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Absorption et atténuation

Figure 1 : Absorption d’une onde électromagnétique par l’atmosphère et ses composantes, ① pluie forte, ② Brouillard/nuages, ③ pluie modérée, ④ dispersion moléculaire

Atténuation
Fréquence
① pluie forte
② Brouillard/nuages
③ pluie modérée
④ dispersion moléculaire

Figure 1 : Absorption d’une onde électromagnétique par l’atmosphère et ses composantes.

Absorption et atténuation

Une onde électromagnétique passant dans l’atmosphère est en partie absorbée par les composantes de celle-ci, cette absorption peut même être totale dans certains cas. L’énergie ainsi transférée au milieu absorbant va y causer différents effets, dont son réchauffement et la réémission d’une partie de l’énergie dans une longueur d’onde différente.

L’absorption dépend de la fréquence (inverse de la longueur d’onde) utilisée. En effet, l’oxygène, la vapeur d’eau et les précipitations ont toutes une fréquence de résonnance qui dépend de leurs dimensions. Lorsque la longueur d’onde utilisée est la même que celle de résonance de ces deux molécules, une bonne partie de l’énergie du faisceau sert à les faire vibrer.

On peut voir sur le graphique que l’absorption varie avec le milieu absorbant. L’oxygène a un faible taux d’absorption jusqu’à ce qu’on rencontre sa zone de résonnance au-dessus de 60 GHz. Celle de la vapeur d’eau se situe autour de 20 à 30 GHz. Celle de l’eau liquide est importante sous 10 GHz. Cette absorption reliée aux précipitations dépend aussi de leur intensité.

L’atténuation du signal dépend donc de la fréquence utilisée et de la longueur du trajet dans le milieu absorbant. Le tout peut varier également avec la température du milieu.

Atténuation dans la pluie

Figure 2 : Atténuation dans la pluie pour différentes longueurs d’onde

Toute onde électromagnétique peut être absorbée en passant dans un milieu quelconque car elle excite les molécules qui le composent. Cela peut donc enlever une partie des photons pour faire changer le niveau énergétique du milieu. L'air est très peu absorbant mais la molécule d'eau l'est. Plus la longueur d'onde porteuse du faisceau radar se rapproche de celle des gouttes d'eau (0,1 à 7 millimètres), plus le dipôle de ces molécules sera excité et plus l'onde sera atténuée par la précipitation rencontrée.

Ce diagramme montre l’effet de l’atténuation du signal radar par la pluie à différente longueurs d’onde. Le cas utilisé est celui d’un orage de 20 kilomètres de diamètre, dont le taux de précipitations augmente linéairement jusqu’au centre, à 100 mm/h, puis diminue linéairement de l’autre côté.

La ligne en bleu représente la courbe théorique normalisée du signal non atténué faisant un aller-retour à travers l’orage. La courbe en violet est celle observable avec un radar utilisant la bande S (10 cm). Les courbes suivantes, en jaune et cyan, sont respectivement le signal de retour pour des radars de bandes C (5 cm) et X (3 cm). La différence avec le signal théorique est de plus en plus grande très grande à mesure que la longueur d’onde raccourcit à cause de l’absorption d’une partie grandissante de l’énergie par les molécules d’eau.

Le diagramme montre également que l’atténuation varie avec le taux de précipitations: le faisceau de bande X est totalement absorbée dès 20 mm/h, celui de bande C à partir de 60 mm/h mais la perte est négligeable pour le faisceau de bande S, même dans le pic de précipitations.

L’atténuation est donc généralement minime dans la neige, même pour la bande X. Dans la pluie faible à modérée, la bande X est affectée significativement mais la bande C l’est encore peu. Par contre, dans la pluie forte, seule la bande S a une perte minime. C’est pour ces raisons que les radars météorologique de bande S, plus coûteux, sont utilisés dans les régions où des orages/pluies intenses se produisent une bonne partie de l’année: les Tropiques, le sud des États-Unis ou de l’Europe, etc. Les radars de bande C sont un bon compromis pour les régions tempérées où le taux de précipitations est le plus souvent faible à modéré. Les radars de bande X ne servent que pour la courte portée à cause de la forte atténuation de leur signal.

Lecture Recommandée: Recommendation ITU-R P.676-10 ”Attenuation by atmospheric gases” (en anglais)