Le rayonnement nightglow provient de la désexcitation nocturne d’atomes et de molécules situés à des altitudes s’étendant de 85 à 250 km d’altitude. Ce rayonnement permet des études à caractère dual : vision nocturne pour la sécurité civile et la défense, caractérisation de la dynamique atmosphérique pour les études sur le climat.
Vision nocturne
On montre que le rayonnement proche infrarouge est dans tous les cas plus élevé que le rayonnement visible même en présence de lune (cf spectre ci-dessous [Vatsia et al., 1972]). En utilisant des capteurs proche infrarouge à partir de la technologie InGaAs, il est possible d’acquérir des images de scènes en condition de nouvelle lune, c’est-à-dire sans éclairement lunaire [Simoneau et al., 2017, 2018].
Spectre de rayonnement nocturne pour différentes phases de la lune
Image acquise dans le proche infrarouge par nuit sans lune
Caractérisation de la dynamique de l’atmosphère
L’observation du ciel nocturne à partir de caméras dans les bandes spectrales correspondant à la longueur d’onde d’émission du rayonnement nightglow, permet de remonter à la dynamique de l’atmosphère à l’altitude de l’espèce émettrice [Taylor et al., 1995, par exemple]. L’image ci-dessous présente un exemple de rayonnement perturbé par une onde de gravité à l’altitude d’émission de la couche OH (87 km). Sur cette image, il est donc possible de déduire la longueur d’onde spatiale de l’onde, et avec une série temporelle, la vitesse de phase et la direction de propagation de l’onde.
L’étude et la caractérisation des ondes de gravité est un élément important pour la compréhension du climat et la connaissance de la variabilité des paramètres atmosphériques (température, densité, vent…). Ces ondes, qui sont générées principalement dans les basses couches de l’atmosphère, se propagent dans la haute atmosphère (au-delà de 60 km) et libèrent leur énergie modifiant ainsi le champ de vent et de température. On montre que les ondes de gravité sont responsables d’une température bien plus basse que prévue au voisinage de 80 km d’altitude au pôle d’été et inversement [Holton et al., 2000].
Les ondes de gravité peuvent également être générées par des phénomènes tels que les tremblements de terre ainsi que les Tsunamis. L’observation du rayonnement nightglow émis par l’oxygène atomique au voisinage de 250 km d’altitude, a permis de caractériser le Tsunami de Tohoku en mars 2011 [Occhipinti et al., 2011].
De plus une campagne réalisée sur l’ile de la Réunion sur une période d’un an, a permis de caractériser ces ondes et de réaliser une première climatologie des ondes de gravité en région australe.
Image dans le proche infrarouge présentant une onde de gravité perturbant le rayonnement OH à 87 km d’altitude
Exemple de climatologie obtenue à la Réunion pour le mois de juillet 2016. Direction et intensité de la vitesse de phase des ondes de gravité
Le département Optique et techniques associées (DOTA) de l'ONERA travaille depuis plusieurs années sur l’observation et la caractérisation du rayonnement nightglow, d’une part pour la caractérisation du rayonnement à des fins de vision nocturne et d’autre part pour la connaissance de la variabilité des paramètres atmosphériques. Le premier point a été soutenu par la Direction générale de l'Armement (DGA), les industriels du secteur optronique ainsi que par la Direction scientifique générale de l'ONERA dans le cadre d’un projet de recherche.
Une thèse sur la modélisation du rayonnement nightglow a été soutenue en 2015 [Bellisario, 2015] et l’ONERA participe à un groupe OTAN sur la thématique vision nocturne dans le proche infrarouge. L’étude des ondes de gravité a été réalisée dans le cadre de travaux DGA, d’un contrat européen H2020 (ARISE 2) et a permis de nombreuses collaborations avec le Laboratoire Atmosphères, Observations Spatiales (LATMOS), l’Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP) et l’Observatoire de Paris ainsi qu’une thèse [Le Dû, 2020].
Enfin, la problématique de la connaissance de la variabilité atmosphérique est l’une des tâches contenue dans le projet ONERA CARMHA (Caractérisation et mesure de la haute atmosphère) débutée en janvier 2021.
Références
Christophe Bellisario, Modélisation du rayonnement proche infrarouge émis par la haute atmosphère : étude théorique et observationnelle. Thèse Onera/DGA, soutenue le 10 décembre 2015
Holton, J. R., and M. J. Alexander (2000), The role of waves in the transport circulation of the middle atmosphere, Atmos. Sci. Across Stratosphere, 123, 21–35
Occhipinti, G., P. Coïsson, J. J. Makela, S. Allgeyer, A. Kherani, H. Hébert, and P. Lognonné, in press, Three-dimensional numerical modeling of tsunami-related internal gravity waves in the Hawaiian atmosphere, Earth Planet. Sci., 2011
Thurian Le Dû, Observations multi-instrumentales pour l’étude de la dynamique atmosphérique dans la haute atmosphère, Thèse Onera, soutenue le 25 novembre 2020
Pierre Simoneau, Christophe Bellisario, Sophie Derelle, Joël Deschamps, Didier Henry, Stéphane Langlois, Nightglow studies @ Onera for night-vision applications, SPIE, Warsaw, 2017
P. Simoneau, S. Derelle, J. Deschamps, S. Langlois, D. Henry, Travaux en cours à l’Onera dans le domaine BNL, Séminaire Vision nocturne bas niveau de lumière, 15 novembre 2018
[Thématique PHY-DOTA] Environnement et signatures pour les senseurs optroniques
