Radar et météo

[entropik]

Bonjour,

J'ai découvert qu'on utilisait des radars pour mesurer et prévoir les précipitations en temps réel. Or je pensais que les radars ne détectaient que les objets métalliques par réflexion des ondes. Comment peuvent-ils détecter l'eau?

[XENSECP]

Hum ça dépends des radars j'ai envie de dire ;)

[Dominique Lefebvre]

Bonjour,

Oui, ça dépend de la fréquence du radar. Les radars météo émettent autour de 6 Ghz...
Le principe de détection de la pluie par radar n'est pas identique à la détection d'un avion...
Revenons aux propriétés d'une goutte d'eau. On peut l'assimiler à une sphère (une boule serait plus exact) diélectrique non chargée. les propriétés de l'eau font que l'on place une goutte dans un champ électrique variable ou non, cette goutte se polarise en acquierant une charge surfacique de polarisation. Elle créé un champ électrique opposé au champ de polarisation.
Quand tu appliques à cette goutte un champ électromagnétique, celui d'une OPM par exemple, la goutte répond à la sollicitation comme un dipôle oscillant à la même fréquence. La goutte absorbe une certaine partie de la puissance reçue et en rayonne une autre partie.
On sait relier l'énergie rétrodiffusée par un ensemble de gouttes pluies au nombre de gouttes de pluie par unité de volume et à leur taille, et aussi à la quantité d'eau tombée sur le sol.
Et donc le principe est simple: on balance un faisceau de 6 Ghz, d'une puissance connue, on mesure l'énergie rétrodiffusée et on calcule la quantité d'eau dans le nuage qui intercepte le faisceau.

Pour ton info, ce pb a été posé à l'oral de l'X il ya qq années (vers 2000 autant que je me souvienne...)

[Timothé Lefebvre]

Et si tu veux des précisions sur la télédétections des précipitations par radars, je te conseille ce site du CNRS sur lequel tu trouveras plein d'infos sur les radars.

[entropik]

Merci pour ces infos mais je n'ai pas tout saisi; genre une OPM est-ce une onde plane modulée?
Et ça m'étonne qu'on arrive à mesurer le champ électrique des gouttes d'eau à de telles distances avec suffisamment de précision. Comment fait-on pour que l'antenne réceptrice ne soit pas brouillée par le champ du radar ou les ondes radio du milieu ou les champs électriques avoisinants?
Aussi est-ce le fait que l'eau est polaire ou qu'elle est paramagnétique qui explique cette rétrodiffusion? Si c'est le paramagnétisme alors on pourrait aussi détecter le , le et les oxydes d'azote par cette méthode. Si c'est la polarité alors seuls les seraient détectables.

[Dominique Lefebvre]

Merci pour ces infos mais je n'ai pas tout saisi; genre une OPM est-ce une onde plane modulée?

Onde plane monochromatique..

Et ça m'étonne qu'on arrive à mesurer le champ électrique des gouttes d'eau à de telles distances avec suffisamment de précision. Comment fait-on pour que l'antenne réceptrice ne soit pas brouillée par le champ du radar ou les ondes radio du milieu ou les champs électriques avoisinants?

On ne mesure pas le champ électrique mais le rapport puissance émise/puissance diffusée. Ce rapport est proportionnel à la quantité d'eau dans le nuage.

Aussi est-ce le fait que l'eau est polaire ou qu'elle est paramagnétique qui explique cette rétrodiffusion? Si c'est le paramagnétisme alors on pourrait aussi détecter le , le et les oxydes d'azote par cette méthode. Si c'est la polarité alors seuls les seraient détectables.

C'est le fait que la molécule d'eau se polarise sous l'action d'un champ électrique.

[Benjamin]

A signaler qu'on utilise aussi des lidars (ou des ladars) pour ce genre de chose. A ce moment là, on utilise un laser au lieu d'une onde EM de fréquence radio.

[entropik]

On ne mesure pas le champ électrique mais le rapport puissance émise/puissance diffusée. Ce rapport est proportionnel à la quantité d'eau dans le nuage.

Mais quel appareil utilise-t-on pour mesurer cette puissance diffusée? Est-ce avec des capteurs infrarouge?

C'est le fait que la molécule d'eau se polarise sous l'action d'un champ électrique.

Mais peut-on utiliser des radars pour détecter d'autres molécules que l'eau? Comment fait-on pour mesurer les taux de dioxyde de carbone?

[entropik]

A signaler qu'on utilise aussi des lidars (ou des ladars) pour ce genre de chose. A ce moment là, on utilise un laser au lieu d'une onde EM de fréquence radio.

Mais à ma connaissance produire un laser requiert une énorme quantité d'énergie (comparé à des ondes radio). Alors pourquoi utiliser cette technique? Surtout que pour "scanner" des volumes aussi grands il faudrait, me semble-t-il, générer des lasers pendant de longues durées. Peux-tu m'en dire plus sur cette technologie?

[Benjamin]

Les lidars sont utilisées pour les cibles molles (pour mesurer une concentration de molécules en un endroit par exemple). C'est en fait un radar optique qui fonctionne avec des longueurs d'ondes comprises entre 0.3um et 10um (le visible est entre 0.4um et 0.8um). On envoie une impulsion puis on collecte la lumière réfléchie et rétro-diffusée par le nuage de gaz (ou de pluie, de poussières etc...) avec un télescope. Le principe se base sur cette formule : où :
- Pr est la puissance moyenne reçue par le photodétecteur
- P0 puissance moyenne émise par la source laser
- K rendement des composants optoélectronique du système
- A la surface du télescope de réception
- R est la distance de la zone de rétrodiffusion atmosphérique (déterminé par temps de vol de l'impulsion laser)
- rho le coefficient de rétrodiffusion de la cible molle (image de la concentration et la section efficace des éléments diffusants)
- alpha est le coefficient moyen d'absorption de l'atmosphère entre l'émetteur et la cible

Pour la mesure de la concentration d'un constituant atmosphérique (comme le CO2 par exemple), on utilise un Lidar DIAL pour DIfferential Absorption Lidar. Cette méthode est basée sur les variations du coefficient d'absorption en fonction de la longueur d'onde (en effet, le CO2 ne réagit pas de la même façon pour toutes les fréquences). On utilise 2 longueurs d'ondes différentes : une fortement absorbée par le constituant recherché et l'autre très peu absorbée par l'atmosphère et le constituant.

Avec un tel système, on peut mesurer des concentrations de quelques microgramme par mètre cube. En ce qui concerne la puissance, on utilise des impulsions de l'ordre de 50 à 150 ns de puissance crête de quelques MW (pour la détection de CO2, pour d'autres applications, on a des caractéristiques différentes). Le fait qu'on utilise une très courte impulsion fait qu'on peut utiliser de forte puissance sans problème. Le lidar présente l'avantage sur le radar de ne pas subir de pollution électromagnétique.

Si tu as besoin de davantage de précisions, j'essaierai de te les donner.

[Dominique Lefebvre]

Les lidars sont utilisées pour les cibles molles (pour mesurer une concentration de molécules en un endroit par exemple). C'est en fait un radar optique qui fonctionne avec des longueurs d'ondes comprises entre 0.3um et 10um (le visible est entre 0.4um et 0.8um). On envoie une impulsion puis on collecte la lumière réfléchie et rétro-diffusée par le nuage de gaz (ou de pluie, de poussières etc...) avec un télescope. Le principe se base sur cette formule : où :
- Pr est la puissance moyenne reçue par le photodétecteur
- P0 puissance moyenne émise par la source laser
- K rendement des composants optoélectronique du système
- A la surface du télescope de réception
- R est la distance de la zone de rétrodiffusion atmosphérique (déterminé par temps de vol de l'impulsion laser)
- rho le coefficient de rétrodiffusion de la cible molle (image de la concentration et la section efficace des éléments diffusants)
- alpha est le coefficient moyen d'absorption de l'atmosphère entre l'émetteur et la cible

Pour la mesure de la concentration d'un constituant atmosphérique (comme le CO2 par exemple), on utilise un Lidar DIAL pour DIfferential Absorption Lidar. Cette méthode est basée sur les variations du coefficient d'absorption en fonction de la longueur d'onde (en effet, le CO2 ne réagit pas de la même façon pour toutes les fréquences). On utilise 2 longueurs d'ondes différentes : une fortement absorbée par le constituant recherché et l'autre très peu absorbée par l'atmosphère et le constituant.

Avec un tel système, on peut mesurer des concentrations de quelques microgramme par mètre cube. En ce qui concerne la puissance, on utilise des impulsions de l'ordre de 50 à 150 ns de puissance crête de quelques MW (pour la détection de CO2, pour d'autres applications, on a des caractéristiques différentes). Le fait qu'on utilise une très courte impulsion fait qu'on peut utiliser de forte puissance sans problème. Le lidar présente l'avantage sur le radar de ne pas subir de pollution électromagnétique.

Si tu as besoin de davantage de précisions, j'essaierai de te les donner.

Bonsoir,
très intéressant ton exposé sur les lidars. Mais en pratique, ils ne sont jamais utilisé pour faire de la mesure de pluviométrie : leur ouverture est bien trop faible. Sauf dans certains cas spécifiques et sur des plateformes aéroportées de haute altitude.
Comme tu le dis, on utilise essentiellement les lidars pour faire de la mesure locale de concentration en polluants. Pour la petite histoire, c'est avec un lidar qu'on fait les premières mesures systématiques de concentration atmosphérique en CO2 (à Hawaii).
Toutes les mesures de pluvio sur zone qui sont faites aujourd'hui le sont avec des radars...

[Timothé Lefebvre]

Dont le plus connu est le radar RONSARD, construit par le laboratoire CETP du CNRS ! Allez, petit coup de pub :king2: