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

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

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 :

Figure 2. Agrandir l'image

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

Figure 4. Agrandir l'image

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

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

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

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 :

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.

Figure 12. Image acquise par la sonde Gallileo après son passage proche de la Terre

Figure 13. L'interprétation géométrique possible

Figure 14. Situation probable de la sonde Gallileo lors de la prise de vue La trajectoire de Gallileo est très approximative (plus d'informations sur Gallileo).

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 Agrandissement Moyen (87 ko) ou Grand (13 Mo)

Figure 16. L'interprétation en plan

Figure 17. L'interprétation en perspective