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Ondes électromagnétiques et leur spectre Objectifs d'apprentissage de ce sujet Décrire la structure et l’origine des ondes électromagnétiques Définir les composantes des ondes électromagnétiques Décrire les régions du spectre électromagnétique Identifier sur le spectre, les longueurs d’ondes utiles...

Ondes électromagnétiques et leur spectre Objectifs d'apprentissage de ce sujet Décrire la structure et l’origine des ondes électromagnétiques Définir les composantes des ondes électromagnétiques Décrire les régions du spectre électromagnétique Identifier sur le spectre, les longueurs d’ondes utiles en télédétection Le carburant de la télédétection L'application des capteurs et des méthodes de télédétection repose sur l'existence d'un rayonnement électromagnétique (EM). Qu'il soit mesuré via les émissions d'un objet (réflexion de la lumière solaire) ou que le rayonnement soit activement envoyé depuis un instrument, sans cette source d'énergie, nous ne pouvons pas analyser un signal.  Mais : que sont exactement les « ondes » ? Vous pouvez considérer une onde comme une ondulation en mouvement transportant de l’énergie dans la direction de propagation de l’onde. Un exemple de développement naturel de vagues est celui des vagues d’eau qui se développent après qu’une pierre est jetée dans l’eau. D'autres types d'ondes sont des ondes sonores qui se développent lorsque l'on parle ou lorsqu'une voiture de police passe. Le rayonnement provenant du Soleil se propage sous la forme d' ondes dites électromagnétiques . Ici, les champs électriques et magnétiques sont couplés. Un détour historique : les ondes EM Dans les années 1860 et 1870, le scientifique écossais James Clerk Maxwell a développé une théorie scientifique pour expliquer les ondes électromagnétiques. Il a remarqué que les champs électriques et les champs magnétiques peuvent se coupler pour former des ondes électromagnétiques. Il a résumé cette relation entre l'électricité et le magnétisme dans ce que l'on appelle aujourd'hui les « équations de Maxwell ». Heinrich Hertz, physicien allemand, a appliqué les théories de Maxwell à la production et à la réception des ondes radio. L’unité de fréquence d'une onde radio – un cycle par seconde – est appelée hertz, en l'honneur de Heinrich Hertz. Son expérience avec les ondes radio a résolu deux problèmes. Premièrement, il démontra concrètement ce que Maxwell avait seulement théorisé : la vitesse des ondes radio était égale à la vitesse de la lumière. Cela prouve que les ondes radio sont une forme de lumière. Deuxièmement, Hertz a compris comment faire en sorte que les champs électriques et magnétiques se détachent des fils et se libèrent sous forme d'ondes de Maxwell – des ondes électromagnétiques. Vue structurelle sur une onde EM Comme illustré à droite, une onde EM se compose d'un champ électrique (E, bleu) et d'un champ magnétique (B, rouge). L'ampleur du champ électrique varie dans la direction perpendiculaire à celle du sens de déplacement. Un champ magnétique correspondant est orienté perpendiculairement au champ électrique. Les deux champs se déplacent à la vitesse de la lumière (~300 000 km/s). Onde électromagnétique avec un champ électrique (bleu) et un champ magnétique (rouge) (wikimedia.org, CC BY-SA 4.0) Comment décrivons-nous une vague EM ? Les termes lumière, ondes électromagnétiques et rayonnement font tous référence au même phénomène physique : l'énergie électromagnétique. Cette énergie peut être décrite par la fréquence (f), la longueur d'onde (λ) et la vitesse de la lumière (c). Tous les trois sont liés mathématiquement, de sorte que si vous en connaissez deux, vous pouvez calculer la troisième variable manquante à l'aide de cette équation suivante : Ainsi, les ondes EM peuvent être décrites à travers les caractéristiques de deux paramètres :  la longueur d'onde et  la fréquence . Les deux sont étroitement corrélés (inversement) et dépendent l’un de l’autre. Longueur d'onde Les ondes électromagnétiques ont des crêtes et des creux semblables à ceux des vagues océaniques. La distance entre les crêtes est appelée « longueur d’onde (wave length en anglais) » et est désignée par le symbole λ. Les longueurs d’onde les plus courtes ne représentent que des fractions de la taille d’un atome, tandis que les longueurs d’onde les plus longues que les scientifiques étudient actuellement peuvent être supérieures au diamètre de notre planète. Fréquence Le nombre de crêtes qui franchissent un point donné en une seconde est décrit comme la fréquence de l'onde. Une onde avec un cycle par seconde a une fréquence d'un hertz (Hz). Hertz est l'unité physique de fréquence, du nom de Heinrich Hertz qui a établi l'existence des ondes radio. Une onde comportant deux cycles qui franchissent un point en une seconde a une fréquence de 2 Hz. L'amplitude est une autre variable importante. Il est défini comme le déplacement maximal d'une oscillation harmonique par rapport à la position de la moyenne arithmétique représentée par l'axe z, comme le montre la figure ci-dessous. Longueur et amplitude d'onde Avec ces trois mesures (longueur d'onde, amplitude, fréquence), vous êtes désormais en mesure de décrire une onde EM. Le spectre du rayonnement EM L'énergie électromagnétique se propage par ondes et couvre un large spectre allant des ondes radio très longues aux rayons gamma très courts.  L'œil humain ne peut détecter qu'une petite région de ce spectre appelée lumière visible. Une radio détecte une région différente du spectre et un appareil à rayons X utilise encore une autre région. Les instruments scientifiques utilisés en télédétection peuvent détecter toute la gamme du spectre électromagnétique pour étudier la Terre, le système solaire et l’univers au-delà. Un schéma du spectre électromagnétique avec indication des longueurs d'onde, des fréquences et des énergies (ESA 2019). La figure ci-dessus montre les différentes régions du spectre électromagnétique, y compris leurs noms, longueurs d'onde et fréquences. Il décrit également l’échelle des objets/organismes qui peuvent interagir avec la longueur d'onde donnée et comment la vie en est influencée. Gardez à l’esprit que chaque région du rayonnement EM, qu’il soit à ondes courtes ou longues, correspond à une distance que nous pourrions mesurer pour indiquer pourquoi certains objets en sont plus influencés que d’autres. Le spectre électromagnétique s'étend des courtes longueurs d'onde (dont font partie les rayons gamma et les rayons X) aux grandes longueurs d'onde (micro-ondes et ondes radio). La télédétection utilise plusieurs régions du spectre électromagnétique : l’ultraviolet, le visible, l’infrarouge et les hyperfréquences (micro-ondes et radio). Les ultraviolets Les plus petites longueurs d'onde utilisées pour la télédétection se situent dans l'ultraviolet. Ce rayonnement se situe au-delà du violet de la partie du spectre visible. Certains matériaux de la surface terrestre, surtout des roches et minéraux, entrent en fluorescence ou émettent de la lumière visible quand ils sont illuminés par un rayonnement ultraviolet. Domaine du visible La lumière que nos yeux (nos tout premiers "capteurs de télédétection") peuvent déceler se trouve dans ce qui s'appelle le "spectre visible". Il est important de constater que le spectre visible représente une bien petite partie de l'ensemble du spectre. Une grande partie du rayonnement électromagnétique qui nous entoure est invisible à l'oeil nu, mais il peut cependant être capté par d'autres dispositifs de télédétection. Les longueurs d'onde visibles s'étendent de 0,4 à 0,7 µm. La couleur qui possède la plus grande longueur d'onde est le rouge, alors que le violet a la plus courte. Les longueurs d'onde du spectre visible que nous percevons comme des couleurs communes sont énumérées ci-dessous. Il est important de noter que c'est la seule portion du spectre que nous pouvons associer à la notion de couleurs. Violet: 04 - 0,446 µm Bleu: 0,446 - 0,500 µm Vert: 0,500 - 0,578 µm Jaune: 0,578 - 0,592 µm Orange: 0,592 - 0,620 µm Rouge: 0,620 - 0,7 µm Le bleu, le vert et le rouge sont les couleurs (ou les longueurs d'onde) primaires du spectre visible. Une couleur primaire ne peut être créée par deux autres couleurs, mais toutes les autres couleurs peuvent être créées en combinant les couleurs primaires. Même si nous voyons la lumière du Soleil comme ayant une couleur uniforme ou homogène, en réalité, elle est composée d'une variété de longueurs d'onde dans les parties de l'ultraviolet, du visible, et de l'infrarouge du spectre. La portion visible de ce rayonnement se décompose en ses couleurs composantes lorsqu'elle traverse un prisme. Le prisme réfracte la lumière de façon différente en fonction de la longueur d'onde. Domaine de l’infrarouge Examinons maintenant la partie de l'infrarouge (IR) du spectre. L'infrarouge s'étend approximativement de 0,7 à 100 µm, ce qui est un intervalle environ 100 fois plus large que le spectre visible. L'infrarouge se divise en deux catégories : IR réfléchi et IR émis ou thermique. Le rayonnement dans la région de l'infrarouge réfléchi est utilisé en télédétection de la même façon que le rayonnement visible. L'infrarouge réfléchi s'étend approximativement de 0,7 à 3 µm. L'infrarouge thermique est très différent du spectre visible et de l'infrarouge réfléchi. Cette énergie est essentiellement le rayonnement qui est émis sous forme de chaleur par la surface de la Terre et s'étend approximativement de 3 à 100 µm. Hyperfréquences Depuis quelques temps, la région des hyperfréquences suscite beaucoup d'intérêt en télédétection. Cette région comprend les plus grandes longueurs d'onde utilisées en télédétection et s'étend approximativement de 1 mm à 1 m. Les longueurs d'onde les plus courtes possèdent des propriétés semblables à celles de l'infrarouge thermique, tandis que les longueurs d'onde les plus grandes ressemblent aux ondes radio. Cette illustration décrit le lien entre les longueurs d’onde et la fréquence du spectre électromagnétique dans les hyperfréquences. Elle révèle que les hyperfréquences se situent dans les longueurs d’onde variant entre dix exposant moins trois mètres, et un mètre. En termes de fréquences, elles s’étalent entre zéro point trois gigahertz et 40 gigahertz. Les hyperfréquences sont divisées en plusieurs sous-groupes appelés bandes Ka, K, Ku,X,C,S,L et P. Bon à savoir La « teinte » et la « saturation » sont deux caractéristiques indépendantes de la couleur. La « teinte » réfère à la longueur d'onde de la lumière, ce que nous appelons habituellement la couleur. La « saturation » est une mesure de la pureté de la couleur et indique la quantité de blanc mélangée à la couleur. Par exemple, la couleur « rose » peut être considérée comme de la couleur « rouge » qui n'est pas saturée. Ressources utiles AWF-Wiki (2013). Electromagnetic Radiation. <http://wiki.awf.forst.uni-goettingen.de/wiki/index.php/Electromagnetic_radiation> Centre for Remote Imaging, Sensing & Processing (CRISP) (2001). Principles of Remote Sensing. <https://crisp.nus.edu.sg/~research/tutorial/rsmain.htm>. Elachi, C. & van Zyl, J. (2015²). Introduction to the Physics and Techniques of Remote Sensing. Hoboken, USA: John Wiley & Sons, Inc. European Space Agency (ESA). (2019). Educational Support. The Electromagnetic Spectrum. <https://sci.esa.int/web/education/-/50368-the-electromagnetic-spectrum>. Jensen, J.R. (2007²). Remote Sensing of the Environment. An Earth Resource Perspective. Upper Saddle River, USA: Pearson Prentice Hall. Rees, W.G. (2010²). 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