Module 2C Les images thermiques

Transfert radiatif Émission du rayonnement par les objets Rayonnement secondaire par l’atmosphère réfléchi par la surface Passage par l’atmosphère Détection

Émission du RÉM Tout objet à une température supérieure au zéro absolu émet du RÉM Pour étudier l’émission nous avons recours à un objet idéalisé: le corps noir Un corps noir a la propriété d’absorber toute l’énergie reçue par une source externe et de l’émettre à l’espace ambiant d’une façon isotrope

Émission du corps noir: les lois physiques Loi de Planck : exitance spectrale [W m-2 µm-1] où c1 = 3,742 x 10-16 [W m2] c2 = 1,439 x 10-2 [m K] T = la température cinétique du corps noir (en K) Loi de Stefan-Boltzman Corps noir à une Température T (K)  Densité du flux total émis: M = T4 [ W m-2] où  = la constante de Stefan-Boltzmann=5,669 x 10-8 [W m-2 K-4] La loi de déplacement de Wien Longueur d’onde du pic d’émission d’un corps noir à une Température T (K) C = 2898 [μm K]

Rayonnement émis Rayonnement spectrale émis par divers corps noirs incluant la terre et le soleil. Calculs – Loi de Planck Selon la loi de S.-B.  T croissant donc M croissant Selon la loi de Wien  T croissant donc longueur d’onde du pic d’émission décroissant

Émission vs température: exemple Une ampoule éteinte [à une température ambiante de 27°C (300 Kelvin)] n’émet pas du rayonnement visible. Une ampoule dont l’élément est chauffé à 677°C (950 Kelvin) émet la plupart de son énergie dans l’infrarouge moyen et un tout petit peu dans le visible (lumière rouge). - Une ampoule incandescente [2223°C (2500 Kelvin)] donne une lumière orangée jaune, bien que seulement 10% de son énergie est émis dans le visible, le reste est émis dans l’infrarouge, et perçu par nous comme de la chaleur.

Loi de Wien: exemples μm un feu de forêt à 800 K alors pic d’émission à 2898/800  3,6 μm le soleil est à 6000 K environ alors pic d’émission à 2898/5700  0,5 μm μm où C = 2898 [μm K]

Émission d’un corps noir

Émission par les objets terrestres Les objets terrestres ne sont pas de corps noirs; la quantité du rayonnement émis par longueur d’onde est moindre de celle prescrit par la loi de Planck. Pour décrire leur émission on introduit une quantité, l’émissivité, qui nous indique la différence entre l’exitance spectrale de l’objet réel et celle du corps noir à la même température cinétique:

Émission par les objets terrestres Échantillon de calcaire; sa surface fait 10 cm2 L’émissivité toujours <1 Si l’émissivité demeure constante peu importe la longueur d’onde nous disons que l’objet se comporte comme un corps gris La majorité des objets terrestres ont plutôt une émissivité variable selon la longueur d’onde, on parle alors d’un radiateur sélectif

Émission par les objets terrestres Émissivité spectrale d’un corps noir, d’un corps gris et d’un radiateur sélectif hypothétique Exitance spectrale d’un corps noir, d’un corps gris et d’un radiateur sélectif hypothétique à la même température cinétique

Émission par les objets terrestres: exemples

Valeurs de l’émissivité dans la bande spectrale 8-14 µm

Émission par les objets terrestres: une première conclusion L’exitance spectrale d’un corps réel dépend de sa température cinétique, et de son émissivité à la longueur d’onde examinée. En termes pratiques: si l’on mesure l’exitance spectrale d’un objet on peut déduire sa température cinétique seulement si l’on connaît son émissivité spectrale. Est-ce donc possible d’utiliser un capteur de télédétection pour estimer la température des objets au sol?

Deux fenêtres atmosphériques disponibles

Le cycle diurne des températures Comme le soleil est la source principale du rayonnement qu’un corps gris puisse absorber, les températures des objets suivent le cycle diurne de l’apport énergétique du soleil à la surface, mais chacun à son propre rythme selon sa composition, sa densité, le taux d’humidité etc. Emax Tmax

Le cycle diurne des températures Avant le lever du soleil, l’air (1), la végétation- les Ohias (sorte d’arbre en Hawaï) (2), la route (3) et le basalte ancien (4) gardent une température uniforme. Dès l’aube, vers 7 heures, l’air, la route et le basalte marquent une augmentation rapide de leur température par réchauffement; la reprise de l’activité biologique des plantes se manifeste par un accroissement de leur température suivie d’un palier.

Le cycle diurne des températures Un autre exemple: observations in situ

Le rôle de l’atmosphère Similaire aux images du rayonnement solaire réfléchi (vapeur d’eau importante comme absorbeur + moindres les effets de brume atmosphérique) Les nuages  objets opaques

Les capteurs Balayeurs à époussette

Les images du rayonnement émis: exemples Sensibilité spectrale Mono-spectrale: Landsat-7 ETM6 : résolution spatiale 60 m x 60 m (Attention Landsat-5 TM6 120 m x 120 m)

Exemple d’une thermographie de nuit par Landsat

ASTER (satellite TERRA) - un exemple d’un système de capteurs polyvalent Infrarouge thermique 5 bandes spectrales

ASTER-TIR: 5 bandes à une résolution de 90 m x 90 m

Les images du rayonnement émis: les images TIR (5 bandes) d’ASTER ASTER: VIS IRT

Illustrations Applications

Différents objets

Les objets fantômes

Le relief

Pollution thermique des milieux aquatiques Plusieurs industries (nucléaires, aciéries, centrales thermiques, etc.) utilisent l’eau des lacs, des rivières et de l’océan à des fins de refroidissement (panaches thermiques) L’eau rejetée à des températures élevées même sans substances chimiques ou autres matières en suspension, peut causer des dommages irréversibles à la faune et à la flore aquatique: l’eau chaude contient moins d’oxygène dissout essentiel aux animaux aquatiques. Centrale nucléaire Salem sur les rives de Delaware

Un exemple de la relation albédo -émissivité

La fenêtre IR moyen – le jour Le jour: mélange réflexion solaire + émission

La fenêtre IR moyen – la nuit La nuit: intérêt pour la détection des objets chauds (ex. feux de forêt) Bande 3-5 mm Bande 8-14mm Carte de localisation

Applications - Calcul de l’altitude des nuages

Applications: ÎLOTS DE CHALEUR URBAINS Les milieux urbains modifient les processus physiques dans la plus basse couche de l’atmosphère par la création des îlots de chaleur urbains. Dans les villes, les surfaces naturelles sont remplacées par des surfaces artificielles avec des propriétés thermiques différentes. Souvent ces surfaces ont une plus grande capacité d’emmagasiner l’énergie solaire qui restituent par la suite à l’air (chaleur sensible) en faisant ainsi monter sa température de 2-10 degrés plus haut par rapport aux milieux environnants.

Progression des îlots de chaleur avec la minéralisation de l’espace