profils experimentaux de i’horizon infrarouge de la terre

Profils experimentaux de 'horizon infrarougede la terre

A. Girard et M. P. Lemaitre

This paper presents experimental ir horizon profiles of the earth seen from outside the atmosphere.Measurements were made from a capsule which reached 175 km. The attitude was controlled during thewhole flight by means of a gyroscopic device. Seven spectral channels were studied, especially: ozone(9.6 ,u), CO2 (14-16 ,), the range of atmospheric window (11 ,u), and a broad channel (1-50 1A) that was theonly one of the first experiment in 1965. The spatial limit of resolution is 0.160, and the attitude inspace of the capsule has been reconstructed with an accuracy equal to 0.05° due to a star mapper. Re-sults are expressed as variations of radiance with respect to tangential height for the different spectralchannels.

1. Introduction

L'observation, depuis l'espace, de l'horizon g6ome-trique de la terre est tres fortement perturb6e parl'atmosphere. La connaissance de ces perturbationsest importante a deux points de vue complementaires.

Tout d'abord, la scurit6 et la precision des senseursd'horizon, utilis6s ds les premiers vhicules spatiauxcomme moyens de guidage et de contr6le d'attitude,d6pendent directement d'une meilleure connaissancedu profil de la zone de transition terre-espace et de sesvariations en fonction de la latitude, de la saison et desconditions m6teorologiques.

D'autre part, l'analyse de la rpartition spatiale durayonnement thermique constitue un moyen d'6tude del'atmosphere et peut notamment contribuer a am6liorerla connaissance du profil de concentration des consti-tuants les plus actifs dans l'infrarouge: vapeur d'eau,ozone, gaz carbonique. La vapeur d'eau est sansdoute le constituant atmosph6rique dont le profil deconcentration est a la fois le plus mal connu au delh dela tropopause et susceptible des plus grandes variations.Au contraire, il est gen6ralement admis que la concen-tration relative du CO2 est assez uniforme dans letemps et dans l'espace, de sorte qu'il peut servir d'61-ment tmoin pour la determination de profils detemperature dans l'atmosphere. Il en dcoule d'im-portantes applications en meteorologie ainsi que dans ledomaine de la scurite arienne (detection de turbu-lences en ciel clair).

The authors are with the Office National d'Etudes et de Re-cherches A6rospatiales (ONERA), 92 Chftillon, France.

Received 26 August 1969.

Cette propriet6 du CO2 fait galement de la rgion14-16 ji, oA son influence est predominante, le domainespectral privilegi6 des senseurs d'horizon. I est in-t6ressant de remarquer que les applications ont pr6-ced6 dans ce domaine toute etude exp6rimentale duph6nomene de base; en effet, le choix du domainespectral et le calcul des dispositifs infrarouges destabilisation d'attitude actuellement en service sontbas6s sur des rsultats de calculs effectues sur desmodeles d'atmosphere. Les rsultats experimentaux,encore tres fragmentaires et incomplets, doivent per-mettre de v6rifier les hypotheses de calcul et d'affinerles modeles d'atmosphere en tenant compte des vari-ations syst6matiques des parametres dues a la latitudeet a la saison. Enfin, des mesures sur satellites (Ref.12) permettraient d'6valuer la variance des paramatresen fonction des conditions meteorologiques locales.Les consequences escomptes sont, au minimum, unaccroissement de la pr6cision des senseurs d'horizon(de 30' a 1') et peuvent aller jusqu'a une remise enquestion des ides 6tablies quant au domaine spectralet au systeme de traitement des informations tir6es duprofil de transition.

Ce type d'experience consiste a analyser par balayagele rayonnement de la zone de transition terre-espace enlocalisant a tout instant la zone visee par rapport ades reperes gographiques. Cela suppose la con-naissance de l'attitude de l'appareillage, avec une pre-cision de l'ordre de la minute. Ce point met en6vidence la difficulte majeure rencontree dans ce typed'exp6rience. Il s'y ajoute la difficulte inherente atoutes les exp6riences infrarouges embarquees: ac-cepter la faiblesse relative de sensibilite des detecteursthermiques fonctionnant a la temperature ambiante, oules servitudes imposes par les dispositifs cryogeniquesassocies aux detecteurs quantiques.

April 1970 / Vol. 9, No. 4 / APPLIED OPTICS 903

Le but de ce rapport est de dcrire la seconde ex-p6rience TACITE* ralisee par 'ONERAt avec l'aidedu CNESt et de presenter les principaux rsultatsexp6rimentaux obtenus. L'interpr6tation des rsultatset leur confrontation avec les travaux theoriqueseffectues sur des modeles d'atmosphere pour les diversdomaines spectraux 6tudi6s ne sont que sommairementabord6es dans ce rapport. En effet, ce travail estactuellement en cours, en collaboration avec le labo-ratoire de spectroscopie mol6culaire de la Facult6 desSciences de Paris (Pr. G. Amat). Les conclusions enseront publi6es ulterieurement.

II. Travaux anterieurs

A. Etudes th6oriques

La prevision analytique du profil infrarouge del'horizon terrestre a fait l'objet de nombreux travauxdepuis une dizaine d'annees. Les travaux sur latheorie bien connue du transfert radiatif reposent surles hypotheses suivantes:

1\/is part l'effet des nuages, le facteur de trans-mission ne dpend que des transitions mol6culaires.La diffusion n'a pas d'effet appreciable dans l'infra-rouge.

L'atmosphere est un milieu en quilibre thermo-dynamique local pour les altitudes consider6es (H < 80km).

Dans ces calculs, l'atmosphere est partagee encouches concentriques l'int6rieur desquelles la tem-p6rature et la pression partielle de chaque constituantsont suppos6es connues et uniformes.

Les Refs. 1-9 sont les principales sources de renseigne-ments sur les rsultats des calculs de profils de l'horizoninfrarouge des divers domaines spectraux. Le do-maine spectral le plus tudie est la bande 15 u du gazcarbonique; il a fait l'objet d'6tudes particulieres dansdifferentes conditions m6teorologiques et climatiques(cf. Refs. 4 et 6).

En raison de la structure tres complexe des bandes devibration-rotation des mol6cules H20, C0 2 , 03, lefacteur de transmission de l'atmosphere varie de fagontres rapide avec la longueur d'onde. C'est pourquoil'6tablissement des lois de variation du facteur detransmission des gaz atmosph6riques en fonction del'6paisseur travers6e, du domaine spectral et des condi-tions physiques (concentration, temperature, pression)constitue un travail preliminaire tres important etencore inachev6 actuellement. Les travaux de Goody,Elsasser, Kaplan, Plass, Kondratiev, et Benedict sontparmi les plus importants sur cette question. IIexiste une marge non ngligeable d'incertitude dans lesresultats, qui n'ont pratiquement pas fait l'objet de

* Tentative d'Analyse du Contraste Infrarouge Terre-Espace.t Office National d'Etudes et de Recherches Mrospatiales.t Centre National d'Etudes Spatiales.

verification experimentale dans les conditions detemperature et de pression de la haute atmosphere.Ces incertitudes affectent 1'ensemble des calculstheoriques de profils d'horizon. I est d'autant plusremarquable de constater un assez bon accord entre cesr6sultats et les premiers releves experimentaux actuelle-ment connus.

B. Profils experimentaux deI'horizon infrarouge

Les r6ferences indiquees dans ce paragraphe sontrelatives des travaux directement comparables l'objet de ce rapport. Par consequent, en sont exclusplusieurs domaines de recherches connexes: profilsd'horizon diurnes dans les domaines visible et ultra-violet, recherches sur l'emission infrarouge de lathermosphere (aurore boreale infrarouge, 7 ) mesures derayonnement par les satellites meteorologiques. Toute-fois, les resultats obtenus par satellites (ex. COSMOS 45,satellites TIROS) ont fourni d'importantes confirma-tions sur les rsultats de calculs d'echanges radiatifsdans l'atmosphere. Certains d'entre eux ont memefourni les premieres indications experimentales sur leprofil d'horizon dans la bande du CO2 . Les Refs. 3 et14 rsument les rsultats exp6rimentaux sur ce sujet.I1 ne s'agit pas cependant, dans ces travaux, d'uneanalyse spatiale du profil d'horizon.

Rappelons la double condition remplir pour cesexperiences: avoir une limite de resolution spatialetres inf6rieure au degr6 et restituer l'attitude de l'ap-pareil dans l'espace avec une precision du meme ordrede grandeur. Pour l'exp6rience TACITE 02 dcritedans ce rapport, la limite de resolution est 0.160(valeur identique a celle de l'exp6rience TACITE 01)et la restitution d'attitude a t6 ralisee avec une pr6-cision voisine de 0.05°.

Deux sries d'exp6riences ont fait l'objet de publica,tions:

L'une est ralisee par 'U.S. Air Force CambridgeResearch Laboratories. Au cours de l'exp6rience du28 avril 1968, trois domaines spectraux ont 6te ex-plores'1 : 19.5-31.8 et 10.2-11.8 ,u avec une limitede resolution de 0.24°, 14.0-15.6 u avec une limite deresolution de 0.370.

L'autre est le projet SCANNER ralis6 par laNASA. Au cours de l'experience du 16 aot 1966,deux domaines spectraux ont te explores'0 : 14.0-16.3 et 21.1-31.8 A. Pour chacun d'eux, cinq detec-teurs fonctionnaient simultan6ment avec une limite deresolution nominale de 0.0250.

Pour ces deux sries d'exp6riences, la restitutiond'attitude est assur6e grace a des senseurs stellaires.

Les rsultats obtenus dans la bande du CO2 sont enexcellent accord avec les previsions theoriques.

Enfin, un projet d'experience sur satellite 2 existe,dont le programme serait concentre sur l'6tude statis-tique du profil d'horizon dans la bande du CO2.

904 APPLIED OPTICS / Vol. 9, No. 4 / April 1970

111. Description de 'experience

A. But

Cette experience 6largit les buts d'une experienceprecedente. I s'agit d'etudier la zone de transitionentre la terre et l'espace dans sept domaines spectraux(Fig. 1 et Table I).

B. Caract6ristiques generales

La capsule de mesure, d'un poids total de 240 kg, estplac6e hors de l'atmosphere par un propulseur mono-6tage poudre. Elle contient essentiellement lesmoyens de t6lemesure n6cessaires pour transmettre ausol les mesures scientifiques et technologiques, desdispositifs de controle d'attitude et une charge scien-tifique.

1. Moyens de restitution d'attilude

Un dispositif gyroscopique de stabilisation automa-tiquel6 fait tourner la capsule autour de son axe longi-tudinal a la vitesse de 150 sec-', et maintient cet axeparallele a la verticale du lieu de lancement a l'instantdu tir. Les gouvernes sont constitues par des jetsd'azote gazeux dlivres par des lectrovannes; laprecision de 1'asservissement de I'axe de la capsule a ladirection du moment cinetique du gyroscope est de40.250. Les valeurs des carts angulaires sont

tel6mesurees en permanence pendant la priode demesure.

Les moyens de restitution d'attitude de la capsuledans l'espace sont complet6s par un senseur stellaire.I1 s'agit d'un appareil statique. Trois fentes de lar-geur angulaire 1 minute, disposees en N (Fig. 2), sontplacees au foyer d'un objectif, devant un photomul-tiplicateur. L'appareil est rgle pour 8tre insensibleaux 6toiles de magnitude superieure a 1.5. Au-dessusde ce seuil, le passage d'une 6toile dans le champ (3deg) de l'appareil se traduit par 3 impulsions reperablesdans le temps avec une pr6cision de 2 msec. L'ap-pareil est oriente, en site, dans la direction d'un couple

1 10 20 30 4 0

I-

6 9.25w- 9.55i

7 10.36-11.72)J

10DOO |1D o o50 250c

1 10 20 30 40Op

Fig. 1. Transmission spectrale des sept canaux de mesure.

d'etoiles slectionnees (a VIR et aSCO dans le cas decette experience) et dont les hauteurs znithales sontpeu differentes l'une de l'autre a l'heure du tir au lieu delancement.

2. Materiel de mesure

I1 est constitu6 par 4 appareils independants, dis-pos6s a 90° l'un de l'autre (Fig. 3). Chaque ensemble(Fig. 4) comprend un miroir plan oscillant qui renvoiele rayonnement provenant de la zone de transition dansle telescope; l'axe du telescope est parallele a l'axede la capsule et, par consequent, maintenu au cours de

1 ~~~~~~~~~~~~~1

Fig. 2. Systeme de fentes dans le plan focal image du senseurstellaire.

Fig. 3. Schema du bloc optique.


Fig. 4. Sch6ma optique d'un telescope.

l'exp6rience dans la direction de la verticale au lieu delancement. Au cours de l'oscillation du miroir,l'angle form6 par la direction d'observation et l'axe dela capsule varie entre 720 et 94°. Le contour terrestrese trouve ainsi intercepte au cours de tous les balayagespour les altitudes de la capsule sup6rieures 60 km. Letelescope, du type Cassegrain, a un diametre utile de 90mm. Au foyer du telescope, une fente dlimite unchamp de dimensions angulaires 2 X 0.160. La fenteest parallele a l'horizon terrestre. La valeur de 0.160d6finit donc la limite de resolution spatiale de l'ex-p6rience.

La m6thode de mesure s'ecarte du cas de 'exp6rienceTACITE 1; le principe d'une mesure diff6rentielle a t6adopt6. Le recepteur regoit alternativement le faisceaude mesure issu du tlescope et un faisceau de rferenceprovenant d'une direction 30° au-dessus de 'hori-zontale (Fig. 4).

Les domaines spectraux sont dlimites par des filtresinterf6rentiels. Les domaines spectraux larges (Q1-50,u et (® 7.5-35 ,u) sont analyses par deux appareilssitues 90° l'un de l'autre dans la capsule. Pour cesdeux appareils, la priode d'oscillation est de 4 sec.Ces deux appareils sont quipes d'un rcepteur pneu-matique dtection capacitive.'9

Un troisieme appareil, galement quip6 d'un rcep-teur pneumatique, analyse les domaines 0) (14.2-15.9,u) et (®) (19.5-35 ) alternativement.

Enfin, le quatrieme appareil analyse alternativementles domaines (®) (1-5.5 u), 0 (9.25-9.55 u) et @ (10.36-11.72 ). I est quip6 d'une cellule photoconductrice(germanium dop6 au mercure) qui fonctionne 27 K,au moyen d'un cryostat refroidi au neon solide."1

Pour ces deux derniers appareils, la p6riode d'oscilla-

tion des miroirs de balayage est 40 sec, avec commuta-tion des filtres a chaque periode.

Le calage relatif de tous les moyens de mesure (gyro-scope, senseur stellaire, telescopes) a t6 ralis6 avecune pr6cision de l'ordre de la minute, pour determiner,aussi exactement que possible, la direction de l'espacevis6e chaque instant, par chacun des 4 appareils aucours de l'exp6rience.

C. Droulement de 'experienceL'exp6rience a eu lieu le 15 mai 1968 0.38 h TU, a

partir de la base de l'ile du Levant dans le sud de laFrance et elle s'est droulee dans de bonnes conditions.Apres ejection d'une coiffe protectrice, acquisition del'attitude correcte, les mesures ont commence au temps80 sec 100 km d'altitude. Elles se sont poursuiviespendant la montee jusqu'a 175 km, sommet de la tra-jectoire, puis pendant la descente jusqu'a la rentr6edans les couches denses de l'atmosphere vers 65 km, autemps 360 sec. Tous les instruments de mesure ontfonctionn6 dans cet intervalle.

Sur les canaux n 3 et 4, les enregistrements sontentaches d'un niveau de bruit anormalement 6lev6, enraison d'un effet microphonique inattendu. La Fig.5(b) est un extrait d'enregistrement du canal n 4.Les autres voies de mesure ont fonctionn6 de fagonentierement satisfaisante. Les Fig. 5(a) et (c) sont desfragments d'enregistrements relatifs aux canaux n0 2 etn 7.

Tous les enregistrements, au nombre de 286, obtenusdans un large domaine spectral, c'est-a-dire sur lescanaux 1 et 2, presentent le meme aspect: en allant dela terre vers l'espace, une zone variation rapide dusignal est tres nettement discernable de la zone variation lente qui la suit. Le point situe l'inter-section des deux zones est reperable sur tous les enre-gistrements pour les canaux 1 et 2. I est dsign6, dansla suite de ce rapport, sous le nom de "point de cassure

5.-CANALZ

Te- . b CANAL

_ f~~i _Fig.ce 5. I-xtraits d~eregisaeent

F ig. 5. E xtraits d'enregistrements.


de la zone de transition." La mise en evidence de cepoint singulier etait d6ja un des r6sultats de l'experienceprec6dente.' 3

IV. Restitution d'attitude et localisationgeographique des profits enregistres

A. Altitude de vis6e

Le point d'observation est situ6 en dehors de l'at-mosphere; de ce fait, l'6nergie reque par le d6tecteur estindependante de la position de ce point sur l'axe devise. Le parametre utilise ici pour caract6riser cetaxe est 1' "altitude de visee" H, definie comme la pluscourte distance a la surface terrestre (Fig. 6). QuandH =0 l'axe de vis6e est tangent a la terre. Ce pa-rametre est generalement utilis6 dans les etudes theo-riques.

La definition de l'axe de visee est complete par laconnaissance de l'angle d'azimut co du plan vertical devis~e.

B. Calcul de et de H

L'attitude en roulis de la capsule est reper6e parl'instant de passage d'une des deux toiles pr6vuesdevant le senseur stellaire; la vitesse de roulis de lacapsule est constante. L'azimut de vis6e de chacundes telescopes, fonction de sa position dans la capsule,est calcule par interpolation lineaire entre deux pas-sages de la m~me 6toile.

H est fonction de 7 parametres: (1) x, y, z, co-ordonnees de la capsule dans un triadre de ref6rence liea la terre; (2) w, angle d'azimut; (3) 0 et 4, angles detangage et de lacet (<0.250) mesurant l'ecart entrel'axe de la capsule et la direction du moment cinetiquedu gyroscope; (4) so, angle form6 par l'axe de visee etl'axe de la capsule. Il est calcule par interpolationentre deux signaux qui se produisent en fin de course dumiroir oscillant, le balayage s'effectuant vitesseangulaire constante.

Fig. 6. Dfinition de l'altitude de visee, H.

H km

30

20

10

_ C_ 0 1n 1

___Ca,a120

E E

N> N

1 s

Trs

100 150 200 250 300 350

Fig. 7. Rsultats des calculs d'altitude de vise avant correctiond'attitude.

Le calcul de H a te effectu6 en particulier pour lepoint de cassure de chacune des transitions enregis-tr6es sur les canaux 1 et 2. Les rsultats de ce calculsont runis sur la Fig. 7. Les valeurs s'inscrivent surdes courbes oscillantes dont la periode est celle de larotation de la capsule et dont 1'amplitude est la memepour les deux canaux, avec cependant un decalage enordonnee. L'absence de points entre les temps T275 sec et T = 300 sec correspond a une interruptionvolontaire du pilotage automatique. Cette interrup-tion permet, 'aide des informations du senseurstellaire, de reconstituer le mouvement libre de lacapsule en utilisant les seules lois de la mecanique duvol. Les resultats de la Fig. 7 mettent en evidence deserreurs sur la determination de ' axe de visee, erreursqui peuvent 8tre analys6es simplement. I est raison-nable d'admettre que, dans un m~me azimut de visee,l'altitude Ho du point de cassure enregistr6 doit 8treconstante quelle que soit l'altitude Z de la capsule, quise trouve en dehors de l'atmosphere. Or ceci n'ap-paraft pas sur les courbes oi Ho mesur6 est, pratique-ment dans tous les azimuts, une fonction croissante deZ. On peut attribuer cette variation l'existenced'une erreur angulaire, AO, constante pour toutes lesaltitudes pour un azimut donn6. La determination deAO en fonction de w a et6 faite par la methode desmoindres carres. Les rsultats s'inscrivent, pour lesdeux voies, sur deux sinusoides en phase et de m~meamplitude.

C. Interpr6tation des calculs

L'aspect priodique des courbes AO(c) ne peuts'expliquer que par une derive du gyroscope, dontl'amplitude est celle des sinusoides AO, c'est-a-dire0.330 4 0.030. L'azimut du maximum et du mini-mum des courbes est celui de la direction dans laquelle ad6riv6 le gyroscope, c'est-a-dire a 69° de l'est, dans lesens trigonom6trique. L'introduction, dans le calculde Ho, du decalage angulaire A(w) donne la valeurcorrig6e de Ho. On trouve alors que cette op6ration,destinee a eliminer les variations de Ho fonction de


l'altitude pour un azimut donn6, a pour rsultat desupprimer toute variation de Ho quel que soit l'azimut;la courbe Ho(T) obtenue est une horizontale. La valeurmoyenne est Ho = 12.5 km 4 1 km.

L'ecart existant entre le niveau moyen des sinusoidesAo(w) et le niveau zro traduit une erreur angulaireconstante, lie a la capsule, independante de l'azimut,et qui s'explique par un d6calage des miroirs oscillantsou de la semelle du gyroscope.

Pour le canal 1, cette erreur globale est de 0.220, pourle canal 2 elle est de 0.580. Dans ce second cas, lapresence du senseur stellaire, visant dans le mmeazimut que le telescope, permet de preciser qu'il y a:(1) un dcalage optique de 0.220, (2) un dcalage dugyroscope de 0.33°.

Les informations fournies par le senseur stellaire ontpermis de retrouver la drive du gyroscope par desmoyens entierement independants des mesures in-frarouges. L'accord est excellent entre ces deuxm6thodes: 0.330 680 de l'est dans le sens trigono-metrique.

En conclusion la restitution d'attitude a 6t6 ralis6eavec une precision voisine de 0.050.

V. Rsultats

Une comparaison entre les rsultats pr6sent6s et lestravaux experimentaux et theoriques anterieurs doittenir compte des domaines spectraux et de la largeur dela fente d'exploration (0.160 dans cette experience).Un troisieme facteur est l'influence de la refractionatmosph6rique au voisinage immediat de l'horizongeometrique terrestre. Tous les rsultats presentesci-dessous ont t6 corrig6s de l'effet de refractionatmospherique pour faciliter les comparaisons et pre-parer l'interpr6tation plus approfondie qui doit en8tre faite ult6rieurement.

A. Canal 1: domaine spectral int6gral (1-50 ,4)L'exp6rience a eu lieu de nuit. Il n'y a eu aucun

effet direct du soleil. L'effet de la pleine lune, aumoment de l'exp6rience, peut egalement 8tre tenu pournegligeable dans ce domaine spectral tres large. Leseul cnal de mesure o l'effet du clair de lune doit8tre envisag6 est le canal 5. Les deux publicationssusceptibles de servir d'6l6ments de comparaison sontd'ordres exp6rimental'2 et theorique.'

La Fig. 8 reproduit 12 profils d'horizon sur les 136profils enregistres sur ce canal. Ils ont 6t6 obtenusvers le sommet de la trajectoire. Les coordonneesg6ographiques du point vise l' horizon gom6triquesont indiquees pour chaque profil.

Les premieres conclusions qui peuvent etre tirees deces rsultats sont les suivantes:

(1) Un examen, m~me sommaire, de l'ensemble desresultats conduit distinguer, sur chaque profil, unezone variation lente et une zone variation rapide,plus proche de l'horizon terrestre. La region de rac-cordement entre ces deux zones est tres localis6e.L'existence de ce "point de cassure," qui etait un desprincipaux rsultats de l'experience TACITE 1, est

6galement en accord avec les previsions de Kondratiev.Il est naturel de relier cette caracteristique du profild'horizon au profil vertical de la concentration en vapeurd'eau et, plus precis6ment, a l'existence d'une zonetres seche immediaterrent au dessus de la trop( pause.

(2) Au dela de 10 km, le profil de l'horizon infra-rouge est remarquablement hormogene dans le domainedes latitudes observees (290 a 57° N), en d6pit de condi-tions mteorologiques tres diverses. En particulier,aucune variation significative n'a pu etre d6cel6e pourl'altitude du point de cassure dans les limites de pre-cision de l'appareillage. Le rsultat H = 12.5 km4 1, confirme, en le precisant, le r6sultat de TACITE 1.Cette homog6neite justifie, a posteriori, l'hypothese del'homogeneite dans un azimut donn6, utilis6e pour larestitution d'attitude (voir Sec. IV. B).

(3) La pente variation rapide est en tres bonaccord avec les previsions de Kondratiev (65 N,ciel clair), compte tenu de la largeur de la fente d'explo-ration et de la correction de refraction atmospherique.Les luminances nerg6tiques mesurees, fortement d-pendantes des conditions m6teorologiques, sont egale-ment conformes aux previsions.

(4) Les rsultats ne confirment pas l'hypotheseavanc6e dans la presentation des rsultats de l'ex-perience TACITE 1 concernant 'existence d'uneemission infrarouge de l'ordre de 10-3 W cm- 2 sr-',dans le domaine des altitudes comprises entre 60 km et180 km. En effet, aucun enregistrement ne permet dedeceler un signal une altitude sup6rieure a 60 km.L'hypoth se, envisag6e des la presentation des premiersr6sultats, d'un phenomene parasite d'ordre experimen-tal pour expliquer ce signal a haute altitude, se trouvedonc renforce6e, sans qu'aucune certitude soit cependantacquise. En effet, la presence de zones missivesd'intensite tres variable dans le temps et pouvantd6passer 5.10-3 W cm- 2 sr-' a 6t6 dcel6e lors d'ex-p6riences rcentes' 7 a des altitudes comprises entre 150km et 500 km.

B. Canal 2 (7.5-35 ,>)La Fig. 5 (a) est un extrait de l'enregistrement obtenu

sur ce canal. La Fig. 8 reproduit 12 profils d'horizonparmi les 150 profils enregistres. Ils ont et6 obtenusvers le sommet de la trajectoire.

Comme il tait previsible, les caracteristiques gn6-rales de ces profils sont en tout point comparables acelles du domaine spectral int6gral. Les conclusions duparagraphe pr6cedent sont done galement valablespour celui-ci.

Une comparaison plus attentive des resultats obtenussur les canaux 1 et 2 est cependant interessante.

Parmi les trois constituants atmospheriques notable-ment actifs dans l'infrarouge (CO2, H20, 03), la vapeurd'eau joue un rle pr6pond6rant dans le domaine spec-tral qui rsulte de la diffrence des courbes de trans-parence 1 et 2 (Fig. 1); ce domaine contient en effetprincipalement la bande de vibration-rotation de H20centr6e sur 6.3 ui et la rgion de rotation pure compriseentre 35 u et 50 u. La contribution du gaz carboniquedans la rgion de 4.2 ,u peut etre tenue pour n6gligeable


1

0I N.. 568

.k 7 (D N iW

I \ \ N

0.X -20.10 0 1 0 4 0

>N. .. . .. ..

61t Q5 0 216E

'\\

10 20 .10 0 10 20 X60 2 0 60 0

1t

6,3 15 4 N25 E

* 1 5 N 206E

3 (D- ,C-\ \ I

0 H2.mX 020.10 0 26 260640S60

i 5

2 '\

I0 20 .1 0 26 2 60 4 60 0

(15 4i1 lOW

N 2 . r

0.20 - 0 D 60 4 t .d"

. E i

! t \ (!) lgN 7 W

O- 0 "' H.. 2- -)7

1Ri*

I, I

0. - . 066130 20 10 0 26 26 0 26 0 0

Fig. 8. Exemples de profils de transition pour les canaux 1 et 2 et pour differentes zones de l'horizon visees au cours de l'exp6rience.

en premiere approximation. Enfin, l'ozone ne joueaucun r6le appreciable dans ce domaine spectral.

On peut donc admettre que la courbe (Fig. 9), qui estla moyenne des diff6rences d6duites des 12 couples decourbes (Fig. 8), isole convenablement une part de lacontribution de la vapeur d'eau au signal global.

C. Canal 3 (14.2-15.9 At)

Pour les raisons exposees au debut de ce rapport, cedomaine spectral est le plus tudie theoriquement(Refs. 1 a 9) et experimentalement (Refs. 10 et 11).Cette voie de mesure a te affectee par un effet micro-phonique. Les deux profils exploitables (Fig. 10)different assez notablement l'un de l'autre. Les co-ordonn6es geographiques indiques pour chacun d'euxsont relatives a 30 km d'altitude. Les parties trac6esen pointill6 sur les profils correspondent a des zones oule niveau de bruit est tr.s eleve; dans ces zones, letrac6 rsulte d'une interpolation entre deux regionsexploitables. L'accord avec les rsultats anterieursest bon. Cependant, les valeurs mesurdes de la lu-minance 6nergetique sont assez nettement superieuresaux valeurs publi6es pour les profils analytiques.

D. Canal 4 (19.5-35 At)

Ce domaine spectral couvre la majeure partie duspectre de rotation pure de la vapeur d'eau.

Cette voie de mesure a W affectee du meme effetmicrophonique que la prec6dente. La Fig. 5 (b) estun extrait d'enregistrement de ce canal. La Fig. 11reproduit deux profils, dont les latitudes, a l'horizon,sont respectivement 310 N et 570 N. Les differencesqui apparaissent au dela de 10 km d'altitude entre lesprofils relev6s a diff6rentes latitudes sont nettementplus importantes sur ce canal que sur les autres.

La determination du profil vertical de la concentra-tion en vapeur d'eau a haute altitude est un sujet con-trovers6 en raison du manque de techniques de mesure6prouvees et des tres grandes variations temporelles etspatiales que de profil subit.

Il est peu probable qu'une analyse approfondie de cesprofils puisse 8tre faite en raison de la mediocre qualit6des enregistrements sur cette voie de mesure. Ils per-mettent cependant de confirmer la possibilite d'6tudesyst6matique de la r6partition de la vapeur d'eau dansla haute atmosphere par le releve du profil angulaire del'emission infrarouge. Ils confirment egalement que cedomaine spectral serait tres d6favorable pour un dis-positif de stabilisation.

Bien qu'importante, l'influence des nuages sur lesniveaux mesur6s aux altitudes inf6rieures a 10 km estmoins marquee que sur le canal 7, domaine de lafenetre de transparence atmosph6rique.


IIIs

R~

1) '4 2E

3 3SN 226E

3(1 14 W

4I \ \ Q) i 1

15 6 1W

157 1E

IIIs

(156. Ai

& . N @62*6

O " HKm

.30 .20 .aD 0 10 20 X 40 50 6 D X 40 50

I

3 0 1 1 X 1. 50 60

,I 1,5

0-0I: I

045

00 10 20 30 40 50 60

H km

Fig. 9. Difference des profils releves sur les canaux 1 et 2.

I 1,5

-, I .

H km

Fig. 11. Profils d'horizon obtenus sur le canal 4 (19.5-35 ).

40N 10'W.6 . - 4SN 24 E

4 02\\

10 20 30 40 50 60 70Hkm

Fig. 10. Profils d'horizon obtenus sur le canal 3 (14.2-15.97.).

E. Canal 5 (1-5.5 u)

Le signal observ6 sur cette voie de mesure est extre-mement faible. Le rapport signal sur bruit, de l'ordrede 2, ne permet aucun trace de profil d'horizon. D'autrepart, la sensibilite spectrale du rcepteur varie de fagontres importante dans ce domaine de longueur d'onde;elle est maximale dans la zone de sensibilite du ger-manium itrinseque vers 1.7 . Au-dessus de la terrel'6mission est quivalente celle d'un corps noir auxenvirons de 243 K. A ce stade du dpouillement,l'examen de cette voie n'a pas fait l'objet d'une analyseplus approfondie.

F. Canal 6 (9.25-9.55 )

Les profils analytiques comparables ont 6t6 gne-ralement calcules dans un domaine spectral qui englobetoute la bande d'emission de l'ozone; les previsions deHanel5 portent sur le domaine 8.9-10.1 At et celles deKondratievl sur le domaine 9.01-10.29 . Les profilsanalytiques presentent un palier vers 25 km quis'explique naturellement par la rpartition verticaletrbs particuliere de l'ozone.

La Fig. 12 reproduit les 6 profils obtenus sur cettevoie de mesure. Il existe un bon accord entre lesr6sultats exp6rimentaux et les profils analytiques cal-cules dans des conditions saisonnieres et des latitudes

$2N

4 6 .

CAAL6 \ .

4S N 4.

. .0 .0 .0 .0

* ' 0

C6L6 1 \ '.

.22 0 .1 .0 .60 .80

16

.6 2 .20 .42 .0 .60 z

STE 6E 1

II,

10C L 2 .60 .62 .00 160

*a _0 0 0 .40 .E

YIN 456 I5w W !

I I 12I

CAM6 kS00.155 .

.

6.l

I .

.eo 21 .20 .60 .1 .80

lit0 0 A

SrN Srn1rE 21E

. y

1 .2

\I'RCAN1AL6

.2 2 .o 0 40 .60 .6

Fig. 12. Profils d'horizon obtenus sur le canal 6 (9.25-9.55 u)

comparables. C'est du moins la conclusion a laquelleconduit un premier examen qualitatif. Tous les pro-fils pr6sentent un palier ou un maximum peu accus6entre 15 km et 40 km d'altitude. La valeur de laluminance nerg6tique est voisine de 5.5 X 10-0 Wcm- 2 sr-' pour les 6 profils vers 30 km d'altitude.L'6mission s'annule entre 60 km et 75 km d'altitudeselon les profils.


Table I. Liste des domaines spectrux 6tudi6s

N°du Limites spectrales

canal (,a) (cm- 1) Caract6ristique

1 1 -50 10000- 2002 7.5 -35 1330- 2853 14.2 -15.9 704- 629 CO24 19.5 -35 513- 285 H205 1 - 5.5 10000-18206 9.25- 9.55 1081-1047 037 10.36-11.72 965- 853 Fenetre atmosph6rique

CANA

rc

.20 Jo0 0 .0 .20

81

it 0

CANAL7 1

20 .42 0 .4 .22 J

"I

4

;3

CA44AL7c%4^41.4

56NrE si

itj 5.

.9 2.

21 I.

Fig. 13. Profils d'horizon obtenus sur le canal 7 (10.36-11.72 ).

L'influence des conditions m6t6orologiques est im-portante; c'est ainsi que l'effet des nuages est tresmarqu6 sur le profil 510 N - 150 E en dega de l'horizongeometrique. Le profil 550 N - 170 E est tres diff6rentdu precedent, bien que geographiquement tres proche.

La repartition verticale de l'ozone peut en principe8tre restituee a partir de ces profils a condition de con-naltre la repartition des temperatures. L'applicationdes methodes de restitution ces profils exp6rimen-taux sera faite en collaboration avec le Laboratoire deSpectroscopie Mol6culaire de la Facult6 des Sciences deParis.

La sensibilite 6levee du d6tecteur quantique refroidiutilis6 est particulierement appreciable sur cette voie demesure dont le domaine spectral a une largeur de 0.3 A.

G. Canal 7 (10.36-11.72 At)

La Fig. 5 (c) est un extrait d'enregistrement de cecanal. Il met en vidence les deux observations quali-tatives les plus notables au sujet de cette voie demesure: la pente tres raide du profil d'horizon etl'importance des variations de niveau dues a la presencedes nuages.

En tenant compte de la largeur de fente (0.160) quiinfluence fortement les profils exp6rimentaux, la vari-ation presque lineaire observable sur les deux profils dela figure, non perturbes par des nuages entre 4 km et 8km d'altitude, differe peu des profils analytiques deHanel (Modele ARDC, domaine 10.75-11.75 At) et deKondratiev (650 Lat. N, ciel clair, domaine 10.55-11.01 At). Cependant, les profils exp6rimentaux (Fig.13)s'annulent vers 20 km d'altitude tandis que les profilsanalytiques s'annulent vers 10 km. La contributionde la vapeur d'eau est sans doute plus elevee pour leprofil exp6rimental, tant donn6 son domaine spectralun peu plus large.

En degh de l'horizon g6ometrique terrestre, laluminance nerg6tique prend des valeurs comprisesentre 6.10-4 W cm-2 sr-' au dessus des zones trdsclaires et 1.4 X 10-4 W cm- 2 sr-' au-dessus des nuagesles plus froids. Les deux profils mesures a 31° Lat.N ne sont pas perturbes. L'analyse a et faite dansdes zones o les observations m6teorologiques indi-quent un ciel particulierement d6gage. Par contrelesdeux autres profils releves a 55° et 560 Lat. N sonttres affectes par la pr6sence denuages. Une corr6la-tion a pu 8tre 6tablie entre ce canal et les canaux 1 et2 a large domaine spectral. Dans ces derniers egale-ment la presence de nuages froids modifie considerable-ment le niveau d'6nergie reque pour H < 5 km. Unecarte des zones nuageuses a pu etre etablie a partir desprofils enregistres. Les observations sur la couverturenuageuse au moment du tir fournies par les stationsmet6orologiques concordent avec cette carte dans delarges zones. Les regions les plus perturb6es aumoment de l'exp6rience sont la region comprise entrele Danemark et l'Irlande ainsi qu'un large secteurcontinental allant de la Baltique au sud de la Grece.

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12-15 Soc. for Exp. Stress Analysis, Sheraton Motor Inn,Huntsville, Ala. SESA, 21 Bridge Sq., Westport,Conn. 06880

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13-15 Electronic Sensing Symp., Cabana Motel, Palo Alto,Calif. SPSE, 1330 Mass. Ave., N.W., Washington,D.C. 20005

14-16 Wilks Sci. Infrared Workshop WVilks Sci. Corp., 140Water St., P. O. Box 441, S. Norwalk, Conn. 06856

16 Applications of Photopolymers Conf., Ft. MonmouthJ. Q. Umberger, Photo Prod. Dept., E. I. du Pont,Parlin, N.J. 08859

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21-24 Acoustical Soc. of Amer., Atlantic City, N.J. J.Boujoucos, Gen. Dyn. /Electronics, 1400 N. Goodman,Rochester, N.Y. 14609

22-24 7th Space Congr., Cocoa Beach T. H. Hanrahan,The Aerospace Corp., P.O. Box 4007, Patrick AFB,Fla. 32925

26-May 1 SMPTE 107th Semiann. Conf., Chicago D. A.Courtney, 9 E. 41st St., New York, N.Y. 10017

27-30 APS, Washington, D.C. W. W. Heavens, Jr., 335 E.45th St., New York, N.Y. 10017

27-30 Oil and Color Chemists Tech. Exhibition, LondonBritish Info. Services, 845 Third Ave., New York,N.Y. 10022

28-30 3rd Ann. Scanning Electron Microscope Symp.,IIT Res. Inst., Chicago 0. Johari, Metals Div.,IITRI, 10 W. 35 St., Chicago, Ill. 60616

May

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11-13 ISA Aerospace Instrumentation Symp., SeattleJ. M. Taylor, 3246-116th St. S.E., Bellevue, Wash.98004

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12-14 Wilks Sci. Infrared Workshop Wilks Sci. Corp., 140Water St., P. O. Box 441, S. Norwalk, Conn. 06856

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profils experimentaux de i’horizon infrarouge de la terre

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