OFF-2_I.2 Sources de rayonnement

Résumé

I - QUE PEUT-ON OBSERVER ET COMMENT?

 


2- Quelles sont les sources de rayonnement?

 

Au sens strict, nous rayonnons tous! En effet, chaque objet émet de l'énergie électromagnétique sous forme de rayonnement à cause de l'agitation des particules chargées qui sont présentes dans toute matière. Lorsqu'un atome ou une molécule perd de l'énergie, il ou elle émet un photon contenant exactement la même quantité d'énergie que celle qui a été perdue. Cette énergie est donc émise par les objets, mais elle peut aussi être transmise, absorbée et réfléchie par ces mêmes objets, et ce en proportion différente selon la nature des objets et la longueur d’onde du rayonnement.

La principale source de rayonnement pour nous sur Terre est bien entendu le Soleil. L'intensité du rayonnement solaire varie selon la longueur d’onde mais aussi selon la hauteur du Soleil dans le ciel en fonction de l’heure et des saisons. Lors de la traversée du rayonnement solaire dans l’atmosphère, les gaz et poussières absorbent certaines longueurs d’onde et en atténuent d’autres. Ainsi, en fin de compte, la portion de la surface terrestre que nous voulons observer avec les caméras et les capteurs de nos satellites, avions ou drones est éclairée par un spectre solaire qui a déjà été filtré par le spectre d'absorption de l'atmosphère.

Spectre du rayonnement solaire pour un "corps noir" théorique absorbant tout le rayonnement (jaune), au sommet de l'atmosphère (orange) et au niveau de la mer à une latitude moyenne (noir/arc-en-ciel). Source : Wikimedia commons

Le Soleil émet de la lumière dans presque toutes les parties du spectre électromagnétique, mais la majeure partie de son intensité se situe dans les UV, toute la gamme du domaine visible (ce qui se traduit par une ‘lumière blanche’) et l’infrarouge (du proche infrarouge à l’infrarouge thermique). Comme nous l’avons vu plus haut, une partie du rayonnement solaire qui atteint la Terre est absorbée par l'atmosphère. C'est une chance, car les rayonnements hautement énergétiques tels que les UV sont nocifs pour l'homme. D'autres rayonnements sont diffusés par l'atmosphère, comme certaines parties de la lumière bleue (ce qui explique la couleur bleue du ciel).

La lumière qui atteint finalement la surface de la Terre est soit réfléchie, soit absorbée, en fonction des propriétés du matériau ou de l'objet en question. En ce sens, la Terre n'émet pas de lumière elle-même, mais reflète une partie de la lumière solaire entrante. La lumière absorbée réchauffe partiellement la Terre et est réémise sous forme de rayonnement infrarouge thermique. L'infrarouge thermique n'est pas le seul rayonnement émis par la Terre. Certaines applications de télédétection font bon usage des micro-ondes émises avec une énergie relativement faible, par exemple pour détecter la glace de mer. Comme le Soleil, la Terre émet également des rayonnements de certaines longueurs d'onde, mais bien sûr dans une bien moindre mesure.

Source images originales: Wikimedia Commons,(EPA image - Electromagnetic spectrum.png et Electromagnetic spectrum with sources.svg) et Scientific Committee on Emerging and Newly Identified Health Risks, Light Sensitivity

A côté de ces sources naturelles de rayonnement, il y a les sources de rayonnement artificielles qui proviennent des activités humaines : la lumière artificielle, les ondes radio, les micro-ondes (des antennes de téléphonie mobile, par exemple). Il existe des capteurs d'observation de la Terre qui sont spécifiquement utilisés pour détecter les sources de lumière artificielle pendant la nuit. Ces applications permettent d'étudier les schémas de répartition des populations humaines et les activités économiques.

Avec la télédétection, nous essayons d'étudier et de cartographier l'atmosphère, la surface de la Terre et les océans, de détecter les changements, de surveiller les écosystèmes,…. Nous essayons donc de définir les propriétés de certaines surfaces ou objets cibles, en utilisant des capteurs, des dispositifs qui nous permettent d'observer les réponses des surfaces observées dans certaines parties du spectre électromagnétique et de les convertir en image. Les objets que nous voulons observer doivent donc émettre ou réfléchir des rayonnements, en fonction de leurs différentes propriétés physiques ou chimiques, pour nous permettre de les détecter et de les analyser.

Si l'on observe le rayonnement émis ou réfléchi par les objets eux-mêmes, on parle d'observations passives ou de télédétection passive. Nous pouvons également "illuminer" nous-mêmes la surface de la Terre. Il ne s’agit pas exactement de placer une lampe torche dans un avion ou un satellite, mais en fait, cela y ressemble un peu. Notre "torche" n'émet pas de lumière visible mais des micro-ondes et dans la pratique nous l'appelons "radar". Ces micro-ondes traversent les nuages épais et "irradient" la surface de la Terre, après quoi, tout comme le rayonnement solaire, elles sont partiellement réfléchies vers notre capteur qui enregistre le signal reçu. Nous appelons cette forme de télédétection "télédétection active".

Chacun des deux systèmes, passif ou actif, possède ses avantages et ses inconvénients. Un système passif a besoin d’une source d’illumination extérieure, en l’occurrence le Soleil. Dès lors, il ne peut pas fonctionner la nuit ou lorsqu’il y a des nuages. A titre d’exemple, la Belgique est sous couverture nuageuse totale ou partielle à peu près 70 % du temps. Les observations n’étant possibles que le jour, les périodes d’étude sont donc réduites en moyenne à 15 % du temps total.

A côté de cette limitation du temps d’observation, il y a heureusement des avantages. Tout le spectre solaire filtré par l’atmosphère étant disponible, les gammes de longueurs d’ondes dans lesquelles on peut réaliser des observations sont très larges. Différentes parties du spectre électromagnétique peuvent donc être utilisées. Lorsque les bandes spectrales sont larges et discontinues, les données sont qualifiées de multispectrales ; lorsqu'elles sont étroites et contiguës, elles sont qualifiées d’hyperspectrales.

Un autre avantage des instruments passifs réside dans le fait qu’ils ne consomment pas ou peu d’énergie. Les capteurs passifs sont donc moins chers mais aussi plus légers et de ce fait mieux adaptés à l’observation à partir de drones.


Télédétection passive et active - Source: Wikipedia

Les instruments actifs ne souffrent pas de limitation du temps d’observation. Ils émettent et observent de jour comme de nuit, par temps dégagé ou nuageux. De plus, la longueur d’onde utilisée peut être choisie lors de la conception de l’émetteur. Ainsi, on peut sélectionner une longueur d’onde peu ou pas représentée dans le spectre solaire et peu affectée par le spectre d’absorption de l’atmosphère afin de pouvoir réaliser des observations même par temps nuageux. C’est le cas des capteurs radar qui émettent dans le domaine des micro-ondes.

Un inconvénient important des instruments dits « émetteurs-récepteurs » réside dans le fait qu’ils sont plus lourds et plus énergivores ; ils sont donc embarqués à bord d’avions ou sur des plateformes satellitaires équipées de grands panneaux solaires.

De plus, si la longueur d’onde utilisée a l’avantage de pouvoir être choisie, les observations seront limitées à cette seule longueur d’onde. Pour obtenir des informations relatives à une autre longueur d’onde, il faudra disposer d’un second instrument.