Glossaire de la transmission atmosphérique

La transmission atmosphérique—le passage du rayonnement électromagnétique à travers l’atmosphère terrestre—détermine l’intensité, la couleur et la composition spectrale de la lumière solaire et d’autres sources radiatives observées depuis le sol ou par des capteurs en altitude. Ce glossaire couvre les concepts fondamentaux, les processus physiques, les techniques de mesure et les normes de référence en météorologie, astronomie et télédétection.

Transmission atmosphérique

La transmission atmosphérique est la proportion de rayonnement électromagnétique qui traverse l’atmosphère sans être absorbé ni diffusé hors de la ligne directe entre la source et l’observateur. Ce phénomène est gouverné par l’interaction de la lumière avec les molécules atmosphériques (gaz), les aérosols et les nuages, qui entraînent une atténuation par absorption et diffusion.

La transmission s’exprime par un rapport allant de 0 (opacité totale) à 1 (transparence parfaite) et varie selon la longueur d’onde, la composition atmosphérique et la distance parcourue par la lumière. En traversant l’atmosphère, la lumière rencontre des gaz comme l’azote, l’oxygène, l’ozone, la vapeur d’eau et le dioxyde de carbone, chacun présentant des propriétés d’absorption à des longueurs d’onde spécifiques. Les aérosols et hydrométéores introduisent une atténuation et une diffusion supplémentaires, dont la concentration peut varier considérablement selon les événements naturels ou l’activité humaine.

Le résultat global est un spectre de transmission dépendant de la longueur d’onde qui module la couleur et la brillance de la lumière solaire, l’efficacité de la télédétection et la qualité des observations astronomiques. Les données de référence sur la transmission atmosphérique sont publiées par l’OACI, l’OMM et la NASA, assurant une cohérence mondiale pour les applications scientifiques et opérationnelles.

Spectre électromagnétique

Le spectre électromagnétique couvre toutes les fréquences du rayonnement électromagnétique, des rayons gamma aux ondes radio. La transmission atmosphérique dépend fortement de la longueur d’onde :

• Ultraviolet (UV, 100–400 nm) : Fortement absorbé par l’ozone, qui protège la vie sur Terre en filtrant le rayonnement nocif.
• Visible (400–700 nm) : Région de transparence maximale ; la lumière solaire atteint efficacement la surface, permettant la photosynthèse et la vision humaine.
• Proche infrarouge (NIR, 700 nm–2,5 μm) : Absorption modérée par la vapeur d’eau et le CO₂ ; important pour le suivi de la végétation et l’imagerie thermique.
• Infrarouge thermique (3–30 μm) : Dominé par l’absorption de la vapeur d’eau et du CO₂, sauf « fenêtre infrarouge » (8–14 μm) où la transmission est plus élevée.
• Micro-ondes et radio : Certaines fenêtres (par ex. 1 cm–11 m) sont relativement transparentes, favorisant la radioastronomie terrestre et la communication satellitaire.

Les tableaux de l’Annexe 3 de l’OACI et des guides de l’OMM fournissent des valeurs de transmission de référence à des longueurs d’onde standard pour les usages opérationnels et de recherche.

Photométrie

La photométrie est la science de la mesure de la lumière visible selon la sensibilité visuelle humaine. Les mesures photométriques sont directement affectées par la transmission atmosphérique, car l’intensité lumineuse détectée au sol est réduite par l’absorption et la diffusion le long de son trajet.

Instruments :

• Photomètres solaires : Mesurent l’irradiance solaire directe afin de déduire la profondeur optique des aérosols (AOD) et la teneur en vapeur d’eau.
• Télésphotomètres visuels : Évaluent la visibilité nocturne et la transmission sur de longues distances.
• Caméras tout ciel : Surveillent la brillance du ciel et la couverture nuageuse.

Les normes photométriques sont fixées par la CIE et référencées dans la documentation de l’OACI et de l’OMM, soutenant les estimations de visibilité, la surveillance environnementale et la calibration des capteurs satellitaires.

Transfert radiatif

Le transfert radiatif englobe les processus physiques—absorption, diffusion et émission—qui régissent la propagation du rayonnement dans l’atmosphère. L’équation du transfert radiatif (ETR) modélise mathématiquement ces interactions, prenant en compte la source d’émission (notamment dans l’IR), les pertes par absorption et la redistribution de l’énergie par diffusion.

Des codes de transfert radiatif sophistiqués (par ex. MODTRAN, 6S, LOWTRAN, DISORT) sont utilisés pour simuler la transmission atmosphérique, corriger les images satellitaires et modéliser l’irradiance au sol. Les méthodologies standard sont spécifiées par l’OACI et l’OMM, garantissant la fiabilité des prévisions météorologiques, de la modélisation climatique et de la calibration des capteurs.

Atténuation

L’atténuation désigne la réduction de l’intensité du rayonnement par absorption et diffusion lors de son passage dans l’atmosphère. Elle se quantifie par le coefficient d’atténuation et se résume par la profondeur optique (τ) :

[ T = \exp(-\tau) ]

où ( T ) est la transmission. La loi de Beer-Lambert exprime cette relation exponentielle, fondamentale pour tous les calculs de transmission atmosphérique.

L’atténuation augmente avec la distance parcourue, la concentration des absorbeurs/diffuseurs, et dépend fortement de la longueur d’onde. C’est un paramètre clé en aviation (visibilité), énergie solaire (irradiance) et télédétection (restitution de surface).

Absorption

L’absorption est le processus par lequel des photons sont retirés d’un faisceau lumineux à la suite d’interactions avec des molécules atmosphériques ou des aérosols, convertissant l’énergie radiative en énergie interne (chaleur ou excitation chimique).

Principaux absorbeurs atmosphériques :

• Ozone (O₃) : Absorbe l’UV, formant la couche d’ozone protectrice.
• Vapeur d’eau (H₂O) : Fort absorbant IR, le plus influent des gaz à effet de serre.
• Dioxyde de carbone (CO₂) : Absorbe dans l’IR, surtout à 15 μm.
• Méthane (CH₄), protoxyde d’azote (N₂O) : Gaz traces avec des bandes d’absorption IR distinctes.

Les spectres d’absorption sont répertoriés dans des bases de données comme HITRAN, qui servent de référence aux modèles atmosphériques standards.

Diffusion

La diffusion redirige la lumière sans retirer d’énergie du champ radiatif, mais modifie la direction et la répartition :

• Diffusion Rayleigh : Par des molécules beaucoup plus petites que la longueur d’onde, responsable du ciel bleu et des couchers de soleil rouges. Intensité ∝ λ⁻⁴.
• Diffusion Mie : Par des particules de taille similaire à la longueur d’onde (par ex. aérosols, gouttelettes de nuage), moins dépendante de la longueur d’onde, responsable des nuages blancs et de la brume.

La diffusion affecte la lumière directe et diffuse, impactant la visibilité, la couleur du ciel et les données de télédétection.

Gaz influençant la transmission

Les constituants majeurs—azote (N₂), oxygène (O₂), argon (Ar)—sont en grande partie transparents dans le visible. Gaz traces à fort impact :

• Ozone (O₃) : Absorption UV.
• Vapeur d’eau (H₂O) : Absorption IR, très variable.
• Dioxyde de carbone (CO₂) : Absorption IR.
• Méthane (CH₄), protoxyde d’azote (N₂O) : Autres bandes d’absorption IR.

Les profils atmosphériques standards (ex. Atmosphère standard OACI) fournissent des concentrations de référence pour la modélisation et l’étalonnage.

Aérosols

Les aérosols—particules solides ou liquides en suspension—proviennent de la poussière, du sel marin, de la pollution ou de la combustion. Leurs effets sur la transmission atmosphérique sont :

• Diffusion : Réduit la lumière directe, augmente la composante diffuse du ciel.
• Absorption : Certains aérosols (par ex. carbone noir) absorbent la lumière, chauffant l’atmosphère.

La profondeur optique des aérosols (AOD) quantifie l’extinction totale due aux aérosols. Ceux-ci influencent la qualité de l’air, le climat et la sécurité aérienne.

Nuages

Les nuages, constitués de gouttelettes d’eau ou de cristaux de glace, diffusent efficacement la lumière et peuvent dominer l’atténuation par temps couvert. L’épaisseur optique des nuages détermine la quantité de lumière solaire bloquée :

• Nuages épais et bas : Atténuation quasi totale de la lumière directe.
• Cirrus fins et élevés : Transmission partielle.

Les propriétés des nuages sont mesurées par des ceilomètres, caméras à nuages et satellites. L’OACI spécifie les standards d’observation et de rapport pour l’aviation.

Fenêtres spectrales et fenêtres atmosphériques

Les fenêtres atmosphériques sont des régions du spectre où l’atmosphère est principalement transparente :

• Fenêtre visible (400–700 nm) : La surface terrestre reçoit la majorité du rayonnement solaire ici.
• Fenêtre proche IR (700 nm–2,5 μm) : Utilisée pour le suivi de la végétation et de l’eau.
• Fenêtre IR (8–14 μm) : Clé pour le rayonnement thermique échappant vers l’espace.
• Fenêtre radio (1 cm–11 m) : Permet la radioastronomie terrestre et la communication satellitaire.

Ces fenêtres, caractérisées par une absorption/diffusion minimale, sont essentielles pour la télédétection et l’astronomie.

Techniques de mesure et modèles

Mesures photométriques

• Photomètres solaires : Mesurent la transmission solaire directe, déduisent l’AOD et la vapeur d’eau.
• Télésphotomètres : Évaluent la visibilité nocturne sur de longues distances atmosphériques.
• Caméras tout ciel : Évaluent la brillance du ciel et la couverture nuageuse.

L’étalonnage, la correction de la masse d’air et la standardisation sont essentiels pour la fiabilité des données.

Télédétection satellitaire

Les satellites embarquent des radiomètres et spectromètres pour mesurer le rayonnement réfléchi, émis et diffusé. Les algorithmes de correction atmosphérique utilisent des modèles de transfert radiatif pour restituer les propriétés de surface et atmosphériques.

Modèles de transfert radiatif

• MODTRAN, 6S, LOWTRAN, DISORT : Simulent le transfert radiatif, calculent la transmission, la luminance et l’irradiance à des longueurs d’onde/angles spécifiques.
• Entrées : Profils atmosphériques standards, coefficients d’absorption des gaz, paramètres aérosols/nuages.

Transmittance directe vs diffuse

• Transmittance directe : Fraction de lumière allant directement de la source au détecteur ; prédomine par ciel clair.
• Transmittance diffuse : Lumière diffusée dans la ligne de visée ; prédomine en conditions brumeuses ou nuageuses.

Les deux composantes sont cruciales pour l’énergie solaire, la photométrie et la télédétection.

Effets bidirectionnels

La transmission atmosphérique dépend de l’angle d’incidence et d’observation (effets BRDF). Aux basses hauteurs solaires (lever, coucher du soleil), la distance parcourue augmente, renforçant l’atténuation et modifiant les couleurs observées (couchers de soleil plus rouges). Une modélisation précise requiert des corrections angulaires, notamment en télédétection et aviation.

Longueur de trajet et masse d’air

La longueur de trajet est la distance parcourue par la lumière dans l’atmosphère, plus grande pour les angles obliques et aux hautes latitudes. La masse d’air quantifie la longueur de trajet relative au zénith (à la verticale). Ces deux facteurs augmentent l’atténuation aux faibles hauteurs solaires, impactant les calculs d’énergie solaire et les calibrations photométriques.

Références standard et applications

Les recommandations officielles proviennent de :

• OACI (Organisation de l’aviation civile internationale) : Atmosphère standard, définitions de la visibilité, protocoles opérationnels.
• OMM (Organisation météorologique mondiale) : Techniques de mesure, standards de rapport, modèles atmosphériques.
• NASA, CIE, HITRAN : Fournissent bases de données, standards d’étalonnage et données spectrales.

La transmission atmosphérique est fondamentale pour :

• Télédétection : Correction atmosphérique, restitution des propriétés de surface.
• Météorologie : Prévision du temps, estimation de l’énergie solaire.
• Astronomie : Sélection de sites, correction d’extinction.
• Aviation : Visibilité, sécurité, planification des vols.

Résumé

La transmission atmosphérique est une pierre angulaire des sciences de l’atmosphère, modulant l’environnement lumineux terrestre et influençant les mesures en météorologie, télédétection et astronomie. Sa dépendance à la longueur d’onde, sa sensibilité à la composition atmosphérique et sa variabilité selon la météo et l’angle exigent des mesures et des modélisations rigoureuses. Des protocoles standardisés et des données de référence assurent cohérence et précision pour les usages opérationnels et scientifiques.

Pour approfondir et accéder à des ressources pratiques sur la transmission atmosphérique, les modèles de transfert radiatif et les techniques de mesure, consultez la documentation OACI, OMM et NASA.