D5 Télédétection active avancée

Topique

La télédétection active avancée combine les systèmes lidar et les radars de nuages, deux familles d'instruments qui complètent les radars météorologiques conventionnels là où ces derniers présentent des limitations : ils offrent une plus grande sensibilité aux petites particules, telles que les aérosols et les gouttelettes nuageuses, et atteignent une résolution verticale beaucoup plus fine. Le lidar à rétrodiffusion est l'instrument le plus élémentaire de la télédétection active avancée : il émet des impulsions laser à deux longueurs d'onde différentes, l'une proche du vert visible et l'autre dans le proche infrarouge, puis mesure la quantité de lumière réfléchie par les aérosols et les nuages ​​qu'elle traverse. À partir de cette lumière réfléchie, le lidar à rétrodiffusion obtient des profils verticaux du coefficient de rétrodiffusion et du coefficient d'extinction de l'atmosphère, ainsi que la hauteur exacte des nuages ​​et de la couche limite, le tout avec une résolution verticale comprise entre dix et trente mètres.

Le lidar Doppler repose sur le même principe que le lidar à rétrodiffusion, mais y ajoute le concept utilisé par le radar Doppler : il mesure la différence de fréquence subie par la lumière rétrodiffusée par les molécules d'air et les particules troposphériques. À partir de cette différence de fréquence Doppler, on déduit la vitesse verticale du vent avec une précision de 0,1 à 0,5 mètre par seconde, en quelques secondes et avec une portée de 5 à 15 kilomètres.

Lorsque le lidar et le radar nuageux sont embarqués simultanément sur un même satellite, leur complémentarité est encore plus efficace. Une mission satellitaire pionnière a combiné ces deux instruments pour la première fois, et sa version ultérieure a perfectionné cette combinaison, permettant la caractérisation simultanée des aérosols, des nuages ​​fins et des précipitations, qu'un instrument seul ne pourrait distinguer. Le radar nuageux utilisé dans ces missions fonctionne à une fréquence beaucoup plus élevée qu'un radar météorologique conventionnel, proche de 94 gigahertz, ce qui le rend sensible aux gouttelettes nuageuses et aux cristaux de glace indétectables par un radar conventionnel. Le même principe que celui du lidar à rétrodiffusion, simplifié et rendu plus abordable, est à l'origine des ceilomètres : des lidars à bas coût installés en réseaux denses – près d'un millier de ceilomètres couvrent l'Europe – qui, sans nécessiter la sophistication d'un lidar de recherche, mesurent la hauteur de la base de la couche limite et des nuages ​​à chaque station du réseau.

Tous ces instruments, du lidar à rétrodiffusion de recherche au ceilomètre le plus simple, reposent sur la même relation fondamentale, connue sous le nom d'équation du lidar : la puissance renvoyée par l'instrument dépend de la rétrodiffusion de la lumière incidente par l'atmosphère et de son atténuation lors des trajets aller et retour. Ainsi, plus le coefficient de rétrodiffusion d'une couche atmosphérique est élevé, plus cette couche réfléchit de puissance ; et plus son coefficient d'atténuation est élevé, moins le signal a de puissance pour pénétrer les couches plus profondes.

L'objectif de toute télédétection active avancée est d'obtenir des profils verticaux d'aérosols et de nuages ​​avec une résolution temporelle et spatiale bien supérieure à celle de tout radar météorologique conventionnel. Ces profils permettent de détecter précisément les zones où le radar météorologique conventionnel est limité : les nuages ​​fins qui ne saturent pas son signal, ou qui sont trop faibles pour produire une rétrodiffusion micro-ondes suffisante. La télédétection active avancée ne remplace donc pas le radar météorologique conventionnel, mais complète l'image qu'il laisse incomplète.

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