Quiz L3 - TEL1

3- Interaction des ondes avec la surface et l’atmosphère A la fin de cette leçon, les apprenants seront capables de : • Présenter l’atmosphère dans le contexte de la télédétection • Décrire les mécanismes de diffusion dans l’atmosphère et leur relation avec les phénomènes naturels que nous observons • Décrire le phénomène d’absorption des ondes dans l'atmosphère • Décrire le parcourt de la lumière quand elle arrive au contact de la surface de la terre • Distinguer les types de réflexion de la lumière • Expliquer l’absorption de l’énergie EM par les surfaces naturelles et la notion d’albédo • Décrire comment les différentes cibles ou surfaces d’occupation de sol interagissent avec le rayonnement EM Interaction atmosphérique Objectifs d'apprentissage de ce sujet • Présenter l’atmosphère dans le contexte de la télédétection • Décrire les mécanismes de diffusion dans l’atmosphère (liés aux phénomènes naturels) • Décrire le phénomène d’absorption des ondes dans l'atmosphère Dans cette section, vous découvrirez les interactions qui ont lieu entre les différentes formes de rayonnement que vous avez apprises dans les chapitres précédents et l'atmosphère terrestre. La couche entourant notre planète, c’est-à-dire l’atmosphère, a un effet considérable sur le signal que nous mesurons. Si certaines longueurs d’onde sont plus ou moins insensibles à ce type d’influence (vous en apprendrez davantage plus tard), d’autres produisent des signaux ininterprétables. L’atmosphère n’est pas un vide et le rayonnement est donc modifié de différentes manières. Une couche protectrice – l’atmosphère Avant que le rayonnement solaire n'atteigne la surface de la Terre (cette distance est appelée « longueur du trajet »), l'atmosphère l'influencera de différentes manières. Par conséquent, la force des différents types de rayonnement ou onde électromagnétique (EM) représentés dans le spectre électromagnétique est grandement modifiée par l'état et la composition de l'atmosphère, car elle est composée d'azote moléculaire, d'oxygène, de vapeur d'eau et de particules (aérosols) telles que la poussière, la fumée ou la pollution industrielle. L’impact de ces particules peut être énorme. En février 2021, de grandes quantités de sable du désert du Sahara ont été déplacées vers l'Europe en raison des vents saisonniers, affectant fortement le signal mesuré par les capteurs passifs (en bas à droite). Particules de poussière en suspension observées par la suite de radiomètres à imagerie infrarouge visible (VIIRS) à bord du vaisseau spatial NOAA-20 le 18 février 2021 (NASA EO 2021). Les changements de rayonnement peuvent varier en fonction de la longueur d'onde, de l'état de l'atmosphère et de la position du soleil. Alors, comment l’atmosphère interagit-elle avec le rayonnement ? En général, l’impact de l’atmosphère est le plus fort sur les longueurs d’onde les plus courtes utilisées en télédétection, comme le spectre visible et infrarouge. Différents mécanismes affectent le rayonnement. L'absorption est provoquée, par exemple, par la présence de vapeur d'eau dans la couche protectrice de la Terre. Bien sûr, du point de vue de la télédétection, l'atmosphère peut également être considérée comme un facteur gênant pour l'interprétation des images et la récupération, par exemple, de la « vraie » réflectance de la surface. La diffusion et l'absorption dans l'atmosphère provoquent une perte de transmission du rayonnement solaire avant qu'il n'atteigne la surface de la Terre. Dans certaines parties du spectre EM, l'atmosphère est peu ou pas transparente, ces parties ne conviennent donc pas à certaines longueurs d'onde utilisées en RS. Les parties du spectre où la transmission atmosphérique est élevée (en fonction de la longueur d'onde d'intérêt), qui sont spécifiquement utiles pour les applications RS, sont appelées « fenêtres atmosphériques ». Les fenêtres atmosphériques courantes sont visualisées ci-dessous. Diffusion dans l'atmosphère À travers le chemin emprunté par le rayonnement pour traverser l'atmosphère terrestre, une variation de processus physiques se produit qui modifie les ondes EM. Les processus de diffusion et d'absorption (partielle) définissent l'apparence de la Terre et de sa couche environnante et leur modélisation est complexe, alors qu'ils sont les plus pertinents pour les applications de télédétection. Essentiellement, il existe trois types de diffusion : 1) Rayleigh, 2) Mie et 3) non sélective. Pourquoi le ciel est bleu ? – La diffusion de Rayleigh La couleur du ciel tel que nous le voyons est généralement une nuance de bleu. Cela peut être attribué à l'emplacement de la lumière bleue dans la partie visible du spectre EM (environ 0,4 à 0,7 µm ou 400 à 700 nm). En raison de sa très courte longueur d’onde, il est plus susceptible d’être diffusé par les plus petites particules de l’atmosphère. Ceci est également affiché dans la figure c--dessous. Relation entre l'amplitude de diffusion et la longueur d'onde dans l'atmosphère terrestre dans la région de la lumière visible du spectre électromagnétique (Wikipédia, l'image originale a été créée par Robert A. Rohde, CC BY-SA 3.0) En particulier, dans la couche supérieure de l'atmosphère, ce processus appelé « diffusion Rayleigh » (ou « diffusion moléculaire ») est courant. Alors que les longueurs d’onde plus longues traversent simplement les particules, les longueurs d’onde plus courtes présentent une plus grande probabilité d’être diffusées. Les molécules impliquées dans le processus de diffusion ont généralement une taille de 1/10 de longueur d'onde. Le graphique de droite montre pourquoi le bleu est si dominant. L’intensité de la lumière diffusée est plus grande dans la partie bleue du spectre visible. Vous pouvez voir que la quantité de diffusion Rayleigh varie inversement avec la quatrième puissance de la longueur d’onde. Ce mécanisme de diffusion est le plus fort entre 2 et 8 km au-dessus de la surface terrestre, là où la proportion de molécules de gaz est la plus importante. Ciel bleu causé par la diffusion Rayleigh (pexels.com, CC0) Quand les levers de soleil sont plus rouges que d'habitude – Diffusion de Mie Lorsque la taille/diamètre des particules (d) est approximativement égal à la longueur d'onde (λ), un autre processus entre en jeu. Vous pouvez voir ce comportement illustré dans la figure ci-dessous. Lorsque d est égal à λ, la diffusion de Mie se produit Ce processus, appelé diffusion Mie, interagit plus fortement avec des longueurs d’onde plus longues que la diffusion Rayleigh. Dans les zones où la pollution de l'air est plus importante ou où la quantité de fumée et de particules de poussière est plus élevée, une plus grande partie des parties violettes et bleues du spectre EM sera dispersée et les tons rougeâtres seront dirigés vers l'œil. La taille des particules qui conduisent à la diffusion de Mie, telles que les particules de poussière ou de fumée, varie entre 0,1 et 10 fois la longueur d'onde de l'onde EM donnée. Les gouttelettes nuageuses dispersent toutes les longueurs d'onde visibles dans diverses directions (Wikimedia, PD) Pourquoi les nuages apparaissent-ils blancs ? – Diffusion non sélective En descendant encore plus loin dans l'atmosphère, où le diamètre des particules dépasse λ du rayonnement incident par des facteurs > 10, la diffusion non sélective est le troisième processus important se produisant dans l'atmosphère. Cela se produit lorsque les particules sont nettement plus grandes que la longueur d'onde. Par conséquent, les gouttelettes d’eau et les cristaux de glace entraînent une diffusion similaire dans toutes les longueurs d’onde visibles, ce qui donne l’apparence blanche des nuages. Les nuages blancs sont le résultat du mélange de toutes les longueurs d'onde visibles dispersées de même intensité (Wikimedia, CC0 1.0) Absorption dans l'atmosphère Comprendre où notre atmosphère absorbe quelles parties du rayonnement EM est crucial pour pouvoir comprendre le signal reçu par un instrument de télédétection. L’une des principales différences entre l’absorption atmosphérique et la diffusion réside dans la perte effective d’énergie au profit des constituants atmosphériques. L'énergie est directement transférée aux objets ou aux cibles de télédétection. Des molécules comme l’ozone, le dioxyde de carbone ou la vapeur d’eau peuvent réchauffer notre planète en absorbant de l’énergie. Du point de vue de la télédétection, l'objectif principal est d'utiliser des longueurs d'onde qui tendent à éviter les zones dans lesquelles l'absorption est forte. Partout où l'atmosphère présente une transmissivité élevée pour une longueur d'onde entrante, on parle de « fenêtres atmosphériques ». La courbe brune représente l'opacité de l'atmosphère. (ESO 2010, CC BY 4.0) Les grandes fenêtres atmosphériques comprises entre 1 mm et 1 m nous permettent de faire fonctionner des systèmes micro-ondes, que nous appelons capteurs radar. En comparaison, les fenêtres atmosphériques dans les parties multispectrales du spectre EM sont plus étroites. En gardant cela à l’esprit, il convient de faire preuve d’une grande prudence lors de la sélection des instruments RS et trois questions importantes doivent être examinées attentivement : 1.) Quelle est la sensibilité spectrale de mon capteur ? 2.) Quelles fenêtres atmosphériques peuvent être utilisées avec ce capteur ? 3.) Quelles sont la source, l’ampleur et la composition du signal sortant que nous souhaitons analyser ? Nous en reviendrons dans les prochains cours…   Réflexion et absorption au niveau de la surface terrestre Objectifs d'apprentissage de cette section : • Décrire le parcourt de la lumière quand elle arrive au contact de la surface de la terre • Distinguer les types de réflexion de la lumière • Expliquer l’absorption de l’énergie EM par les surfaces naturelles et la notion d’albédo • Décrire comment les différentes cibles ou surfaces d’occupation de sol interagissent avec le rayonnement EM Des chemins de lumière La réflexion signifie que quelque chose est rejeté. Si, par exemple, une balle est lancée contre un mur et qu'elle revient, on pourrait dire qu'elle a été réfléchie. La même chose se produit lorsque la lumière du soleil rencontre la surface de la Terre : elle est réfléchie et peut ainsi être collectée par un capteur de télédétection. Si la lumière entre en contact avec une surface lisse, alors l’angle d’incidence est égal à l’angle de réflexion. Si la lumière entre en contact avec une surface (définie comme une interface entre deux milieux), elle n'est pas nécessairement réfléchie. Il peut traverser la surface (transmission) ou être réfracté (réfraction). En cas de réfraction, la lumière traverse la surface, mais change de direction de propagation. Cependant, les interactions les plus importantes concernant les principes de la télédétection sont la réflexion et l'absorption. Types de réflexion Il existe deux types fondamentaux de réflexion de la lumière, à savoir la réflexion spéculaire et la réflexion diffuse. Le type de réflexion qui se produit dépend toujours de la rugosité de la surface sur laquelle une onde électromagnétique arrive. Dans la nature, de nombreux matériaux et leurs surfaces conduisent à une réflexion mixte, ce qui signifie que certains rayons lumineux sont réfléchis de manière spéculaire et d'autres de manière diffuse. 1. Réflexion spéculaire (semblable à un miroir) : le rayon lumineux rencontre une surface lisse et l'angle d'incidence est identique à l'angle de réflexion. 2. Réflexion diffuse : Le rayon lumineux rencontre une surface rugueuse et est réfléchi de manière égale dans toutes les directions. 3. Réflexion mixte : Le rayon lumineux rencontre une surface très rugueuse et est réfléchi de manière inégale dans toutes les directions. Ce type de réflexion est le plus courant dans la nature ! Types de réflexion (source : EO-college) Absorption et albédo Les surfaces ne réfléchissent pas seulement la lumière ; ils l’absorbent également (partiellement). Au cours du processus d'absorption, l'énergie est absorbée par les molécules d'un corps donné et est ensuite transformée en énergie cinétique. Le mouvement accru des molécules produit de la chaleur qui est rayonnée vers l’environnement. Les principes d'absorption peuvent être observés dans la vie quotidienne : Un t-shirt noir absorbe plus de lumière solaire qu'un t-shirt blanc. C’est la raison pour laquelle nous transpirons davantage en portant une chemise noire quand il fait soleil. L’albédo d'un corps est crucial pour le pourcentage de lumière solaire qu'il absorbe. L'albédo mesure le degré de réflexion des matériaux dans différentes plages spectrales. Un albédo de 100 % indique qu'aucune absorption n'a lieu ; par conséquent, un albédo de 0 % indique l'absence de réflexion. Le tableau suivant répertorie les valeurs d'albédo pour différents matériaux dans le domaine visible de la lumière. Matériel Albédo Neige 80-90% Nuage 60-90% Sable 30% Prairie 20% Forêt 5-18% Béton 15% Eau (angle faible) 22% Eau (angle élevé) 5% Différents types de couverture terrestre et objets ont des valeurs d'albédo très variables Comportement des « cibles » réelles Dans un sujet précédent, nous avons examiné l'impact de l'atmosphère terrestre sur le rayonnement, et vous avez également appris quels types de chemins la lumière peut emprunter au cours de son parcours. Nous allons maintenant examiner comment le rayonnement interagit avec les objets ou, comme on dit dans une perspective de télédétection, les « cibles », pour mieux comprendre ce qui est réellement interprété dans l'imagerie. De manière générale, vous devez toujours garder à l’esprit que la manière dont les objets ou « cibles » réfléchissent ou diffusent le rayonnement électromagnétique dépend toujours de la longueur d’onde utilisée. Les figures ci-dessous sont simplifiées pour donner une idée de la façon dont les différentes surfaces interagissent avec le rayonnement EM. Surfaces pavées et lisses (zones bâties) Les zones bâties ou les routes pavées sont un bon exemple de comportement de réflexion spéculaire. Un autre exemple pourrait être une surface d’eau calme ou des objets en verre/métal. Considérée comme une surface lisse, cette zone réfléchira la majeure partie de l’énergie de sa source d’éclairage avec un angle de réflexion égal à l’angle d’incidence. Une route présentant une réflexion spéculaire Arbres (végétation) Avec une surface « plus rugueuse », un schéma de réflexion plus diversifié s'ensuit. En règle générale, la réflexion diffuse dominera si la longueur d’onde est nettement inférieure à l’objet qu’elle frappe. Comme illustré à droite, un arbre est soumis à différents processus de réflexion. Si des micro-ondes de certaines longueurs d'onde (> 10 cm) le frappent, elles interagiront principalement avec le tronc de l'arbre, car les ondes sont trop grosses pour même reconnaître les feuilles et les branches plus petites. Cependant, la partie visible et proche infrarouge du spectre lumineux interagit également fortement avec les feuilles. Les arbres sont soumis à un certain nombre de mécanismes de diffusion et de réflexion en fonction de la longueur d'onde respective. La manière dont le rayonnement est diffusé dépend toujours de la longueur d’onde utilisée. En y regardant de plus près, nous pouvons également expliquer pourquoi les feuilles paraissent vertes à l’œil humain. La chlorophylle absorbe fortement le rayonnement EM dans le rouge et le bleu, mais reflète la longueur d'onde verte. En télédétection, les canaux proche infrarouge sont bien connus pour leur potentiel de surveillance de la vitalité des plantes, car les structures cellulaires d’une végétation saine sont des réflecteurs diffus qui fonctionnent bien. Bien que la figure ci-dessus montre le comportement du rayonnement EM dans la bande C (longueur d'onde de 6 cm), nous devons garder à l'esprit que ce schéma changera pour différentes longueurs d'onde. Comme indiqué à droite, un arbre, dans ce cas un pin, aura un aspect très différent selon les longueurs d'onde. Réflectivité du pin noir à différentes longueurs d'onde. Source : Le Toan 2007 Plans d'eau L'eau absorbe principalement les longueurs d'onde les plus longues et réfléchit les plus courtes. Par conséquent, les surfaces d’eau, si elles ne contiennent aucune matière organique, apparaîtront noires (ou du moins très sombres). Cependant, l’apparence des surfaces/corps d’eau varie fortement en fonction de la quantité de particules présentes. Un cas très triste mais célèbre illustrant les changements dans le reflet d’une masse d’eau est le rétrécissement de la mer d’Aral, située en Asie centrale entre le Kazakhstan et l’Ouzbékistan. Lorsque les niveaux d'eau étaient élevés, la majeure partie du rayonnement court était absorbée, mais à mesure que les niveaux diminuaient et que l'eau devenait de plus en plus peu profonde, la réflexion augmentait à nouveau (la luminosité augmentait). La teinte verdâtre de l'eau provient des algues et de la chlorophylle qu'elles contiennent. Le rétrécissement de la mer d'Aral en Asie centrale. Voyez comment le littoral diminue constamment entre 1984 (à gauche) et 2018 (à droite) (Wikimedia, Google Earth CC BY 3.0).