage sur des particules et des molécules atmosphériques.

Il peut y avoir, sur une partie du REM :

- diffusion*

ou

- absorption*

2. La diffusion atmosphérique

Encore appelée diffusion gazeuse : réflexion d'une partie du rayonnement dans des directions aléatoires

due à la composition granulaire de l'atmosphère.

fig. 2 - La diffusion atmosphérique

Source : Tutoriel du Centre Canadien de Télédétection

- Le niveau de diffusion dépend de :

- la longueur d'onde ;

- la densité de particules et de molécules ;

- l'épaisseur d'atmosphère à franchir.

- Il existe trois types de diffusion, la diffusion :

- de Rayleigh ;

- de Mie ;

- non-sélective.

fig. 6 - Différents types de diffusion en fonction du rayon de la cible

Source : ens-lyon

2.1. La diffusion de Rayleigh

Se produit quand :

- la taille des particules < du REM

- Le REM est surtout dévié :

- par des molécules gazeuses (azote, oxygène, ...) ;

- sur les plus petites particules de poussière ;

- dans les + courtes longueurs d'onde ;

- diffusion 10 fois plus faible à 890 nm (PIR) qu'à 500 nm (bleu-vert)

- diffusion 16 fois plus faible à 890 nm (PIR) que dans l'UV

- dans les hautes couches de l'atmosphère.

=> explication du ciel bleu et du soleil rouge bas sur l'horizon (épaisseur atmosphérique => nb de molécules diffusantes)

Voir aussi : Wikipédia

fig. 3 - Épaisseur d'atmosphère traversée

Source : Tutoriel du Centre Canadien de Télédétection

La lumière bleue (450 nm) est diffusée 6 fois plus que la rouge (700 nm) à cause de la traversée oblique de l'atmosphère (épuration des rayons bleus).

Donc, ce sont les plus grandes longueurs d'onde qui pénètrent le plus dans l'atmosphère.

- La correction de la diffusion de Rayleigh est assez facile à l'aide des paramètres météo, radiométriques, etc. car la composition moléculaire est très stable.

On corrige surtout les faibles longueurs d'onde.

2.2. La diffusion de Mie

Se produit quand :

- la taille des particules est peu différente de la du REM

- Le REM est surtout dévié par des :

- aérosols (poussières, pollens, fumées) ;

- gouttes d'eau.

- L'interaction des particules sur le REM varient lentement avec la

Ici, la diffusion diminue seulement d'1 facteur 2 entre 890 nm (PIR) et 500 nm (bleu-vert)

- La diffusion de Mie :

- affecte surtout les grandes longueurs d'onde ;

La taille des particules liquides ou solides diffusantes est inférieure au m

- se produit surtout dans les basses couches de l'atmosphère.

Là où elles sont les plus abondantes !

Cette diffusion domine sous des ciels ennuagés.

- La correction de la diffusion de Mie* est plus complexe, car il faut prendre en compte :

- l'épaisseur optique et la nature des aérosols (poussières de ciment, d'arsenic, volcanique, etc.).

Sous certaines conditions, approximation de la réflectance des aérosols à l'aide du PIR ou du MIR sur des surfaces d'eau calmes.

2.3. La diffusion non sélective

Se produit quand :

- la taille des particules est >>> que la du REM

- Le REM est surtout dévié par des :

- "gros" aérosols (poussières ...) ;

- grosses gouttes d'eau.

La diffusion non sélective* affecte toutes les longueurs d'onde

=> cela explique la couleur blanche des nuages (tout est diffusé)

fig. 4 - Diffusion sur les particules nuageuses

Source : Tutoriel du Centre Canadien de Télédétection

 

3. L'absorption et la transmission

L'atmosphère est opaque au rayonnement électromagnétique sur de larges portions du spectre.

fig. 5 - Composition gazeuse de l'atmosphère et fenêtres d'absorption et de transmission

Source : d'après le Tutoriel du Centre Canadien de Télédétection

  fig. 6 - Fenêtres d'absorption et de transmission et bandes des Landsat 5 TM, 7 ETM+ et Landsat 8 OLI et TIRS

Sources : USGS

Mais il existe des fenêtres transparentes exploitables en télédétection

Il convient de retenir des phénomènes d'absorption que :

- l'absorption est totale dans l'UV jusqu'à 0,3 m (grâce à l'ozone !)

- la transmission est très bonne dans le visible et le PIR

- et que dans le MIR et l'IRL seules quelques fenêtres sont utilisables.

On utilisera par exemple les fenêtres situées entre :

- 1,5 et 1,8 m et entre 2,05 et 2,4 m pour la détection des changements d'humidité dans la végétation.

- 3 et 5 m (fenêtre utile pour le suivi des feux de forêt, les laves volcaniques, l'industrie lourde...)

- 8 et 14 m

- dans l'IR lointain, entre 22 m et 1 mm, l'agitation moléculaire liée à la vapeur d'eau rend la télédétection impossible.

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. La présence d'eau dans la partie inférieure de l'atmosphère varie dans l'espace et le temps. 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. (Centre Canadien de Télédétection)

- enfin dans les hyperfréquences, au delà de 2 cm, l'atmosphère ne présente pas d'absorption marquée

donc les ondes radars traversent les nuages.

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 (cf. partie basse de la figure 5). Notez aussi que l'énergie thermique émise par la Terre correspond à une fenêtre située à près de 10 m 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. (Centre Canadien de Télédétection)

Conclusion :

- plus un REM est court plus il est susceptible d'être diffusé

- tous les rayonnements du visible sont diffusés par les nuages

- les nuages n'ont pas une action de filtres spectraux

- les visées obliques ont une faible incidence sur les réflectances décrites

Si la visée passe de 0° à 27° (cas de SPOT)

l'accroissement de l'effet atmosphérique n'est que de 5% par rapport à une visée verticale

- la télédétection ne peut exploiter que certaines fenêtres atmosphériques

 

Il nous faut aborder maintenant d'autres interactions sur le rayonnement incident.

3. Test de compréhension

Communiquez-moi sur la plateforme Moodle, à la rubrique travaux, les réponses aux questions suivantes : Question n°1.3.1. Si la taille des particules rencontrées par le REM est très petite par rapport celui-ci, quelle partie du REM est diffusée : a) les courtes longueurs d'onde c) les longueurs d'onde du visible b) les grandes longueurs d'onde d) toutes les longueurs d'onde   Question n°1.3.2. Si le ciel est bleu, c'est de la faute de la diffusion : a) de Rayleigh c) non sélective b) de Mie d) des grandes longueurs d'onde Question n°1.3.3. Pour la Terre, le domaine du visibles est majoritairement dans une fenêtre : a) d'absorption c) d'émission b) de transmission d) aucune de ces propositions

NB : les mots suivis de "*" font partie du vocabulaire géographique, donc leur définition doit être connue. Faites-vous un glossaire.