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Télédétection depuis
le sol
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Fiche détaillée
Niveau
(A partir de la 4ème)
I. Introduction
En complément de l'approche par modélisation, l'étude de l'atmosphère est basée sur les
différents systèmes d'observation qui ont été développés au cours de la seconde moitié du XXe
siècle. Il est possible d'observer l'atmosphère par des mesures directes, embarquées ou au sol
(capteurs, mesures chimiques, prélèvements …), ou bien par des mesures de télédétection. La
télédétection atmosphérique est l'étude à distance de l'atmosphère à partir des caractéristiques d'une
onde qui s'y propage. Les domaines spectraux utilisés pour les mesures par télédétection
atmosphérique vont de l'ultra-violet aux ondes radio.
Il existe deux types de
techniques de télédétection : la
télédétection passive dans laquelle
on utilise une source de
rayonnement externe au système
d'observation (généralement le
soleil), et la télédétection active,
dans laquelle on est maître de la
source de rayonnement qui est
générée par le système.
Figure 1 : Domaines spectraux et longueurs
d'onde des rayonnements associés.
II. Télédétection passive : spectromètres
II.I. Le spectromètre SAOZ
Le spectromètre SAOZ (système d'analyse par observation zénithale) est un exemple de
système de télédétection passive développé au Service d'Aéronomie (Laboratoire associé au CNRS à
Paris) à la fin des années 80 pour l'étude de la stratosphère polaire. Ce spectromètre analyse la
lumière émise par le soleil diffusée au zénith dans le domaine spectral 300 - 630 nanomètres. Un
algorithme de transfert radiatif permet d'inverser les spectres obtenus et d'en déduire des colonnes
totales de constituants atmosphériques tels que l'ozone ou le dioxyde d'azote. Une vingtaine
d'exemplaires de cet instrument fiable et automatique ont été produits et déployés dans un réseau de
stations couvrant toutes les bandes de latitude des deux hémisphères.
Photo 1 : Photographie de l'instrument SAOZ ©
OPAR – Université de la Réunion
II.II. Spectromètres à Transformée de Fourier (FTIR)
Un autre exemple de système plus complexe de télédétection passive est le Spectromètre
Infra-Rouge à Transformée de Fourier (FTIR). Cet instrument est en mesure de produire des
colonnes partielles et/ou totales d'une vingtaine de composés traces atmosphériques parmi lesquelles
le CO, le N2O, O3, OCS, HF, HCl, HNO3...
Figure 2 : Schéma de principe du FTIR
Photo 2 :Spectromètre FTIR de l’Institut d’Aéronomie
Spatiale de Belgique installé à Saint Denis de la
Réunion
Le principe de mesure est basé sur l'utilisation d’un interféromètre de Michelson qui va moduler
chaque longueur d’onde du rayonnement solaire à une fréquence différente. Une moitié du faisceau
est dirigé sur un miroir fixe et l’autre sur un miroir mobile. Les deux faisceaux se recombinent et font
apparaître des interférences constructives ou destructives en fonction de la position du miroir mobile.
Le système de détection enregistre la transformée de Fourier du spectre appelée interférogramme,
c’est-à-dire une intensité en fonction de la position du miroir. L’inversion des spectres infra-rouge,
basée sur la méthode d’estimation optimale, permet d’obtenir des colonnes totales et les profils des
gaz traces étudiés.
II.III. Le système MaxDOAS
Le MAX-DOAS est un spectromètre UV-Visible qui permet de mesurer une grande variété de
gaz traces stratosphériques et/ou troposphériques tels que le NO 2, BrO, HCHO, O3, SO2, IO, O4...etc.
L'utilisation d'un réseau de résolution 300 traits par mm permet de couvrir le domaine spectral de 300
à 450 nm avec une résolution de 0,75 nm. Le détecteur est refroidi à -40°C, une fibre optique est
montée sur un télescope et couplé à un miroir rotatif permettant de mesurer la lumière solaire à
plusieurs angles d'élévation.
Photo 3 : Système MAX-DOAS de l’Institut d’Aéronomie Spatiale
de Belgique installé à Saint Denis de la Réunion
III. La télédétection active
III.I. Les LiDARs
La lumière du soleil est une source électromagnétique continue. Elle permet donc d'obtenir des
colonnes totales des constituants atmosphériques. Moyennant certaines hypothèses sur le trajet
optique de la lumière solaire et la connaissance à priori de l'atmosphère, on peut obtenir des colonnes
partielles de certains composés atmosphériques. Pour avoir un profil de constituants avec une
résolution verticale comprise entre la dizaine de mètres et le kilomètre, il est nécessaire d'utiliser le
principe de télédétection active en générant une source électromagnétique pulsée (un LASER) . Le
LiDAR exploite ce principe dans le domaine optique (source laser UV, visible ou Infra-rouge) et le
radar dans le domaine des ondes radio.
Figure 3 : Schéma de principe du LiDAR
Le principe du LiDAR est basé sur l’émission active de photons dans l’atmosphère au moyen
d’un laser pulsé. Les photons rétrodiffusés par l’atmosphère résultent de la diffusion atmosphérique
élastique et inélastique. Le système de réception est composé de un ou plusieurs télescopes
paraboliques au foyer desquels les signaux sont collectés puis transmis par fibres optiques et traités
électroniquement par des photo-multiplicateurs. En fonction des caractéristiques de l’émission et de
la réception, les signaux rétrodiffusés sont transformés par la chaîne électronique de traitement puis
analysés pour le calcul de différents composés ou paramètres atmosphériques. Les divers systèmes
LiDAR permettent la mesure des aérosols, de la température, de la vapeur d’eau et de l’ozone
troposphérique, de l’ozone stratosphérique, du CO 2..etc.
Différents types de LiDAR basés sur différents principes de processus physiques permettent
d'obtenir des profils de différents constituants atmosphériques.
Le LiDAR Mie, basé sur la diffusion élastique par les aérosols et les nuages, permet d'obtenir
des profils d'aérosols, ainsi que des informations sur les nuages, la géométrie des cristaux de glace
ou des gouttes d'eau diffusants ou leur épaisseur optique.
Le LiDAR DIAL (DIfferential Absorption LiDAR), basé sur l'absorption différentielle du faisceau
laser par les atomes et les molécules, permet d'obtenir des profils d'ozone ou d'autres gaz polluants.
Le LiDAR Raman, basé sur la diffusion inélastique (c'est-à-dire avec changement de longueur
d'onde) par les molécules, permet d'obtenir des profils de vapeur d'eau et de température en présence
d'aérosols.
Le LiDAR Rayleigh, basé sur la diffusion élastique (c'est-à-dire sans changement de longueur
d'onde) par les molécules d'air, permet d'obtenir des profils de densité et de température dans la
stratosphère et la mésosphère.
Enfin, le LiDAR vent, basé sur le décalage doppler du faisceau laser par des molécules d'air en
mouvement, permet d'obtenir des profils de vent horizontal dans la moyenne atmosphère.
Photo 4 : Photographie d'un LiDAR doppler en
fonctionnement © OPAR – Université de la
Réunion
Photo 5 : Photographie d’un LiDAR
Rayleigh-Mie –Raman dont le système
de réception optique est constitué de 4
télescopes de 50 cm de diamètre ©
OPAR – Université de la Réunion
III.II. Les systèmes DOAS (Differential Optical Absoption Spectrometer)
Les systèmes DOAS utilisent également la télédétection active et permettent de mesurer des
espèces polluantes comme le NO2 pour la surveillance de la qualité de l'air. Le chemin optique entre
l'émetteur et le récepteur peut atteindre 800 m. Dans l'atmosphère réelle, plusieurs paramètres
peuvent contribuer à l'absorption de la lumière. En particulier les aérosols et les nuages peuvent
diffuser la lumière et contribuer à l'atténuation du faisceau. Pour s'affranchir de ce problème, il
convient de fonctionner avec plusieurs longueurs d'onde pour séparer les contributions des espèces
absorbantes.
Récepteur
Système DOAS
Transmetteur
Source
d’énergie
Analyseur et périphériques
Un système DOAS a trois principales composantes: un
émetteur, un récepteur et un analyseur. L’émetteur
envoie un faisceau lumineux au récepteur. Le faisceau
contient une gamme de longueurs d’ondes, de l’ultra
violet au visible. Les divers polluants absorbent la
lumière à diverses longueurs d’ondes le long du trajet
entre l’émetteur et le récepteur. Le récepteur est
connecté à l’analyseur qui mesure l’intensité aux
différentes l ongueurs d’ondes et, connaissant
l’intensité émise, en déduit l’absorption le long du trajet
optique qu’il convertit en concentrations moyennes le
long de ce trajet pour chaque gaz étudié.
Figure 4 : Schémas de principe de fonctionnement du système DOAS
III.III. Les radars profileurs de vent
Le radar fonctionne selon le même principe que le lidar, mais dans le domaine des ondes
radio. Il existe plusieurs classifications des radars selon leur mode de fonctionnement, leur domaine
spectral et leur utilisation. Les radars ne servent pas à mesurer des constituants chimiques mais les
caractéristiques physiques de l’atmosphère. Les radars météorologiques permettent de détecter les
nuages et de mesurer leurs paramètres microphysiques alors que les radars profileurs de vent
permettent de mesurer les vents verticaux et horizontaux, ils sont particulièrement utiles pour les
études de pollution atmosphérique. Dans le domaine de 30 Megahertz à 40 Gigahertz, il existe des
radars non doppler qui ne permettent que la localisation de la cible, et des radars dopplers qui
permettent en plus d'obtenir la vitesse de la cible. Ils sont utilisés pour la surveillance aérienne et
maritime, la cartographie et la météorologie.
Pour les études atmosphériques, les pro fileurs de vent UHF fonctionnent dans le domaine
de 300 MHz à 3 GHz et les pro fileurs de vent VHF fonctionnent dans le domaine de 30 à 300
Megahertz. Avec un pro fileur UHF, on obtient des pro fils de vent allant de 100 m à 6 km
d’altitude environ. La cadence de délivrance d'un pro fil complet du vent est de 5 à 15 minutes par
pro fil.
Avec un pro fileur VHF, les pro fils de vent couvrent 1,5 à 16 km d’altitude environ. La
cadence de délivrance d'un pro fil complet du vent est de 15 minutes à 1 heure.
Les mesures des profileurs de vent présentent plusieurs avantages par rapport à celles des
radiosondages : en particulier elles sont automatiques, ne nécessitent pas de matériel consommable,
et leur cadence est élevée. Les profileurs de vent peuvent aussi fournir d'autres paramètres comme la
vitesse verticale et la turbulence, intéressants pour l'aéronautique et la surveillance de la pollution
atmosphérique. Mais des réglages complexes sont nécessaires pour obtenir des mesures
opérationnelles de qualité et traiter correctement les données pour exclure avec pertinence les échos
parasites.
Figure 5 : Exemple de profil de vent obtenu par un radar stratotroposphérique.
Photo 6 : Photos du radar profileur de vent de l’OPAR installé sur l’aéroport de Saint
Denis de la Réunion© OPAR – Université de la Réunion