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La superpuissance du radar à ondes millimétriques : comment capture-t-il les secrets des petites gouttelettes d'eau et des fortes pluies ?
Le radar à ondes millimétriques, également connu sous le nom de radar à nuages, est conçu spécifiquement pour la surveillance des nuages et fonctionne dans la gamme de fréquences de 24 à 110 GHz. Une fréquence aussi spéciale fait que la longueur d'onde du radar à ondes millimétriques est d'environ 1 mm à 1,11 cm, ce qui est environ dix fois plus courte que celle des radars à bande S traditionnels tels que NEXRAD. L’objectif principal de cette technologie est d’étudier la nature des nuages et leur évolution.
Ces systèmes radar fonctionnent généralement dans la bande Ka à 35 GHz et dans la bande W à 94 GHz, qui présentent la plus grande efficacité en matière de transmission atmosphérique.
Le radar à ondes millimétriques a une résolution temporelle et de distance très élevée. La résolution temporelle est généralement réglable, allant de 1 à 10 secondes, tandis que la résolution de portée dépend de la conception et de l'objectif du radar. D'une manière générale, la portée de détection maximale du radar nuageux peut atteindre 14 à 20 kilomètres, et sa résolution de vitesse Doppler est de quelques centimètres par seconde.
Les radars à nuages sont principalement des systèmes polarimétriques, ce qui leur permet de mesurer les irrégularités des particules via le rapport de dépolarisation linéaire (LDR). Les radars sont généralement pointés directement vers le zénith, mais à mesure que la technologie s'est améliorée, de nombreux radars ont ajouté des unités de balayage qui permettent au radar de balayer sous différents angles à des vitesses plus élevées, obtenant ainsi des informations supplémentaires telles que les profils de vent verticaux et les informations sur le volume d'air.
Les radars à longue longueur d'onde ont moins d'atténuation pour les petites gouttes de pluie et les précipitations, tandis que les radars à courte longueur d'onde sont plus sensibles aux particules plus petites, ce qui signifie que le choix du bon radar est particulièrement important dans différentes conditions météorologiques.
Actuellement, le radar à ondes millimétriques est largement utilisé dans de nombreux domaines, notamment pour détecter les limites des nuages (comme la base et le sommet des nuages) et pour estimer les caractéristiques microphysiques des nuages (comme la taille des particules et le contenu en masse). Ces données aident à comprendre comment les nuages réfléchir, absorber et transformer l’énergie rayonnante traversant l’atmosphère. Le radar est également largement utilisé dans les études sur le brouillard et est utilisé depuis plus de 40 ans dans la recherche entomologique, notamment pour détecter des cibles qui sont presque exclusivement des insectes lors de journées claires et chaudes. De plus, il a récemment été découvert que le radar à ondes millimétriques peut être utilisé pour étudier les aérosols géants.
L'environnement de fonctionnement du radar nuageux ne se limite pas au sol, il peut également être dans les airs ou dans l'espace. Parmi les exemples de systèmes aéroportés, on peut citer les radars montés sur le HALO (High Altitude Long Range Research Aircraft) et l'avion de recherche KingAir dans le Wyoming. Un radar de profilage des nuages dans l'espace fonctionne depuis 2006 sur le satellite CloudSAT. La mission Earth Clouds, Aerosols and Radiation Explorer (EarthCARE), dont le lancement est prévu en mars 2023, emportera le premier radar de profilage de nuages basé dans l'espace avec des capacités Doppler.
Mesure avec radar : du QI au spectre
Les systèmes radar pulsés sont considérés comme des instruments de mesure actifs car ils transmettent des ondes électromagnétiques dans l'atmosphère et reçoivent les signaux qui se réfléchissent. Le radar est composé de différents composants matériels, chacun contenant des éléments différents. Les ondes électromagnétiques générées par l'oscillateur dans l'unité émettrice sont transmises à l'antenne via un guide d'ondes, qui les rayonne dans l'atmosphère.
Après que chaque impulsion transmise est diffusée par le volume d'air contenant de la vapeur d'eau, le signal de retour est collecté par l'antenne radar et numérisé après filtrage, amélioration et conversion descendante.
Bien que la transmission de chaque signal de retour change avec le temps, le champ électrique réfléchi dans le signal est obtenu à partir du mélange d'une grande quantité de vapeur d'eau. Par conséquent, le signal reçu est composé d’échos provenant de nombreuses particules de vapeur d’eau, et ces échos ne peuvent pas être analysés individuellement. Ainsi, en échantillonnant le signal, nous pouvons déterminer la distance de l'onde à un délai précis pour nous concentrer sur la diversité des échos.
De plus, lors du traitement Doppler du radar, un spectre obtenu à partir du signal de retour est automatiquement généré grâce au calcul du signal I/Q, permettant de mesurer la fréquence Doppler de l'écho. Cela aide les scientifiques à évaluer la gamme de vitesses de différentes particules dans le volume de l’échantillon.
Caractéristiques de la spectroscopie Doppler
Dans le volume d'échantillon du radar, il y a généralement plusieurs cibles de diffusion. Chaque cible possède son propre décalage de fréquence spécifique, ce qui nous permet d'analyser le spectre Doppler en mesurant la puissance renvoyée. La réflectivité peut être calculée à partir du spectre. En intégrant le spectre, nous pouvons obtenir des données météorologiques pertinentes et en déduire les changements climatiques.
Le premier moment du spectre représente la vitesse Doppler moyenne, reflétant la vitesse radiale dans l'ensemble du volume de l'échantillon, tandis que le deuxième moment indique la largeur Doppler, fournissant le degré de variabilité dans la plage de vitesse détectée.
A quoi faut-il faire attention parmi les nombreux paramètres ?
La largeur, l'asymétrie et le pic Doppler sont tous des paramètres clés pour décrire le spectre Doppler. L’étude de ces paramètres permet de révéler les changements microphysiques et dynamiques de la structure des nuages, ce qui est crucial pour prédire les changements météorologiques. De plus, les mesures polarimétriques du radar permettent de mieux comprendre le fonctionnement des précipitations et les impacts du changement climatique.
Avec les progrès de la technologie, le champ d’application du radar à ondes millimétriques devient de plus en plus étendu, mais dans cette exploration sans fin, pouvons-nous saisir et comprendre pleinement les principes physiques derrière ces technologies ?
