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Météorologie élémentaire

Un Lidar en action. Document SDI.

Images Lidar des nuages

Si les radars ordinaires sont capables de détecter les objets solides ou du moins réfléchissant les ondes électromagnétiques présents dans l'atmosphère, on peut également utiliser cette technologie pour étudier les constituants même de l'atmosphère, à savoir les aérosols et les nuages.

Le Lidar, acronyme de LIght Detection And Ranging fonctionne de la même façon qu'un radar (RAdio Detection And Ranging) ou qu'un sodar (SOund...) à la seule différence qu'il utilise un faisceau laser pour sonder l'atmosphère. On l'appelle parfois le radar laser.

En balayant l'atmosphère, le faisceau laser est dispersé par les molécules et les particules en suspension dans l'air. La lumière réfléchie est collectée par un télescope équipé d'une sonde photoélectrique qui permet de digitaliser le signal et de le transmettre à un ordinateur pour traitement. Le signal est enregistré à mesure que le faisceau laser émis par le Lidar balaye l'atmosphère en fonction du temps. De cette manière il est possible d'évaluer l'altitude des aérosols, y compris d'observer des couches de brume ou de cirrus qui demeurent invisibles à l'oeil nu en raison de leur faible densité.

Fonctionnement du Lidar

Comment fonctionne un Lidar ? Comme l'explique le schéma présenté ci-dessous, dans les grandes lignes le Lidar utilise un laser et un récepteur optique. Un système de contrôle transmet un faisceau laser constitué d'une impulsion courte mais intense de lumière cohérente. Le faisceau est élargi pour éviter qu'il ne diverge et est ensuite dirigé dans l'atmosphère. A mesure qu'il se propage il est dispersé par les molécules atmosphériques, en particulier par l'azote et les aérosols (gouttes d'eau et de glace, ozone, poussières, sel, etc).

Exemples de Lidar utilisés pour étudier les constituants de l'atmosphère. Celui de gauche utilise comme récepteur le tube optique d'un télescope Schmidt-Cassegrain Meade de 200 mm d'ouverture. Photographies JHU et PNNL.

La lumière réfléchie est captée par le miroir du télescope et collectée soit par un détecteur CCD ou une sonde optoélectronique. Le signal est ensuite filtré pour éliminer les signaux ne provenant pas du laser (lumières d'un avion, etc) et de tout signal parasite pouvant saturer le détecteur. Le filtrage peut être électronique ou assuré par un obturateur mécanique.

La quantité de lumière est enregistrée en fonction du temps. Les signaux subissent ensuite un traitement numérique et sont analysés puis stockés sur ordinateur. Chaque fois qu'un faisceau quitte l'atmosphère, une nouvelle impulsion est transmise et le cycle recommence. 

Les mesures atmosphériques

Plusieurs techniques sont utilisées pour effectuer les mesures atmosphériques : le Lidar de Rayleigh, le DIAL, l'interféromètre de Fabry-Perot, etc, dont leur fonctionnement sort du cadre de ce dossier. Toutes ces méthodes permettent de tracer le profil de température de l'atmosphère, de déterminer les propriétés (phase, concentration, etc) des particules, autant de mesures qu'il est impossible de recueillir avec des instruments passifs. 

Deux parmi les multiples applications du Lidar. A gauche la mesure du profil de la température dans l'atmosphère. Noter l'inversion mésosphérique vers 75 km d'altitude. A droite une image spectaculaire d'un front contenant des cumulonimbus noyés dans une nappe d'altostratus et de cirrus. Documents ISRO et NOAA/ETL.

Les mesures effectuées au Lidar peuvent être obtenues avec de hautes résolutions spatiales et temporelles grâce auxquelles il est possible de détailler la structure individuelle des couches nuageuses ou leur dynamique (les cellules en formation, les mammas, les virga, les rafales de vent et autres bancs de poussières) ou de suivre l'évolution instantanée d'un phénomène atmosphérique (résolution de quelques millisecondes).

Ces instruments, s'ils sont suffisamment compacts, peuvent être utilisés non seulement à partir du sol mais également à bord d'avion ou dans l'espace. Ces systèmes sont complémentaires : un Lidar embarqué à bord d'un satellite fournira une information globale à faible résolution horizontale tandis que les systèmes au sol révéleront les détails au-dessus des sites sélectionnés.

Les constructeurs essayent de réduire l'encombrement de leur système et on trouve aujourd'hui des installations à peine plus grande qu'un ordinateur de bureau. Et il ne fait aucun doute que bientôt le Lidar sera accessible aux météorologistes amateurs...

Applications du Lidar

La technologie Lidar s'applique tant aux sciences qu'à l'industrie, et là où on s'y attend le moins, pour citer les applications suivantes:

- Météorologie (mesures dynamique des températures, vents, ondes, ozone, pollution, etc)

- Astronomie (optique adaptive, cartographie planétaire)

- Topographie (surveillance de l'érosion)

- Océanographie (bathymétrie, zones de pêche)

- Ecologie (mesure au sol et sur la canopy)

- Construction civile et aéronautique (mesure du stress des structures, manoeuvres des avions près des aéroports)

- Sécurité civile (mesure des excès de vitesses sur la route, sécurité portuaire)

Images Lidar

Voici enfin le plus attendu, les plus belles images réalisées au Lidar illustrant son application à l'étude des nuages et des aérosols. Ces images en haute résolution sont très peu diffusées, tout au plus sur une poignée de sites universitaires ou gouvernementaux, pourtant elles méritent d'être connues.

Banques d'images Lidar

Enfin, pour conclure voici une image Lite-Lidar panoramique vraiment exceptionnelle allant du Canada à l'océan Atlantique réalisée depuis la navette spatiale. Elle couvre la latitude de 87°N entre 47 et 28° Ouest. On distingue des nuages dans chacun des trois étages de l'atmosphère ainsi qu'une importante brise de mer et quelques nuages de rayonnement. Non seulement elle présente un intérêt scientifique mais en prime cette image est également très jolie sur le plan esthétique par sa composition et ses nuances de couleurs. 

Document Hampton University.

Le seul site Internet offrant des images de ce type est le centre RCRU de Chilbolton qui utilise un ceilomètre Lidar. Il offre ses mesures en ligne à tous les internautes. Profitez-en !

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