Dans le deuxième article des HD Sciences nous avions parlé des satellites de télévision. Ces derniers constituent la source de donnée principale mesurée et exploitée par HD Rain. Les satellites géostationnaires émettent une onde électromagnétique. Lorsque le signal rencontre une goutte de pluie il est affaibli, son affaiblissement permet d'en déduire la présence de pluie dans la zone étudiée (cf principe général de la technologie).
Dans cet article nous expliquerons pourquoi l'onde électromagnétique est atténuée au passage de gouttes d'eau et nous détaillerons les principes physiques mis en jeu.
Une onde électromagnétique correspond à la propagation d'un champ électrique et d'un champ magnétique. Elle est en grande partie caractérisée par sa longueur d'onde (noté $\lambda$). La longueur d'onde correspond à la distance séparant deux points consécutifs de l'espace où le champ électrique (respectivement le champ magnétique) se trouve dans le même état. On parle aussi parfois de la fréquence (noté $f$) de l'onde, qui correspond au nombre de fois où le champ électrique (respectivement le champ magnétique) se trouve dans le même état pendant une durée de 1s. Les deux grandeurs sont reliées par l'intermédiaire de la vitesse de la lumière : $c = \lambda * f$ Plus concrètement, les vagues de l'océan correspondent également à des ondes (mécaniques et non électromagnétiques). Leur longueur d'onde correspond à la distance entre deux crètes, deux creux ou plus généralement deux points à la même hauteur et se déplaçant à la même vitesse.
Figure 1 : Schéma d'une vague et de sa longueur d'onde associée
La lumière visible est un exemple d'ondes électromagnétiques. Chaque longueur d'onde détermine une couleur bien précise. Elles ne représentent qu'une infime partie du spectre des ondes électromagnétiques qui nous entourent (entre 400nm pour le bleu et 800nm pour le rouge).
Figure 2 : Spectre de la lumière - ondes TV : micro-ondes
La longueur d'onde est une caractéristique essentielle qui permet d'expliquer l'interaction de l'onde correspondante avec son environnement.
Parmi ces nombreuses interactions, on peut mentionner l'absorption et la diffusion. L'absorption correspond à l'énergie absorbée par la matière lorsqu'elle est traversée par une onde électromagnétique. Une partie de l'énergie incidente est alors perdue, transformée en chaleur. Le reste traverse la particule de matière. La diffusion correspond à une interaction qui va dévier l'onde dans diverses directions.
Aux fréquences qui nous intéressent (10.7GHz - 12.75GHz), l'absorption et la diffusion sont principalement dues aux gouttes de pluie.
On distingue la diffusion de Rayleigh et la diffusion de Mie selon les longueurs d'onde mises en jeu, les tailles et les formes des particules diffusantes. Lorsque les particules diffusantes sont petites par rapport à la longueur d'onde, la diffusion de Rayleigh s'applique. Lorsque les particules sont sphériques, on peut appliquer la diffusion de Mie.
Dans un cas comme dans l'autre, la diffusion est caractérisée par un coefficient de diffusion $Q_{diff}$. Ce coefficient est proportionnel au rapport entre la quantité diffusée et la quantité incidente. Autrement dit, plus il est grand, plus l'onde est diffusée.
Dans le cas de la diffusion de Mie, $Q_{diff}$ va principalement dépendre de deux paramètres :
Figure 3 : Coefficient de diffusion en fonction du paramètre de taille $x$
L'évolution de $Q_{diff}$ (figure 3) permet d'expliquer pourquoi le ciel est bleu et pourquoi les nuages sont blancs (voir annexe 2 "Pourquoi le ciel est bleu ?").