ONDES ET PARTICULES : SUPPORT DE L INFORMATION

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1 ONDES ET PARTICULES : SUPPORT DE L INFORMATION Les observations au voisinage de la Terre ou même dans tout l Univers mettent en exergue le transport d informations par les ondes et autres rayonnements. Mais qu elle est la nature de ces ondes? de ces rayonnements? Comment les détecte-t-on? C est ce que nous allons voir dans ce chapitre en nous intéressant à ces moyens de transport d informations. Nous essayerons de déterminer leur nature puis leur provenance, leur source. Dès lors, il conviendra d étudier les moyens de détection dont nous disposons afin de pouvoir exploiter leurs données voire les réutiliser. Pour cela, nous verrons dans un premier temps ce qu il en est des informations véhiculées dans l Univers avant de redescendre sur Terre dans un second temps. I. Rayonnements dans l Univers. Document 1 : 1. Nature et sources de rayonnement. Rayonnements dans l Univers Cf Activité Expérimentale AE 1 & Activité Documentaire 1 Tous les objets célestes émettent des rayonnements. On distingue l émission de particules telles que les protons, neutrons, noyaux d hélium, neutrinos, électrons (Ces particules proviennent hypothétiquement de supernovas, explosions d étoile en fin de vie (donc froides) et très massives. Les particules subiraient ensuite différentes modifications au cours de leur voyage spatiale) et l émission d onde électromagnétique, abrégée OEM. Chaque OEM, appelée aussi radiation, est caractérisée par sa fréquence ν (Hz) ou encore sa longueur d onde dans le vide λ 0 (m). Les OEM sont engendrées lors de l interaction des particules émises avec de la matière ou des champs magnétiques. On classe les OEM dans divers domaines selon la quantité d énergie transportée : Interactions des particules cosmiques (proton, noyaux d hélium) avec les gaz interstellaire (proche du vide) = rayonnement cosmique Etoile dites très chaudes Naines blanches, (T > K) étoiles à neutrons 0,1 nm 10 nm 1 mm 1 m Etoile dites froides (T < K) Gaz froids, supernovae, poussière interstellaire, planètes, astéroïdes, restes du Big Bang a. Que transporte un rayonnement? Préciser sa singularité par rapport aux autres modes de transport que sont la conduction et la convection. b. A quelle célérité (ou vitesse) se déplace une radiation électromagnétique dans le vide? c. Rappeler la relation existant entre les grandeurs physiques ν et λ 0, caractéristiques des OEM. d. Compléter le schéma synoptique du document 1 (grandeurs axiales, valeurs manquantes, différents domaines). e. Vers quel domaine y a-t-il un déplacement si la température de la source de rayonnement augmente? Justifier à l aide d une relation littérale faisant intervenir l énergie E notamment. M.Meyniel 1/4

2 Document 2 : 2. Absorption et détection des rayonnements. Exemples d absorption de rayonnements au niveau de l atmosphère Les rayonnements se propagent dans le vide et dans des milieux matériels. Dans la matière, il peut y d ailleurs y avoir une interaction, c est ce qui se passe au niveau de l atmosphère de notre planète : - les astroparticules peuvent produire des particules secondaires comme des muons, sorte «d électrons lourds» abondants en milieu marin ; - le vent solaire (flux particulaire de protons et d électrons issus de collisions violentes entre atomes d hydrogène) est émis par le Soleil et se retrouve dévié vers les pôles par le champ magnétique terrestre. Les particules interagissent alors avec les molécules atmosphérique comme l ozone, de formule brute O 3, pour produire des photons d OEM visibles ; on parle alors d aurores polaires ; - les rayonnements ionisants (γ et X) sont totalement absorbés par les constituants de l atmosphère (protoxyde d azote N 2 O, dioxygène O 2 et ozone O 3 ) ; ce qui a permis à la vie de se développer sur Terre ; - les rayons UV sont partiellement absorbés : les UV C, les plus dangereux, sont absorbés contrairement aux UV B qui brûlent et aux UV A qui permettent de bronzer (ces derniers sont cependant absorbés par les nuages ) ; - le domaine du visible n est quasiment pas absorbé : on parle alors de fenêtre visible ; - le proche IR est essentiellement absorbé par la vapeur d eau et le dioxyde de carbone CO 2 conduisant à un l effet de serre (!) ; - les micro-ondes et les ondes radio ne sont quasiment pas absorbées : on parle de la fenêtre radio. Document 3 : Détection des rayonnements L étude des rayonnements impose leur détection. Cas des particules : * Dans une chambre à brouillard, une particule chargé provoque la condensation de la vapeur en minuscule gouttes d eau matérialisant ainsi la trajectoire de la particule. Cette dernière, selon les paramètres, fournit alors des informations sur la charge et la masse des particules. * Le compteur Geiger détecte les particules α, β, γ. Cas des OEM : * L œil constitue un détecteur naturel. Les cellules de la rétine sont photosensibles et engendrent un message électrique transmis au cerveau par le nerf optique. * Une antenne permet de capter les ondes radio qui y engendrent une vibration électronique et donc un signal électrique. * Un capteur CCD est constitué de nombreuses cellules photoélectriques (pixels) qui produisent un signal électrique en fonction du domaine spectrale incident. Contraintes d observation Si tout le rayonnement est absorbé par une matière, celle-ci est dite opaque ( transparent) à ce rayonnement et empêche alors sa détection. La détection nécessite donc une matière transparente afin que tout le rayonnement ne soit pas absorbé : - ainsi, on préfère utiliser les rayons X pour étudier un squelette car non absorbés par les organes et la peau (mais par l air) ou pour regarder à travers un sac ou une valise ; - l absorption des rayons X, des rayons γ et d une partie des rayons UV par l atmosphère impose la satellisation d instruments de détection (télescope Hubble) Dans tous les domaines, l Homme s est inspiré de la Nature et des phénomènes dans l Univers pour inventer améliorer son confort et bien-être dans la vie de tous les jours. Le domaine des OEM ne fait pas exception. Pour chaque domaine électromagnétique, citer diverses réutilisations faites par l Homme et indiquer quelques sources (artificielles ou naturelles) de rayonnement radio, infrarouge et ultraviolet. M.Meyniel 2/4

3 II. Les ondes dans la matière. 1. Source, manifestations et détection des ondes mécaniques. Document 4 : Exemples d ondes mécaniques * Le vent apporte l énergie à la surface de l eau engendrant la houle : mouvement ondulatoire à la surface de la mer. Lors de tempête, elle peut être forte et détruire des constructions (digues, ports, ). * La membrane d un haut-parleur vibre comprimant puis dilatant la couche d air avec laquelle elle est en contact engendrant des ondes sonores : les molécules de gaz se rapprochent (compression) puis s éloignent (dilatation) les unes des autres engendrant des variations de pression. Si ces variations sont très rapides et de grandes amplitudes, on parle d onde de choc produite par une explosion ou un vol supersonique. Les effets destructeurs peuvent être alors importants. * La rupture des roches au niveau des zones de contact entre les plaques tectoniques engendre des ondes sismiques : l analyse des tracés des sismographes permet de définir trois types d ondes : - les ondes les plus rapides, les premières à s inscrire sur le sismographe, sont appelées les ondes primaires ou ondes P. Elles correspondent à des mouvements longitudinaux. Leur vitesse varie de 3,5 à 14 km.s -1 selon les roches traversées ; - les ondes secondaires ou ondes S correspondent à des mouvements transversaux. Elles se propagent 1,7 fois moins vite que les ondes P ; - les ondes L, ondes de surface, sont les plus lentes mais ont une grande amplitude. Elles correspondent à des mouvements très complexes de torsion du sol ; Les ondes S et L sont les plus destructrices. L énergie libérée est souvent mesurée par rapport à l échelle logarithmique de Richter (Chaque graduation de l axe des abscisses correspond à une multiplication par 10 de l énergie libérée). Document 5 : Détection des ondes mécaniques Comme pour les OEM, un capteur permet de transformer une grandeur physique du milieu modifiée par la perturbation en une grandeur facile à exploiter, souvent en énergie électrique. Ex : Dans un sismomètre, des capteurs électromécaniques transforment les mouvements du sol en signaux électriques. Dans notre oreille, les cellules ciliées derrière le tympan oscille avec l air engendrant des signaux électriques véhiculés par le nerf auditif. Il en va de même pour un microphone. Réutilisations par l Homme : Les données électriques recueillies par les capteurs permettent l exploitation des informations transmises. Ex : Les données sismiques permettent de géolocaliser l épicentre d un séisme, de calculer la vitesse des ondes, de connaître les propriétés des couches traversées, Lors d une échographie, des ondes ultrasonores sont envoyées par l émetteur. A chaque interface des tissus rencontrés, ces ondes sont en partie réfléchies et en partie transmises. Le récepteur capte alors les ondes réfléchies et engendre un signal électrique. Un traitement numérique des données collectées permet la reconstitution d une image. Les ultrasons peuvent être utilisés pour déterminer le moment idéal pour récolter les cannes à sucres puisque la vitesse des ultrasons dépend de la concentration en sucre. Ainsi, la production peut être optimisée! a. En vous appuyant sur les exemples du document 4, préciser la particularité d une onde mécanique par rapport à une onde électromagnétique? Quel est leur point commun? b. Recopier et compléter le petit texte suivant : Pour donner naissance à une onde, un apport d. est nécessaire. se propage alors à partir de la (lieu de naissance) modifiant et certaines propriétés (vitesse, position, pression, ) du milieu matériel dans lequel elle se trouve. M.Meyniel 3/4

4 Document 6 : 2. Le niveau d intensité sonore. Intensité sonore I et niveau d intensité sonore L Certains sons captés par l oreille sont perçus de manière désagréable voire douloureuse selon l intensité sonore. L intensité sonore I caractérise la puissance énergétique reçue par l oreille et s exprime en watt par mètre carré (W.m -2 ). Pour l oreille humaine, un son est perceptible si l intensité sonore est comprise entre W.m -2 (seuil d audibilité) et 25 W.m -2 (seuil de douleur). Or, cette sensation physiologique n est pas proportionnelle à l intensité sonore. En effet, lorsque l on assiste à un concert, les intensités sonores dues à chaque instrument s ajoutent, mais le son ne paraît pas proportionnellement plus fort. C est pourquoi, on définit une nouvelle grandeur liée à la sensibilité de l oreille humaine qui utilise une échelle logarithmique est aisée à exploiter : Le qui est défini par la relation : avec I 0 = 1, W.m -2 L (pour level) s exprime en. Le niveau sonore L varie entre 0 (seuil d audibilité) et 120 db (seuil de douleur) et se mesure avec sonomètre. Rq : * La durée d exposition joue un rôle sur les effets du bruit supporté : la douleur est ressentie au bout de 15 min près de travaux publics à 110 db. a. Rappeler la célérité d une onde sonore dans l air. Comment s en rappeler? b. Quel est l intervalle de fréquence correspondant au domaine d audibilité de l oreille humaine normale? On pourra représenter un axe horizontal gradué en fréquence afin de préciser les différents domaines sonores. c. Quelle l intensité sonore I perçue si le niveau d intensité atteint le seuil de douleur L 120? d. Exemple d application : Soient deux bassistes jouant à la même intensité sonore. Quelle est la variation du niveau sonore perçu par l oreille si un seul bassiste continue de jouer, toujours à la même intensité? Conclusion : Les ondes et les particules constituent donc des supports d information pour les objets célestes concernant leur composition (particules & radiations émises/absorbées), leur température mais aussi pour la Terre : composition interne connue via les ondes sismiques. Leur observation est donc primordiale. Et pour avoir accès à ces informations, l Homme a développé des détecteurs toujours plus performants en tenant compte des contraintes existantes. Ainsi, il a pu déterminer les caractéristiques de ces ondes et en étudier les propriétés afin de les réutiliser. C est ce que nous continuerons à voir dans le prochain chapitre. Compétences - Extraire et exploiter des informations sur l absorption de rayonnements par l atmosphère terrestre et ses conséquences sur l observation des sources de rayonnements dans l Univers. - Connaître des sources de rayonnement radio, IR et UV. - Extraire et exploiter des informations sur les manifestations des ondes mécaniques dans la matière. - Connaître et exploiter la relation liant le niveau d intensité sonore à l intensité sonore. - Extraire et exploiter des informations sur : des sources d ondes et de particules et leurs utilisations / un dispositif de détection. - Pratiquer une démarche expérimentale mettant en œuvre un capteur ou un dispositif de détection. M.Meyniel 4/4

5 Sujet Type BAC : Satellites de télédétection passive La télédétection par satellite est l ensemble des techniques qui permettent d obtenir de l information sur la surface de la Terre, l atmosphère et les océans à des fins météorologique, océanographique, climatique, géographique, cartographique ou militaire. Le processus de la télédétection repose sur le recueil, l enregistrement et l analyse d ondes électromagnétiques diffusées par la zone observée. Si les ondes électromagnétiques mises en jeu dans le processus sont émises par un capteur (exemple : un radar) puis recueillies par ce même capteur après interaction avec la zone terrestre observée, on parle de télédétection active. Si le capteur (exemple : un radiomètre) recueille directement la lumière visible ou infrarouge émise ou diffusée par la zone terrestre observée, on qualifie les ondes analysées d ondes électromagnétiques naturelles et on parle de télédétection passive. onde captée après interaction avec la zone observée onde émise par le satellite lumière solaire ondes électromagnétiques naturelles Principe de la télédétection active Principe de la télédétection passive Cet exercice s intéresse à deux familles de satellites de télédétection passive : SPOT (document 1) et Météosat (document 2). Il comporte deux parties indépendantes. Des réponses argumentées et précises sont attendues ; elles pourront être illustrées par des schémas. La qualité de la rédaction, la rigueur des calculs ainsi que toute initiative prise pour résoudre les questions posées seront valorisées. Données Rayon moyen de la Terre : R T = 6, km. Longueur d d un arc de cercle de rayon R et d angle α (exprimé en radian) : d = α.r. Courbe de transmission des radiations électromagnétiques par l atmosphère terrestre en fonction de la longueur d onde λ : M.Meyniel 5/4

6 Loi de Wien : λ max. T = 2, µm.k avec λ max la longueur d onde majoritairement émise dans le spectre d émission d un corps porté à une température T (exprimée en kelvin). Relation entre la température T (exprimée en kelvin) et la température θ exprimée en degré Celsius : T = θ Document 1. La filière SPOT SPOT (Satellite Pour l Observation de la Terre) est un système d imagerie optique spatiale à haute résolution. Ce programme s insère dans la politique d observation de la Terre du CNES (Centre National d Études spatiales). Depuis 1986, les satellites de la filière SPOT scrutent notre planète et fournissent des images d une qualité remarquable, en décrivant une orbite dont les caractéristiques sont les suivantes : - Elle est circulaire et se situe à l altitude h S = 832 km. - Elle est héliosynchrone, c'est-à-dire que l angle entre le plan de l orbite et la direction du Soleil est quasi-constant. Cela permet de réaliser des prises de vue à une altitude donnée avec un éclairement constant. - Elle est quasi-polaire, inclinée de 98,7 par rapport au plan de l équateur et décrite avec une période de 101,4 min. La zone terrestre observée évolue à chaque révolution du satellite dont le cycle orbital est de 26 jours ; c'est-à-dire que tous les 26 jours le satellite observe à nouveau la même région terrestre. Orbite quasi-polaire D après le site cnes.fr Document 2. Le programme Météosat En Europe, l ESA (Agence Spatiale Européenne) a développé le programme Météosat dont le premier satellite a été lancé en Depuis cette date, sept satellites Météosat ont été lancés. Puis des satellites aux performances accrues (Meteosat Second Generation) leur ont succédé : MSG-1 (ou Météosat-8) lancé en août 2002, puis MSG-02 (ou Météosat-9) lancé en décembre Les satellites Météosat et MSG sont géostationnaires *. Ils ont pour mission d effectuer des observations météorologiques depuis l espace pour la prévision immédiate et l évolution à long terme du climat. Ils ont l avantage de fournir des images de vastes portions de la surface terrestre et de l atmosphère, mais présentent l inconvénient qu un seul satellite géostationnaire ne suffit pas pour observer toute la Terre. Par ailleurs, les régions polaires leur sont hors de portée. * Un satellite géostationnaire paraît immobile par rapport à un point de référence à la surface de la Terre. Pour respecter cette propriété, il se situe forcément dans le plan de l équateur, son orbite est circulaire et son centre est le centre de la Terre. Sa période de révolution est donc égale à la période de rotation de la Terre sur elle-même. D après le site education.meteofrance.com M.Meyniel 6/4

7 1. SPOT en mode panchromatique Lorsque le satellite SPOT parcourt son orbite, il observe une large bande terrestre de plusieurs dizaines de kilomètres de large. Cette zone «couverte» est appelée la fauchée. En mode panchromatique, les images réalisées par le satellite SPOT sont recueillies sur une barrette constituée de 6000 détecteurs CCD et numérisées en niveaux de gris. Chaque détecteur est assimilable à un carré de 13 µm de côté recueillant l information provenant d une zone terrestre carrée de 10 m de côté, appelée pixel. On dit que la résolution spatiale est de 10m Évaluer la largeur de la fauchée La fauchée correspondant à la n ème révolution de SPOT n est pas identique à celle de la (n 1) ème révolution. Se situe-t-elle davantage à l est ou à l ouest sur la Terre? Illustrer votre réponse par un schéma À chaque révolution du satellite, la zone terrestre observée n est pas la même, du fait de la rotation de la Terre. De quel angle tourne la Terre entre deux révolutions du satellite? En déduire de quelle distance se déplace la fauchée au niveau de l Équateur entre deux révolutions du satellite Quelles sont les parties du globe les plus fréquemment «couvertes» par SPOT au cours d un cycle orbital? 1.5. Combien de révolutions doit effectuer SPOT pour réaliser une observation complète de la Terre? Commenter cette valeur au regard de la question En mode panchromatique (numérisation en niveaux de gris), l image est d autant plus blanche que le flux lumineux capté est intense. Deux images (images 1 et 2) d une même zone de terrains agricoles, ont été obtenues par télédétection, respectivement dans le rouge (entre 610 nm et 680 nm de longueur d onde) et dans le proche infrarouge (entre 790 et 890 nm). Image 1 Image 2 Télédétection dans le rouge Télédétection dans le proche infrarouge Source : IGN France international M.Meyniel 7/4

8 En utilisant le tableau suivant, donnant les réflectances * caractéristiques des trois grands types de surfaces naturelles, quelles informations peut-on extraire de l analyse de ces deux images? Montrer l intérêt d avoir ces deux images pour obtenir des informations sur la zone observée. Valeurs caractéristiques des réflectances des trois grands types de surfaces naturelles en fonction de la gamme de longueur d onde : Rouge (entre 610 et 680 nm) Proche infrarouge (entre 790 et 890 nm) Eau 4 à 6 % 0 à 2 % Végétation 10 à 12 % 35 à 40 % Sol nu 20 à 22 % 25 à 30 % * La réflectance d une surface est le rapport entre le flux lumineux réfléchi et le flux lumineux incident. 2. Les trois canaux de Météosat Le radiomètre ** des satellites Météosat comprend trois canaux de télédétection : le canal C dans le visible et le proche infrarouge, le canal E dans l infrarouge moyen et le canal D dans l infrarouge thermique. ** Un radiomètre est un appareil de mesure de l intensité du flux de rayonnement électromagnétique dans différents domaines de longueur d onde. Canal Gamme de longueurs d onde en µm Fonction principale C Entre 0,4 et 1,1 Permet l observation visuelle de la surface de la Terre et des nuages. E Entre 5,7 et 7,1 Renseigne sur la teneur en humidité de l atmosphère. La surface du sol n est pas visible. D Entre 10,5 et 12,5 Renseigne sur la température des nuages et de la surface terrestre Pourquoi seule la télédétection sur les canaux C et D permet-elle d obtenir des informations en provenance de la surface terrestre? 2.2. Quelles sont les raisons qui ont guidé le choix de la gamme de longueurs d onde du canal D, compte tenu de sa fonction principale? Des éléments quantitatifs sont attendus dans la réponse. M.Meyniel 8/4