OFF-1_I.1 Rayonnement éléctromagnétique

Résumé

I - QUE PEUT-ON OBSERVER ET COMMENT?

 

 


1- Rayonnement électromagnétique

 

La lumière est une forme de rayonnement : une énergie qui se déplace sous forme d'ondes électromagnétiques (EM). On peut décrire ces ondes énergétiques par :

  • la longueur d'onde (λ), exprimée en mètres ;
     
  • la fréquence (ν), qui est le nombre d'oscillations par unité de temps, exprimée en hertz ;
     
  • l'énergie (E), représentée par l'amplitude de l'onde, exprimée en électronvolts.

Une onde électromagnétique est caractérisée par sa longueur d'onde (distance entre deux pics consécutifs), sa fréquence (nombre de cycles par seconde) et son amplitude (intensité du signal). Source image originale: Quizlet.com.

Ces trois grandeurs utilisées pour décrire le rayonnement EM sont reliées entre elles par des équations linéaires. Par exemple, λ et ν sont inversement proportionnels et liés à la vitesse à laquelle les ondes se propagent dans un certain milieu. Dans le vide, c'est la vitesse de la lumière (c).

λ.ν=c

L'énergie qu'une onde contient est directement liée à sa fréquence selon la constante de Planck (h) :

E=h.ν

h = 6,626×10-34 J.s

Les ondes longues ont une fréquence plus basse et sont donc moins énergétiques que les ondes courtes, qui ont une fréquence plus élevée. Vous pouvez comprendre cela intuitivement en imaginant une corde à sauter que quelqu'un fait monter et descendre à chaque extrémité. Il faudra déployer plus d'efforts (et donc plus d'énergie) pour obtenir plus de vagues dans la corde.


 

Représentation d'un mouvement harmonique simple (onde sinusoïdale). Source: Wikimedia Commons

Mais pourquoi utilisons-nous trois grandeurs différentes (λ, ν, E), chacune avec sa propre unité physique, pour décrire la même onde? Le choix de l’une ou l’autre grandeur dépendra en réalité de l'application.

Il existe de nombreux types de rayonnements différents et les scientifiques choisissent les grandeurs les plus faciles à manipuler pour le type de rayonnement qu'ils étudient. Si vous voulez indiquer la distance jusqu'à la boulangerie, vous utiliserez les kilomètres ou les mètres comme unités de mesure et non les centimètres ou les millimètres. Par exemple, les radioastronomes parleront souvent de fréquences (GHz, KHz), les spécialistes de la télédétection de longueurs d'onde (micromètre ou nanomètre), tandis que les astronomes qui étudient les rayons gamma utiliseront plutôt les électronvolts.

Quels sont les différents types de rayonnement électromagnétique et quelles parties de ce large spectre présentent un intérêt pour la télédétection?

Le spectre électromagnétique. Source image originale: Mini Physics, modifiée par l'IRM

Toute la gamme des rayonnements classés selon la longueur d'onde, la fréquence ou l'énergie est appelé "spectre électromagnétique".

Pour nous, les humains, une petite partie de ce spectre revêt une importance toute particulière ; il s'agit de la lumière visible, dont les longueurs d'onde varient entre 0,4 μm et 0,7 μm. Nos yeux interprètent ces différentes longueurs d'onde comme des couleurs, allant du bleu (± 0,45 μm) au rouge (± 0,65 μm) en passant par le vert (± 0,55 μm).

Si nous divisons le reste du spectre électromagnétique en fonction de la longueur d'onde, nous pouvons distinguer d'autres zones. Les ondes courtes, comme les rayons gamma et les rayons X (< 0,03 μm), sont les plus énergétiques. De l'autre côté du spectre, les ondes radio sont relativement très longues (> 1 m) et émettent donc moins d'énergie. L'observation de la Terre utilise principalement la lumière visible et certaines parties des domaines de l'infrarouge et des micro-ondes.


Onde électromagnétique polarisée verticalement : le champ électrique (en rouge) et le champ magnétique (en bleu) sont à angle droit l’un de l’autre et perpendiculaires à la direction de propagation.- Source: Wikimedia Commons

A la longueur d’onde ou à la fréquence, on peut ajouter une autre caractéristique : la polarisation. La polarisation est le plan dans lequel se propage l’onde considérée. En d’autres mots, c’est le plan dans lequel est dessinée la sinusoïde illustrée ci-dessous. On parle de polarisation linéaire lorsque ce plan est fixe, le long de la direction de propagation de l’onde. Si ce plan change durant la propagation, on aura affaire à une polarisation circulaire ou elliptique.