Mots clés : atmosphère, navette spatiale, imagerie satellitaire

Observations de l'atmosphère terrestre depuis la navette spatiale au lever du soleil

Gérard Vidal

ENS-Lyon

Benoît Urgelli

ENS Lyon / DGESCO

16/12/2000

Résumé

Vues de l'atmosphère terrestre depuis la navette spatiale, informations sur la géométrie des prises de vue et leur interprétation.


Références et crédits photographiques : la plupart des images sont issues du site Nasa Image eXchange (NIX) de la NASA qui est un moteur de recherche sur des images sans copyright de la NASA..

Structure de l'atmosphère

Les mesures de pression, de température, ou d'hygrométrie permettent de réaliser des profils de l'atmosphère. Ce sont ces mesures directes qui ont permis de définir les couches constitutives de l'atmosphère terrestre. Sur le radio-sondage à haute latitude ci-dessous, qui apporte une information quantitative, on note que la tropopause, limite entre la troposphère et la stratosphère, est bien marquée. Les limites des différentes couches de l'atmosphère peuvent également être définies à partir du profil thermique de l'atmosphère.

Figure 1. Agrandir l'image

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Sur le profil thermique, chaque fois que l'on observe un changement de pente de la courbe des températures, on franchit la limite entre deux couches. La température décroît de la surface au sommet de la troposphère, elle croît dans la stratosphère, décroît dans la mésosphère et croît dans la thermosphère. Les limites entre les enveloppes portent le nom de l'enveloppe inférieure auquel on ajoute le suffixe « pause ». De bas en haut on observe donc :

  • la tropopause (altitude variable suivant les régions; de 13 à 25 km),
  • la stratopause (50km environ),
  • la mésopause (80 km environ).

Figure 2. Agrandir l'image

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Toutefois, même si elle ne permet pas directement d'avoir des données quantitatives, la seule façon de « voir » l'atmosphère est de s'éloigner suffisamment de la surface de la Terre et d'observer l'enveloppe la plus externe de notre planète.

La navette spatiale circule sur une orbite dite basse (400 km) et permet ce type d'observation. Tous les véhicules spatiaux ayant décrit au cours de leur mission des orbites autour de la Terre ont pu de la même façon acquérir des prises de vues de l'atmosphère. Les images prises par la navette permettent d'observer directement les couches les plus basses de l'atmosphère. La couleur rouge de la troposphère est due à l'absorption des plus courtes longueurs d'onde de la lumière solaire par une importante épaisseur de troposphère contenant de la vapeur d'eau. Dans la stratosphère le dégradé du blanc vers le bleu est lié à la variation de la pression.

Figure 3. Agrandir l'image

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Quelques exemples de prises de vues montrant la stratification de l'atmosphère

Tableau 1. images réalisées depuis la navette spatiale. Elles permettent de distinguer les différentes enveloppes de l'atmosphère terrestre. Des nuages orageux avec leurs cirrus, dont les sommets sont en forme d'enclumes, s'étalent contre la tropopause.


Tableau 2. Séquence de 3 images prises par la navette montrant un levé de Soleil à travers les différentes enveloppes de l'atmosphère.


Figure 5. Photographie prise le 11/01/92 au matin (5,5°S 29,5°E), le Soleil n'ayant pas encore surgi à l'horizon.

Photographie prise le 11/01/92 au matin (5,5°S 29,5°E), le Soleil n'ayant pas encore surgi à l'horizon.

Les nuages de la basse atmosphère ne sont pas encore éclairés par le Soleil. De 13 à 18 km, on aperçoit le couche marron correspondant à la tropopause, zone d'inversion thermique qui sépare la troposphère et la stratosphère. Dans la tropopause se concentrent des particules provenant de la troposphère et de la stratosphère.


Figure 6. Photographie prise le 08/08/92 au levé du Soleil par Atlantis à 150 km d'altitude, au dessus du NE des îles Hawaï.

Photographie prise le 08/08/92 au levé du Soleil par Atlantis à 150 km d'altitude, au dessus du NE des îles Hawaï.

Les enveloppes les plus hautes de l'atmosphère apparaissent en bleu sombre à cause de la diffusion moléculaire des rayons solaires. A l'intérieur du niveau blanc, on peut distinguer les particules à l'origine de cette diffusion. La bande rouge sombre est le résultat des émissions d'aérosols (aérosols sulfatés et cendres) entre 20 et 27 km d'altitude par le volcan Pinatubo. La limite entre rouge sombre et rouge clair correspond à la base de la stratosphère. Sous la stratosphère et la tropopause (rouge clair), la basse atmosphère apparaît en rouge plus sombre à cause de la diffusion de la lumière par les poussières et la vapeur d'eau. Les nuages visibles sur la photographie sont des cirrus, à 12 000 mètres d'altitude.


Figure 7. Photographie prise le 20/09/92 au dessus du SW Pacifique (15,5°S, 158,5°E).

Photographie prise le 20/09/92 au dessus du SW Pacifique (15,5°S, 158,5°E).

Les couleurs de cette séquence permettent d'apprécier les densités relatives des différents enveloppes de l'atmosphère. La troposphère, qui est la plus dense de ses enveloppes, réfracte la lumière dans le rouge foncé. Le haut de la stratosphère réfracte la lumière dans le bleu. Des nuages orageux avec leurs cirrus, dont les sommets sont en forme d'enclumes, s'étalent contre la tropopause, qui apparaît en gris-vert. Les aérosols du Pinatubo, à la base de stratosphère apparaissent dans la couche noire.


Figure 8. Photographie prise le 04/17/93 par la navette Discovery au dessus du Canada, levé du Soleil.

Photographie prise le 04/17/93 par la navette Discovery au dessus du Canada, levé du Soleil.

Les nuages bas à l'est de l'horizon bloquent la lumière directe du Soleil. Les couleurs brillantes jaunes correspondent à la pénétration des rayons solaires dans les nuages. Les couleurs rouges correspondent à l'éclairage des nuages troposphériques.


Géométrie des prises de vues du terminateur par la navette spatiale

Lorsqu'un véhicule spatial est en orbite autour d'une planète, il peut effectuer deux types de prises de vues (fig 5. ci-dessous) : les prises de vues verticales ou les prises de vues obliques (ou très obliques). Chacun de ces modes de prise de vue a des propriétés particulières qui contraignent la géométrie des images et des objets observés.

Figure 9. Agrandir l'image

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La figure 6 ci-dessous décrit la géométrie d'une prise de vues oblique de la navette spatiale et représente la situation dans laquelle ont été prises les images de l'atmosphère. Dans la situation des prises de vues de lever de soleil, la navette spatiale est sur une orbite basse (400 km) en opposition avec le soleil. Le plan orbital de la navette spatiale ne contient pas nécessairement la direction d'éclairement (comme représenté sur la figure). Le point jaune représente la navette spatiale et le trait jaune la direction de prise de vues. Les flèches rouges indiquent la direction d'éclairement.

Figure 10. Agrandir l'image

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Sur la figure 7 ci-dessous la trace de l'orbite de la navette spatiale et le véhicule lui-même sont représentés en vert. Les échelles de distance et de courbure ne sont pas parfaitement respectées. Le parallélépipède blanc représente le volume d'atmosphère situé dans l'axe de la prise de vue. Le parallélogramme blanc représente le plan de prise de vue. L'image réelle proposée en bas à gauche correspond à la projection dans le plan focal du volume d'atmosphère observé. La limite entre troposphère et stratosphère (la tropopause) présente une épaisseur apparente à cause de la projection

Figure 11. Agrandir l'image

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On voit que pour interpréter convenablement les images de l'atmosphère acquises par la navette il est impératif de comprendre la géométrie de prise de vues qui a permis de les obtenir. Beaucoup de paramètres doivent être pris en compte :

  • la position du véhicule spatial,
  • La direction de prise de vues,
  • la position du soleil,
  • la position relative Terre/Soleil/Capteur.

Examinons deux images simples acquises par des sondes spatiales plus éloignées de la Terre. Elles posent les mêmes problèmes géométriques et permettent de se familiariser avec des visions tridimensionnelles.

Sur cette image la sonde est située à 6,2 millions de kilomètres de la Terre. Le cliché a été pris le 16 décembre 1992, la Lune est au premier plan, la Terre au second plan. La limite entre la partie éclairée et la partie dans l'obscurité de chacune des planètes est appelée terminateur. En observant la position du terminateur il est possible de trouver la position du soleil. La lune est distante de 384 400 km de la Terre alors que le soleil se trouve à 149 600 000 km (une unité astronomique UA) de la Terre. Par conséquent on peut supposer que notre planète et son satellite reçoivent un faisceau de lumière parallèle venant du soleil.

Cette interprétation permet de situer la Lune par rapport à la Terre ainsi que la position du soleil. Plus de la moitié des deux corps est dans l'obscurité. La sonde spatiale est donc positionnée dans une direction faisant un angle obtus avec la direction du soleil. La lune est située en avant de la Terre mais comme elle apparaît en haut et à gauche, la prise de vue à été prise sous le plan orbital lunaire.

L'image suivante a été prise par la sonde Clementine en utilisant un instrument destiné à cartographier les constellations. Cette cartographie permet de repérer avec précision la position et l'attitude du satellite. L'image a été acquise le 05 mars 1994 à 21h10'29" TU.

Figure 15. Image acquise par la sonde Clémentine

Image acquise par la sonde Clémentine

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Mots clés : atmosphère, navette spatiale, imagerie satellitaire