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102 La Météorologie - n° 97 - mai 2017Te
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Glossaire des grandeurs radiativesPhilippe DubuissonLaboratoire d’optique atmosphérique,Université de Lille scienceset technologies, Villeneuve d’Ascq
Bilan radiatif à l’échelle globale au sommet de l’atmosphère pour septembre 2012, estimé à partirde l’instrument spatial Ceres de la Nasa embarqué sur le satellite Suomi NPP de la Noaa. On vérifieque le bilan radiatif est positif près de l’équateur, mais négatif près des pôles. Source :http://ceres.larc.nasa.gov/press_releases.php
Albédo[α] (albedo) [sans unité ou %]Fraction de rayonnement incidentréfléchi par une surface dans toutes lesdirections de l’hémisphère et intégrésur l’ensemble du spectre solaire.
Les surfaces très réfléchissantes tellesque la glace ou la neige ont un albédocompris entre 0,6 et 0,9. L’albédo estinférieur à 0,2 pour les surfaces plussombres, comme l’eau, le sol ou lesforêts de conifères. L’albédo planétaireest défini, quant à lui, comme la fractionde l’éclairement solaire incident ausommet de l’atmosphère qui est réfléchievers l’espace. La Terre présente unalbédo de l’ordre de 0,3, majoritairementdû à l’atmosphère.
Bilan radiatif(radiative budget) [Wm–2]Différence entre l’énergie radiativegagnée et celle perdue par le systèmeclimatique.
Le bilan radiatif global de la Terre ausommet de l’atmosphère est équilibré(ou presque). À la surface, le bilanénergétique doit aussi prendre encompte les flux de chaleur sensible (parconduction) et latente (par évaporationet sublimation) vers l’atmosphère.
Coefficient de rétrodiffusion : (Image supérieure) profil vertical du coefficient de rétrodiffusion βλ [(km sr)–1] à 532 nm en fonction du temps mesurépar le lidar Caliop, embarqué sur le satellite Calipso, le 15 juin 2006 pour un système nuageux convectif au-dessus du golfe de Guinée. Le profil verticalde βλ met en évidence des nuages hauts semi-transparents vers 15 km d’altitude, ainsi que des aérosols et nuages à basse altitude en bordure de cesystème nuageux. Un fort βλ (rouge/gris sur l’échelle de couleur) correspond à une forte densité de particules. Par contre, les zones en bleu foncé (βλnul ou très faible), sous les nuages hauts, indiquent la présence de nuages convectifs très denses, situés sous les nuages semi-transparents et que lefaisceau lidar ne peut traverser. Ces nuages convectifs sont par contre bien visibles sur les profils verticaux de puissance radar rétrodiffusée (rouge/rosepour les forts contenus en eau) mesurés par le radar CPR sur le satellite Cloudsat (image inférieure). Source : Aeris/Icare, Nasa/Cnes.
Coefficient de rétrodiffusion[βλ] (backscatter coefficient) [m–1sr –1]Grandeur caractérisant la capacité d’unecible à renvoyer une partie de l’énergieincidente dans la direction de l’émetteur.Le coefficient de rétrodiffusion permet,par exemple, d’étudier la structure desnuages dans l’atmosphère. Il peut aussiêtre utilisé pour l’étude des surfaces, parexemple pour fournir une informationsur la répartition de la glace continentaleou sur une surface d’hydrocarbure enmilieu océanique.
C e glossaire présente lesprincipales grandeursradiatives utilisées en
télédétection spatiale. Cesgrandeurs sont présentées sous laforme suivante : nom d’usage enfrançais [symbole] (terme enanglais) [unité]. Les grandeursdépendant de la longueur d’ondesont présentées avec un indice λ.
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Coefficient d’extinction[αλ] (extinction coefficient) [m–1]Grandeur caractérisant la capacité d’unmilieu matériel à atténuer le rayonnementincident et résultant de la superpositiondes propriétés d’absorption et dediffusion de ce milieu. Le coefficientd’extinction permet le calcul del’épaisseur optique et de la transmissionatmosphérique.
Densité de flux radiatif[Fλ] (radiant flux density) [Wm–2]Énergie radiative traversant un élémentde surface par unité de temps. Onutilisera généralement le termeéclairement (irradiance) au lieu dedensité de flux lorsque le rayonnementest incident et émittance (exitance) si lerayonnement émerge d’une surface.
La densité de flux radiatif Fλ secalcule en intégrant la luminance Lλ danstoutes les directions d’un hémisphère.Elle est généralement notée Fλ
+ pour lerayonnement atmosphérique montant(hémisphère supérieur) et Fλ
– pour celuidescendant (hémisphère inférieur). Si laluminance est indépendante de ladirection (rayonnement dit isotrope),l’intégration donne Fλ = π Lλ.
Densité de flux radiatif net[Fλ
net] (net radiant flux density) [Wm–2]Différence entre les densités de fluxradiatifs hémisphériques montant(hémisphère supérieur) et descendant(hémisphère inférieur), tous deux définiscomme positifs : Fλ
net = Fλ+ – Fλ
–.
Émissivité[ελ] (emissivity) [sans unité]Rapport de la luminance spectrale Lλémise par une surface et celle du corpsnoir Bλ à la même température :
Lλ (T)ελ = ––––––Bλ (T)
Pour un corps noir, ελ = 1. Un corpsnoir est donc un milieu idéal dont lespectre électromagnétique émis nedépend que de la température, selon laloi de Planck, absorbant toute l’énergieradiative qu’il reçoit, sans en réfléchirni en transmettre. Pour un corpsquelconque, ελ est compris entre 0 et 1.Un corps pour lequel l’émissivité estindépendante de la longueur d’onde estqualifié de corps gris.
Épaisseur optique[τλ] (optical thickness) [sans unité]Grandeur caractérisant le degré detransparence d’un milieu. Elle est définieà partir du rapport de la luminance durayonnement Lλ à la sortie du milieu etcelle L0λ du rayonnement incident àl’entrée du milieu, de telle manière queτλ= – ln(Lλ/L0λ).
Elle est nulle si le milieu est transparentet égale à l’inf ini pour un milieuopaque. C’est l’un des paramètres lesplus souvent utilisés pour l’étude desparticules atmosphériques partélédétection, car sa valeur contient à lafois l’information sur la quantité departicules le long du trajet optique etsur leur pouvoir d’extinction :
τλ = τabs,λ + τdif,λ = τext,λavec respectivement τabs,λ, τdif,λ, et τext,λ,les épaisseurs optiques d’absorption, dediffusion et d’extinction.
FluorescenceProcessus au cours duquel une moléculeabsorbe l’énergie d’un rayonnementincident et la restitue rapidement sousforme d’un rayonnement à une longueurd’onde plus grande. L’absorption durayonnement incident provoque en effetl’excitation des molécules, qui seretrouvent alors dans un état d’énergieexcité immédiatement suivi d’uneémission lumineuse spontanée lors duretour des molécules à leur étatd’énergie fondamental. La mesure dela fluorescence permet ainsi decaractériser la matière, par exemplepour la végétation (entre 650 et800 nm), en apportant des informationssur son état physiologique (stress,rendement photosynthétique, etc.).
Fonction de distribution deréflectance bidirectionnelle[ρλ(Ωr,Ωi)] (bidirectional reflectancedistribution function ou BRDF)[sans unité]Rapport de la radiance réfléchie dLλ
r
(Ω r) dans l’angle solide élémentaireautour de la direction de réflexion (Ωr)et de l’éclairement incident dF λ
i (Ω i)sur la surface réfléchissante considéréecomme plane et dont la normale fait unangle θi avec la direction du rayonnementincident :
dLλr (Ωr) dLλ
r (Ωr)ρλ(Ωr,Ωi)= ––––––– = –––––––––––––dFλ
i (Ωi) Lλi (Ωi) cos θi dΩi
les indices i et r faisant référencerespectivement au rayonnement incidentet réfléchi. La BRDF est donc fonctionde quatre variables : les angles zénithauxet azimutaux du rayonnement incident etréfléchi.
Grandeur spectraleGrandeur radiative définie dans un petitintervalle spectral dλ autour de lalongueur d’onde λ. Par exemple, laluminance L [Wm–2sr–1] intégrée surune bande spectrale donnée [λ1, λ2] estcalculée en sommant la luminancespectrale Lλ [Wm–2sr–1m–1] sur toutesles longueurs d’onde comprises entreλ1 et λ2, soit :
λ2
L = Lλ dλλ1
Indice de végétationpar différence normalisé[NDVI] (normalized differencevegetation index) [sans unité]Formulation simple permettant decaractériser l’état de la végétation àpartir d’une combinaison spectrale demesures satellitaires. L’indice le plusconnu est le NDVI, qui est fondé sur laforte augmentation de la réflectance dela végétation entre 630 et 750 nm(partie du spectre nommée red edge). Ilest déf ini comme le rapport d’unecombinaison de réflectances mesuréesdans la partie rouge du spectre visible(VIS) et dans le proche-infrarouge(PIR) :
ρPIR – ρVISNDVI = ––––––––––
ρPIR + ρVISSa valeur est comprise entre –1 (pas devégétation) et +1 (végétation trèsabondante). Les valeurs négativescorrespondent aux surfaces telles quel’eau, la neige ou les couverturesnuageuses. Les couverts végétaux ont,quant à eux, des valeurs de NDVIgénéralement comprises entre 0,1 et0,7. De plus, le NDVI est souventcorrélé à l’état des plantes et à leurspropriétés.
Indice de différencenormalisé de neige[NDSI] (normalized difference snowindex) [sans unité]Formulation semblable au NDVI etutilisée pour la télédétection de laneige. Le NDSI se fonde sur lesvariations spectrales de la réflectance
∫
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dépend que de la température, selon laloi de Planck, absorbant toute l’énergieradiative qu’il reçoit, sans en réfléchir nien transmettre. Le rayonnement émis parun corps noir n’est pas polarisé et estisotrope.
Luminance énergétique[L] (radiance) [Wm–2sr–1]Puissance (énergie par unité de temps)du rayonnement reçu ou émis dans unedirection spécif ique, par unité desurface et par unité d’angle solide (lestéradian, sr, étant l’unité d’anglesolide).
PolarisationLa polarisation correspond à la directiondu champ électrique E du rayonnementélectromagnétique. Si la direction duchamp E est aléatoire au cours du tempset équiprobable dans son orientation, le
rayonnement est dit non polarisé. Lapolarisation est rectiligne si E garde unedirection déterminée au cours de lapropagation, circulaire si l’extrémitédu champ électrique E décrit un cercleet elliptique si c’est une ellipse (cedernier cas étant le plus courant). Lalumière naturelle provenant du soleiln’est pas polarisée, mais elle peut ledevenir par diffusion ou réflexion parune surface, un nuage ou un panached’aérosols.
Réflectance[ρλ] (reflectance) [sans unité ou %]Proportion de lumière réfléchie par unesurface dans une direction donnée.
La réflexion est dite spéculaire si laréflectance est nulle dans toutes lesdirections sauf autour d’une directionprivilégiée (exemple : réflexionspéculaire du rayonnement solaire surla surface de la mer). La réflexion estdiffuse si la lumière est réfléchie dansun grand nombre de directions. Unesurface est qualifiée de lambertiennelorsque sa réflectance est indépendantede la direction d’observation. Dans lecas contraire, on quantifie la réflexion àl’aide de la fonction de distribution deréflectance bidirectionnelle (BRDF).Notons que l’on définit en télédétectionla réflectance apparente, à partir de laluminance Lλ mesurée par satellite,comme :
πLλρλ= ––––––––Fs cos θs
avec Fs l’éclairement solaire au sommetde l’atmosphère et θs l’angle solairezénithal. La réflectance ρλ se distinguede l’albédo α par son caractèredirectionnel.
[ ( ) ]
Loi de Planck : Courbes d’émission du corpsnoir pour des températures proches de cellesrencontrées à la surface du Soleil (5 800 K,pointillés), d’une flamme (1 000 K, tiretés) etde la Terre (300 K, trait plein).
de la neige, les surfaces enneigéesapparaissant à la fois très claires dansle visible (VIS) et sombres dans lemoyen infrarouge (MIR). Le NDSI estdéfini comme :
ρVIS – ρMIRNDSI = ––––––––––
ρVIS + ρMIR
Indice de réflectancephotochimique[PRI] (photochemical reflectance index)[sans unité]Formulation semblable au NDVI etutilisée comme indicateur desprocessus de photoprotection. Il permetd’apporter une information sur laréponse des couverts végétaux à unstress. Utilisé pour estimer la santé desécosystèmes à partir de mesuressatellitaires, il est défini comme :
ρ531 – ρ570PRI = ––––––––––
ρ531 + ρ570
Loi de PlanckLa radiance énergétique spectrale Lλ(T)émise par un corps noir, notéeégalement dans ce cas Bλ(T), suit la loide Planck qui définit la répartition de laluminance du rayonnement thermiquedu corps noir en fonction de satempérature thermodynamique et de lalongueur d’onde, sous l’hypothèse del’équilibre thermodynamique entre lecorps noir et son rayonnement :
2hc2Lλ(T)= ––––––––––––– [Wm–2sr–1m–2]
hcλ5 exp –––– –1λkT
avec k la constante de Boltzmann. Uncorps noir est donc un milieu idéal dontle spectre électromagnétique émis ne
Luminance énergétique. Spectre en luminance de l’atmosphère (traitplein), tel qu’il serait observé au sommet de l’atmosphère pour uneatmosphère standard des latitudes moyennes au-dessus d’une surfacenoire de température égale à 288 K. La fonction de Planck est égalementreportée pour des températures variant entre 200 et 290 K (traitspointillés). Nous pouvons remarquer sur cette figure que les luminancessimulées au sommet de l’atmosphère dans la région comprise entre desnombres d’onde de 800 et 1 200 cm–1 correspondent à des températuresde brillance TB souvent proches de 290 K. En effet, cet intervalle spectralcorrespond à une partie du spectre relativement transparente pour lerayonnement, pour laquelle l’absorption gazeuse est globalement faible.La luminance observée est donc principalement celle émise par la surface,faiblement absorbée par l’atmosphère. Les TB équivalentes simulées ausommet de l’atmosphère (matérialisées par les traits pointillés) sont doncproches de la température de la surface. Par contre, le pic d’absorptionobservé pour des nombres d’onde compris entre 1 000 et 1 100 cm–1
(soit vers une longueur d’onde de 9,6 µm) correspond à la banded’absorption de l’ozone et donc à des TB plus froides (l’ozone étant trèsmajoritairement situé à haute altitude).
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Réflectivité[Z] (reflectivity factor) [dBZ]La réflectivité mesure l’efficacité aveclaquelle l’énergie émise par un radarmétéorologique est rétrodiffuséepar des hydrométéores (pluie, neige,etc.) vers ce radar. Du fait de sagrande variabilité, la réflectivité estgénéralement exprimée en décibels(dBZ) comme
Z10 log –––– ,
Z0avec Z0 la réflectivité de référence enatmosphère claire. La réflectivité est lamesure usuelle faite par les radarsmétéorologiques.
Résolution spectraleLa résolution spectrale d’un instrumentdéf init la capacité de sa mesure àdistinguer deux longueurs d’ondedifférentes. En spectroscopie, il estcourant de qualifier de haute résolutionspectrale toute mesure présentant unerésolution de l’ordre de grandeur dela largeur Doppler des raies. Pluslargement, et c’est le cas des analyses desabsorptions gazeuses par télédétectioninfrarouge, on considérera que laterminologie haute résolution spectralepourra s’appliquer aux mesurespermettant de résoudre les structuresrovibrationnelles des molécules.
Spectre électromagnétiqueRépartition des ondes électromagnétiquesen fonction de leur longueur d’onde [m],de leur fréquence [Hz] ou de leurnombre d’onde [cm–1].
Une onde électromagnétique est définiepar sa fréquence ν [s–1 ou Hz] = 1/T,avec T la période [s], et son énergie E =hν, h étant la constante de Planck. Selonla nature du milieu dans lequel sepropage l’onde électromagnétique, onpeut définir la longueur d’onde λ, reliée
à la fréquence par la relation λ = v/ν,avec v = c/n la vitesse de propagation del’onde, n l’indice de réfraction du milieuet c la vitesse de la lumière dans levide (pour lequel n = 1). La longueurd’onde est généralement exprimée ennanomètres ou micromètres dans levisible et le proche infrarouge. Dansl’infrarouge, il est d’usage d’utiliser lenombre d’onde ~ν. La longueur d’onde etle nombre d’onde sont liés par la formule~ν = 1/λ, avec les relations de conversionsuivantes : ~ν [cm–1] = 104/λ [µm] et∆~ν/~ν = ∆λ/λ, avec ∆λ et ∆~ν les passpectraux. La radiance peut égalementêtre exprimée par unité de nombred’onde [Wm–2 sr–1(cm–1)–1], avec larelation de conversion : L d~ν = Lλdλ.
Température de brillance[TB,λ] (brightness temperature) [K]Température du corps noir émettant lamême luminance que celle de l’objetobservé.
( )
~ν
Signature spectrale(spectral signature)Quantité d’énergie émise ou réfléchie enfonction de la longueur d’onde, propre àune cible (surface, nuages, aérosols) etqui permet son identification à partird’observations satellitaires.
Spectre électromagnétique. Principales caractéristiques en fonction de l’utilisation en télédétection
Région spectrale VHF UHF Microondes Infrarouge Visible Ultraviolet
Transitions RMN RPE Transitions rotationnelles Transitions vibrationnelles Transitions électroniques
Nombre d’onde (cm–1) 0,017 1,0 10 1 000 20 000 40 000
Longueur d’onde 0,6 m 1 cm 1 mm 10 µm 500 nm 250 nm
Fréquence (Hz) 5 x 108 3 x 1010 3 x 1011 3 x 1013 6 x 1014 1,2 x 1015
Applications Fréquences radar : Spectroradiométrie : spectrométrie Photopolarimétrie : nuages et aérosols,principales Profil H2O et nuages, vitesse du vent, et profil vertical des gaz, réflectance des surfaces,en télédétection altitude de la surface propriétés des nuages et aérosols O3, gaz en traces
RMN : résonance magnétique nucléaire ; RPE : résonance paramagnétique électronique ; VHF : très hautes fréquences ; UHF : ultra hautes fréquences
Température de brillance. Image entempérature de brillance TB du cyclone Ivan,capturée par Modis/Terra dans le canal infrarouge31 (à 11 µm) le 10 septembre 2004 au norddu Venezuela. L’œil du cyclone est visible au centredu tourbillon, grâce au fort contraste entre lesommet des nuages (en bleu foncé sur l’image,correspondant à des TB très froides) et l’œilbeaucoup plus chaud. Il est même possiblede voir sur l’image originale quelques pixelsrouges au centre de l’œil, correspondant aux TBplus chaudes de la surface. Source : Nasa,https://disc.gsfc.nasa.gov/additional/gallery/ivan/
Signatures spectrales de divers types desurface, présentées à partir de spectres deréflectance lambertienne.
