Missions spatiales et télédétection: Exploration des corps du

Missions spatiales et télédétection:
Exploration des corps du système solaire
Module GLST202
Grégory Fanjat
Introduction
Observations du ciel et des orbites:
- Depuis l'antiquité: 5 astres errants
(=planètes): Mercure, Vénus, Mars, Jupiter et
Saturne
-Début du 18ème siècle, Halley démontre que
les comètes sont de petits astres en orbite
solaire, mais avec une orbite extrêmement
elliptique
-1781: Herschel découvre Uranus, qui fut
donc la 7ème planète.
-En 1846, ce fut la découverte de Neptune et
en 1930 celle de Pluton
- En 1950, l'astronome hollandais J.H. Oort étudie les orbites d'une petite centaine de
comètes à très longue période. Il en déduisit qu'elles semblaient provenir d'un "réservoir"
plus ou moins sphérique, d'un cocon entourant le système solaire, à environ 50 000 U.A.
=> Obervations uniquement depuis la Terre, avec faible résolution.......
Introduction
Problématique: Comment observer la composition des atmosphères et surfaces des corps
du système solaire???
Missions spatiales
Sondes+Télédétection
Quelles types de missions, pourquoi?
Depuis quand?
Vers quels objets?
Introduction
Application de la télédétection:
- Pratiquer de la surface de la Terre vers l’atmosphère ou vers l’espace
- Comme de l’espace vers la Terre
Questions auxquelles nous allons essayer de répondre
- Depuis quand? => Historique des missions spatiales et télédétection
- Qu'est ce qu'on étudie?
- Quels outils et quels principes?
=> Cours d'aujourd'hui
Quels résultats: composition et dynamique des atmosphères, croûtes et géologie
superficielle des corps du système solaire
=> Cours-TD-TP de mercredi
1. Les missions spatiales: un bref historique
Les missions spatiales: un bref historique
Les satellites Spoutnik et le début de la conquête spatiale
- Spoutnik 1 a été le premier satellite artificiel de la Terre. Lancé par l'URSS, et mis
sur orbite le 4 octobre 1957
- Lancé le 3 novembre 1957, ce satellite a emmené dans l'espace le premier être
vivant, la chienne Laïka. Il transportait aussi des instruments destinés à étudier en
particulier les rayons cosmiques.
- Le programme Vostok: projet spatial soviétique destiné à envoyer des humains dans
l'espace, ce qu'il réussit avec Vostok 1 dans lequel Youri Gagarine devint le premier
homme de l'espace le 12 avril 1961.
Réplique du
satellite Spoutnik
et photo de Youri
Gagarine
Les missions spatiales: un bref historique
Les premières missions vers la Lune:
- Les sondes Luna (1959) et Surveyor (1966) qui ont marqué le
début de l'exploration du système solaire.
- Les missions Apollo: le 20 juillet 1969, la mission Apollo 11
permet à deux hommes de mettre le pied sur la Lune.
La face cachée de la
Lune prise par Luna 3,
7/10/1959, NASA
Apollo 1, NASA
La sonde Luna 3
Les missions spatiales: un bref historique
Les missions Pioneer (NASA)
13 sondes Pioneer furent envoyées. Les plus célèbres furent :
- Pioneer 4 vers la Lune dès 1959;
- Pioneer 5 en 1960 et Pioneer 6, 7 , 8 et 9 ensuite vers le Soleil
(noter que Pioneer 6 et 8 sont toujours actifs);
- Pioneer 10 vers Jupiter en 1972 et qui a maintenant quitté le
système solaire;
- Pioneer 11 en 1973 vers Jupiter (dont il envoya des images
saisissantes) et Saturne;
- Pioneer 12 et 13 vers Vénus pour faire descendre une sonde en
parachute vers le sol de Vénus.
Pioneer Venus-orbiter
Les missions spatiales: un bref historique
Les missions Venera ( suite de sondes automatiques soviétiques lancées vers la
planète Vénus)
Les sondes Venera, il y en eut 16 :
- Venera 3 en 1966: s'écrasa à la surface, devenant le première sonde à atteindre le sol
d'une autre planète !!!!
- Venera 4 en 1967: 1ère sonde à pénétrer et mesurer l'atmosphère de Vénus
- Venera 5 et 6 en 1969 tentèrent aussi un atterrissage sur Vénus mais perte de
transimission due aux hates P et T
- Venera 7 en 1970 et Venera 8 en 1972: 1er atterrissage sur Vénus et purent envoyer
des informations pendant 23 minutes pour la première et 50 minutes pour la deuxième;
- Venera 13 et 14 purent analyser le sol;
- Venera 15 et 16 cartographièrent Vénus.
Image du sol de Venus prise
par la sonde Venera 7
Les missions spatiales: un bref historique
Les missions Mariner (NASA)
Nom
Mariner 1
Mariner 2
Date lancement
22/7/1962
27/8/1962
Objectif
Survol de Vénus
Survol de Vénus
Mariner 3
Mariner 4
5/11/1964
28/11/1964
Survol de Mars
Survol de Mars
Mariner 5
14/6/1967
Survol de Vénus
Mariner 6
24/2/1969
Survol de Mars
Mariner 7
Mariner 8
Mariner 9
27/3/1969
9/5/1971
30/5/1971
Survol de Mars
Orbiteur martien
Orbiteur martien
Mariner 10
3/11/1973
Survol de Mercure
Mariner 2
Résultats
Échec du lanceur
Premier survol de Vénus et d'une planète Rotation rétrograde lente, températures
élevés, absence de champ magnétique, couche épaisse et continue de nuages.
Échec du lanceur
Premier survol de Mars, Photos de la surface de Mars, pression atmosphérique et
température au sol, champ magnétique
Pression atmosphérique, température, dimensions de la planète, composition chimique
de l'atmosphère.
Photos de 20% de la surface, composition de l'atmosphère, composition de la calotte
polaire sud, forme et masse de Mars
cf Mariner 6
Échec
Première sonde à se placer en orbite autour d'une autre planète
Couverture photo détaillée de la planète, observation des tempêtes de poussière
Premier survol de Mercure, première utilisation de l'assistance gravitationnelle Photos
du sol de Mercure, champ magnétique
Mariner 10
Les missions spatiales: un bref historique
La mission Magellan et cartographie de Venus (NASA)
Lancée en 1989 (arrivée en 90, fin de fonctionnement en 94), elle a réalisé la première
carte détaillée de la surface de Vénus ainsi que la mesure du champ gravitationnel
La sonde Magellan
Venus cartographiée par
Magellan (NASA)
Les missions spatiales: un bref historique
Mission to Mars: Fort engouement pour la planète
rouge depuis les années 90
Mars Global Surveyor (1996)
Mars Odyssey (2001)
Mars exploration rovers (2003)
Mars Express (2003)
Mars Reconnaissance Orbiter (2005)
Curiosity (2011)
Les missions spatiales: un bref historique
Mission to Mars: Mars Global Surveyor (NASA)
La sonde fut lancée le 7 novembre 1996 (300 jours de vol, a fonctionné 10 ans)
Etude de l'ensemble de la surface martienne, l'atmosphère, du champ magnétique et la
structure interne de la planète et nous a renvoyé plus de données sur Mars que toutes
les autres missions réunies.
Mise en évidence d'un dépot sur les flancs d'un
cratère, Centauri Montes Region (crédit: NASA)
Abondance d'hématite sur le site d'atterissage
d'Opportunity Meridiani Planum
Les missions spatiales: un bref historique
Mission to Mars: Mars Odyssey (NASA)
La sonde fut lancée en avril 2001 (mise en orbite autour de mars en 2002)
objectif d'étudier la surface de Mars et en particulier de détecter la présence éventuelle
d'eau (passée ou présente) à la surface de Mars à l'aide de spectromètres et d'une
caméra. La mission doit aussi permettre de détecter une éventuelle activité volcanique.
La mission Mars Odyssey pourrait ainsi nous permettre de savoir si Mars a bénéficié de
conditions propices à l'apparition de la vie.
Collapse pits on Mars are formed in
serveral ways. In volcanic areas,
channelized lava flows can form
roofs which insulate the flowing
lava. These features are termed
lava tubes on Earth and are
common features in basaltic flows.
Les missions spatiales: un bref historique
Mission to Mars: Mars Exploration Rover
Lancée en 2003 et composée de deux robots mobiles identiques ayant pour objectif
d’étudier la géologie de la planète Mars et en particulier le rôle joué par l’eau dans
l’histoire de la planète. Chaque rover ou astromobile, piloté par un opérateur depuis la
Terre, a alors entamé un périple en utilisant une batterie d’instruments embarqués
- Spirit a atterri dans le cratère Gusev, une dépression de 170 kilomètres de diamètre
qui a peut-être accueilli un lac.
- Opportunity s’est posé le 24 janvier 2004 sur Meridiani Planum.
Les missions spatiales: un bref historique
Mission to Mars: Mars Express (ESA)
Lancée le 2 juin 2003
Recueillir des données sur la surface, l'atmosphère, l'ionosphère et le sous-sol de
la planète. La sonde comprend un orbiteur et un petit atterrisseur, Beagle 2,(RIP),
chargé de se poser sur la surface et de déceler d'éventuelles traces de vie .
Carte topographique du dôme de Tharsis
(échelle max 8 km)
Carte topographique du pôle sud de Mars, la
zone sombre n'a pas été survolée
Les missions spatiales: un bref historique
Mission to Mars: Mars Reconnaissance Orbiter (NASA)
Lancée en aout 2005
A pour but d'améliorer notre compréhension de Mars, grâce à une observation
détaillée de sa surface. Elle permettra de sélectionner d'éventuels sites
d'atterrissages pour de futures missions, et elle fera office de relais à haut débit
pour les futures sondes présentes à la surface de Mars. Elle remplacera la
vieillissante sonde Mars Global Surveyor comme plate-forme principale
d'observation de la planète Mars.
Opportunity au bord de Victoria: photo prise
par la caméra très haute résolution de MRO
NASA
Les missions spatiales: un bref historique
Mission to Mars: le robot Curiosity (NASA)
le 26 novembre 2011, le robot Curiosity est parti vers Mars pour y explorer le
cratère Gale. Arrivée prévue début août 2012. Pourquoi ce cratère?
Le spectromètre-imageur MRO a mis en évidence la présence d'argiles....
Le cratère Gale, l'objectif de Curiosity
Les missions spatiales: un bref historique
Cassini-Huygens: l'exploration de Saturne, ses anneaux et de ses satellites
La sonde a été lancée le 15 octobre 1997. Elle comprend 2 vaisseaux, attachés
ensemble jusqu'au 25 décembre 2004 : la sonde Cassini qui restera en orbite autour de
Saturne, dont la NASA est maîtresse d'ouvrage, et le module Huygens qui s'est posé sur
Titan en janvier et dont l'ESA est responsable.
Jupiter (d = 142 800 km) photographié
par Cassini le 6 décembre 2000,
Ganymède en bas à droite
Photographie de Saturne (d = 120 000 km) et de ses anneaux,
prise par Cassini le 27 mars 2004
Les missions spatiales: un bref historique
Les missions cométes et astéroïdes
- Giotto en 1985 (ESA): 1ere fois que l'on obtenait une image aussi précise du noyau
d'une comète (Haley).
- NEAR (Near Earth Asteroid Rendez Vous), 1997: Mise en orbite autour de l'astéroïde
Eros
Comète de Haley, Mission
Giotto, ESA
Astéroïde Mathilde, 66×48×46 km,
NEAR, NASA
Les missions spatiales: un bref historique
Les missions cométes et astéroïdes
- Star Dust, 1999: ramener des poussières interstellaires (récupérées en 2006)
- Deep Impact, 2006: percuter une comète pour créer un cratère afin d'étudier la structure
interne de la comète et sa dynamique
Comète Temple 1 vue par la mission Star Dust
Comète Temple 1 (échelle 1km)
Les missions spatiales: un bref historique
Les missions “Soleil”
Première mondiale, en 1990 l'ESA - NASA envoyèrent la sonde Ulysse survoler les
pôles du Soleil.
Deux autres satellites lancés; SOHO en 1995 et TRACE en 1997 (ESA). Leur mission
consista à étudier "in situ" le vent solaire.
La mission Genesis de la NASA pris ensuite le relai en 2001 collectant des échantillons
du vent solaire afin d’effectuer une analyse quantitative des constituants du Soleil.
Une protubérance longue de 325000 km vue par
SOHO le 27 août 1997.
Une éruption dans le raie UV de 195Å vue
par TRACE le 15 juin 2000.
Les missions spatiales: un bref historique
Toutes les missions spatiales utilisent des moyens de télédétection
- Imagerie
- Spectroscopie à différentes longueur d'onde......
La télédection, comment ça marche??????
2. Les principes de la télédétection
Les principes de la télédétection
Définition:
Le mot télédétection (en anglais « remote sensing ») désigne l'ensemble des
techniques qui permettent d'étudier à distance des objets ou des phénomènes.
Le néologisme « remote sensing » fait son apparition aux Etats-Unis dans les
années soixante, lorsque des capteurs nouveaux viennent compléter la
traditionnelle photographie aérienne. Le terme de télédétection a été introduit
officiellement dans la langue française en 1973 et sa définition officielle est la
suivante :
« Ensemble des connaissances et techniques utilisées pour déterminer des
caractéristiques
physiques et biologiques d’objets par des mesures effectuées à distance, sans
contact matériel avec ceux-ci. » Commission interministérielle de terminologie de la
télédétection aérospatiale, 1988
Les principes de la télédétection
Quelques dates
- 1839 : Mise au point de la photographie (NIEPCE, DAGUERRE).
- 1844 : Premières photographies aériennes réalisées depuis un ballon par G.F. Tournachon, dit NADAR.
- 1856 : Le même NADAR fait breveter l’installation d’une chambre photographique à bord de la nacelle d’un ballon pour la prise de
photographies aériennes verticales.
- 1858-1898: LAUSSEDAT expérimente systématiquement l'utilisation de la photographie aérienne (ballon) en cartographie et met au
point les méthodes de la photogrammétrie.
---------------------------------------------------- 1909: Premières photographies depuis un avion (WRIGHT).
- 1914-1918 : Utilisation intensive de la photographie aérienne comme moyen de reconnaissance pendant la 1ère guerre mondiale.
- 1919 : Mise au point du premier restituteur stéréoscopique moderne (appareil de POIVILLIERS) pour l’utilisation des photographies
aériennes en cartographie topographique.
- 1919-1939 : Essor de la photographie aérienne pour la cartographie et la prospection pétrolière (Moyen-Orient).
- 1940 : Apparition des premiers radars opérationnels en Grande-Bretagne (bataille d'Angleterre).
- Depuis 1945: Développement continu de la photographie aérienne comme méthode opérationnelle de cartographie et de surveillance
de l'environnement. Perfectionnement des appareils et des émulsions (infrarouge).
------------------------ 1957 : Lancement de Spoutnik 1, premier satellite artificiel.
- 1960-1972 : Développement parallèle de la technique des satellites et des capteurs (mise au point des radiomètres et radars
imageurs).
- 1960 : Lancement de Tiros, premier satellite météorologique équipé de caméras de télévision pour le suivi des masses nuageuses.
- 1964-69 : Embarquement d'appareils photographiques à bord d'engins spatiaux habités.
--------------------- 1972 : Lancement d'ERTS, rebaptisé Landsat 1, premier satellite spécialisé de télédétection des ressources terrestres.
- 1974-78 : Mise en place, sous l'égide de l'Organisation Météorologique Mondiale, du réseau des satellites météorologiques
géostationnaires.
- 1978 : Lancement de Seasat, premier satellite spécialisé dans la télédétection de l'océan, équipé, entre autres capteurs, d'un radar.
- 1982 : Apparition de la haute résolution spatiale pour l’observation de la Terre :lancement de Landsat 4, équipé du radiomètre «
Thematic Mapper ».
- 1986 : Lancement de SPOT 1 (Système Probatoire d'Observation de la Terre), satellite français de télédétection. Début de
l’exploitation commerciale des images (Société Spotimage).
- 1991 : Mise en orbite et début de l'exploitation du satellite européen ERS-1, équipé de plusieurs capteurs passifs et captifs pour
l'étude de l'environnement global de la planète.
- 1999 : Lancement par la société privée Space Imaging Corp. du satellite IKONOS, offrant des images à très haute résolution spatiale
(1 m).
Les principes de la télédétection
Le spectre électromagnétique
En Télédétection, les capteurs peuvent acquérir des informations que l’oeil
humain ne peut pas voir normalement (en utilisant des rayonnements
appartenant à des parties du spectre électromagnétique autres que le visible).
Les objets reflètent normalement une partie de la lumière qui les atteint. C’est
généralement cette portion de lumière qui donne leur couleur aux objets.
Certains objets ne se contentent pas de refléter la lumière qui les atteint, ils
émettent en outre des “rayonnements”, surtout à cause de leur température.
Un rayonnement, c’est de l’énergie qui se propage dans l'espace ou dans la matière sous
forme de champs électriques et magnétiques perpendiculaires entre eux. Il est appelé
rayonnement électromagnétique (lumière..).
Les principes de la télédétection
Le spectre électromagnétique
Une onde électromagnétique correspond à la vibration simultanée dans l’espace d’un
champ électrique et d’un champ magnétique. Une onde électromagnétique est une onde
progressive et transversale ; le sens de la variation des champs est perpendiculaire à la
direction de propagation
- la période T : c’est le temps au bout duquel le champ
électrique ou magnétique retrouve sa valeur à partir d’un
instant quelconque, c’est à dire effectue un cycle. L’unité
est la seconde.
- la fréquence ν : c’est le nombre de cycles par unité de
temps. L’unité de fréquence est le Herz (Hz). Un Hz
équivaut à un cycle par seconde. Les ondes utilisées en
télédétection se caractérisent par des fréquences très
élevées mesurées en multiples du Hz (kHz, MHz ou
GHz –gigaHerz)
- la longueur d’onde λ: elle est exprimée par une unité
de longueur, le mètre (micromètre)
Entre la longueur d’onde et la fréquence existe la
relation classique: λ=ν.c
où c est la vitesse de propagation du rayonnement dans
le vide (vitesse de la lumière):
c = 3 . 108 m.s-1
Les principes de la télédétection
Les ondes
électromagnétiques sont
caractérisées par différentes
longueurs d’ondes. Pour
mesurer le rayonnement
émis ou réfléchi par les
objets, on mesure leur
énergie à différentes
longueurs d’ondes.
L’ensemble de toutes les
longueurs d’ondes possibles
constitue le "spectre
électromagnétique".
Utilisation de capteurs
sensibles à différentes
longueurs d'ondes
Les principes de la télédétection
Principe du corps noir: un objet idéal dont le spectre électromagnétique ne
dépend que de sa température.
A une température donnée, la radiance spectrale dépend de la longueur d'onde. La loi de Wien donne la longueur
d'onde pour laquelle la radiance spectrale est maximale :
λmax=C/T où C=3.10-3 m.K et T température absolue (K)
Les principes de la télédétection
Capteurs passifs
En télédétection, l’on utilise de nombreux
capteurs différents, présentant des
sensibilités diverses au rayonnement dans
les différentes longueurs d’ondes du
spectre électromagnétique.
En général, les capteurs qui utilisent une
source d’énergie externe pour observer
les objets (par exemple qui utilisent la
lumière solaire) sont appelés “capteurs
passifs”
Détection de l'énergie réfléchie ou réémise
.
Les principes de la télédétection
Capteurs actifs
Le principal inconvénient des capteurs
. passifs est que, si le ciel est nuageux ou
s’il fait sombre, on ne peut plus les utiliser.
Par conséquent, un autre type de capteurs
doit être utilisé. Il s’agit des capteurs dit
« actifs”.
On les appelle capteurs actifs car ils
émettent eux-mêmes les rayonnements
pour «illuminer » les objets de manière à
ce que l’énergie réfléchie puisse être
mesurée.
Le capteur actif le plus couramment
employé en télédétection est le “radar”.
Les principes de la télédétection
Quelques exemples de fonctionnement de capteurs: capteur d'image
Acquisition d'information par des capteurs optroniques (n capteurs optiques, un système
de traitement d’images, un système d’affichage ou de mémorisation.)
Le format de numérisation de l'information est basé sur une procédure mathématique
(appelée “système binaire”). La seule chose que "comprenne" un ordinateur est
l’impulsion électrique – celle-ci est soit présente, soit absente. Si elle est présente, cela
correspond à 1, sinon, cela correspond à 0. 2 digits=1 bit, 8bit=1octet (256 dans le
système décimale)
Le pixel
Une image satellite est constituée de nombreux carrés
appelés pixels. Le pixel représente la plus petite unité
figurant sur une image satellite, il est extrêmement
important. Réunis, les pixels fournissent toute
l’information qui constitue l’image dans son intégralité.
La résolution spatiale d’une image est la plus
petite distance entre deux objets adjacents que le
capteur puisse identifier.
Les principes de la télédétection
Quelques exemples de fonctionnement de capteurs: Capteur d'image
Valeur des pixels
Chaque pixel d’une image a une valeur. Cette valeur correspond à
l’intensité du rayonnement réfléchi par l’objet observé dans la
gamme de longueur d’ondes auxquelles le capteur est sensible.
La valeur du pixel varie de 0 (= noir) à 255 (= blanc). Il y a donc 256
possibilités, (=1 octet = 256 bit). Cela représente la «quantité » de
rayonnement détectée par un capteur, allant du minimum au maximum.
Comment obtenir une image colorée ?????????
Les principes de la télédétection
Quelques exemples de fonctionnement de capteurs: capteur d'image
Bon nombre d’images satellite post-traitées
(finies) semblent très colorées, les valeurs
brutes des pixels appartiennent toutes à
l’échelle des gris (de 0 à 255).
Par conséquent, durant le traitement,
plusieurs images satellite (du même capteur
mais appartenant à des longueurs d'onde
différentes ou acquises à des dates
différentes) sont souvent combinées pour
créer une image colorée.
Les principes de la télédétection
Quelques exemples de fonctionnement de capteurs: Spectroscopie de réflectance
Lorsqu’un rayonnement électromagnétique rencontre une transition entre deux milieux (ici
atmosphère-surface), trois types d’effets vont intervenir suivant la nature de la surface de
transition:
Albedo= Energie réfléchie totale/Energie totale incidente
Réflectance: la proportion d'énergie réfléchie dans une direction donnée, notamment
dans la direction du capteur. La variation de la
réflectance en fonction de la longueur d’onde est appelée signature spectrale
La spectroscopie de réflectance se base sur l’étude des absorptions présentes dans un
spectre
Les principes de la télédétection
Quelques exemples de fonctionnement de capteurs: Spectroscopie de réflectance
Exemples de spectre de réflectance sur
Terre.
Les principes de la télédétection
Quelques exemples de fonctionnement de capteurs: Spectroscopie de réflectance
Spectres de minéraux purs acquis en laboratoire (RELAB, Brown University) avec
respectivement de haut en bas un spectre d'olivine de type forstérite, un spectre de
plagioclase de type anorthosite, un spectre d'orthopyroxène de type enstatite et un
spectre de clinopyroxène de type diopside.
Les principes de la télédétection
Quelques exemples de fonctionnement de capteurs: Spectroscopie de réflectance
Interaction avec l'atmosphère:
Avant de parvenir au capteur, le rayonnement électromagnétique va interagir avec les
différents environnements traversés. Il s’agit notamment de la surface et de l’atmosphère.
Cette dernière est composée de gaz et d’aérosols, c’est-à-dire de petites particules solides
ou liquides en suspension. Les interactions avec l’atmosphère vont aussi produire des
absorptions
Les principes de la télédétection
Quelques exemples de fonctionnement de capteurs: Spectroscopie de réflectance
Interaction avec l'atmosphère:
Représentation des absorptions des principaux gaz constitutifs de l'atmosphère
terrestre, de l'atténuation du flux due à la diffusion et du pourcentage d'absorption
totale de l'atmosphère en fonction de la longueur d'onde.
Conclusions
Les missions et la télédection ont permis
- D'étudier à distance ou in situ les propriétés physiques (spectroscopie, champ
magnétique et gravitationnel) des corps du système solaire
- D'étudier leur composition atmosphérique ou à leur surface en détail (échantillon, spectre
de réflectance, imagerie)
Qu'a-t-on appris sur la composition des atmosphères et la géologie de surface des
ces différents corps???
=> Next episode: mercredi
ET AMENEZ VOS CALCULATRICES