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A.2) Choix de l’instrumentation et détermination de la réflectance de la neige

consistant en une cavité creuse, sphérique, dont le revêtement intérieur possède un facteur

de

mesure le facteur de réflectance diffuse moyen de surfaces selon tous les angles

d'illumination et d'observation. Une sphère intégrante peut alors être considérée comme un

diffuseur qui conserve la puissance mais détruit l'information directionnelle, c’est pourquoi

nous pouvons exclure la FDRB de la neige dans notre travail. Le choix de la sphère s’est

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porté sur une dimension de 6 pouces (environ 15 cm de diamètre). Cette taille est idéale en

ce qui concerne notre étude car elle facile à transporter et elle permet de travailler avec une

source lumineuse de faible puissance. L’échantillon de neige est placé au bas de la sphère,

il a un diamètre de 63 mm et une épaisseur de 13 mm, suffisamment volumineux pour être

représentatif du matériau neige [Coleou et al., 1999].

La source lumineuse est une diode laser Mitsubishi d’une puissance de 6 mW. Elle est

située au dessus de la sphère, sa longueur d’onde est stable et le faisceau lumineux est

collimaté, c’est donc en première approximation une source directe. Le faisceau n’étant en

fait pas parfaitement collimaté, il diverge et illumine à la fois la totalité de la surface de

l’échantillon mais également les bords de la sphère, où la réflexion va donner un

rayonnement diffus. Il existe donc à la fois des rayonnements directs et diffus dans notre

sphère et il est crucial de déterminer quel type de rayonnement illumine notre échantillon car

la réflectance de la neige est très dépendante de la radiation incidente (section I.B.6). La

figure II.1 représente de façon schématique les différents types de sources incidentes dans

notre sphère et leurs trajectoires. Nous devons prendre en compte toutes ces sources.

C’est pourquoi nous avons appliqué les travaux de [Hidovic-Rowe et al., 2006], qui décrivent

par de simples équations la distribution des photons en prenant en compte tous les

paramètres de notre sphère, c'est-à-dire la surface de chaque composant interne de la

sphère (source, récepteur, échantillon) et leurs coefficients de réflexion respectifs. Ces

équations ont donc été intégrées dans nos calculs de modélisation et les résultats théoriques

obtenus avec DISORT sont en accord avec les mesures expérimentales de DUFISSS (DUal

Frequency Integrating Sphere for Snow SSA measurement). De plus amples détails sont

disponibles dans le paragraphe 3 « Reflectance modeling at 1310 nm » de l’article 1.

Le choix de la longueur d’onde s’est porté sur 1310 nm pour trois raisons majeures : la

réponse spectrale de la neige est élevée et varie peu autour de cette longueur d’onde (figure

Intro-1) ; l’effet des impuretés est négligeable à 1310 nm (section I.B.4-b) ; cette longueur

d’onde est commercialement disponible. Les premières mesures nous ont montré qu’au-delà

de 60 m² kg

-1

de SS, la corrélation SS-Réflectance à 1310 nm n’est plus bonne. En effet,

parce que les neiges à fortes SS possèdent généralement de faibles valeurs de densité

(< 100 kg m

-3

), le milieu n’est pas optiquement semi infini, la profondeur de pénétration de la

lumière est alors trop importante et une partie du rayonnement est absorbée par le porte

échantillon (figure 6 article 1).

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Source de lumière directe :

diode-neige-récepteur

Neige

Diode Laser

Récepteur

Source de lumière diffuse :

diode-neige-sphère-neige-récepteur

Source de lumière diffuse :

diode-sphère-récepteur

Source de lumière diffuse :

diode-sphère-neige-sphère-récepteur

Source de lumière directe :

diode-neige-récepteur

Neige

Diode Laser

Récepteur

Source de lumière diffuse :

diode-neige-sphère-neige-récepteur

Source de lumière diffuse :

diode-sphère-récepteur

Source de lumière diffuse :

diode-sphère-neige-sphère-récepteur

Figure II.1: Représentation schématique des différents types de sources lumineuses

dans notre appareillage.

Afin de résoudre ce problème, deux modifications ont été mises en place. La première

concerne le choix de la longueur d’onde et dans le cas de neiges à forte SS, une source à

1550 nm est utilisée car la glace absorbe fortement le rayonnement autour de cette longueur

d’onde (figure I-8), de sorte que la profondeur de pénétration de l’onde est très faible (de

l’ordre du millimètre). Le choix de la longueur d’onde se fait donc en fonction du type de

neige à partir d’une observation visuelle de l’échantillon. La seconde modification concerne

la profondeur du porte échantillon qui a été augmentée de 13 à 25 mm, ce qui permet de

s’assurer que le milieu est optiquement semi infini lorsque la longueur d’onde 1310 nm est

utilisée, c'est-à-dire pour des neiges de SS inférieure à 60 m² kg

-1

dont la densité est

supérieure à 200 kg m

-3

.

Enfin, la quantité de lumière réfléchie est captée par une photodiode InGaAs

(Indium-Gallium-Arsenic), placée à 90° de l’échantillon, qui possède une réponse spectrale comprise

entre 800 et 1800 nm, ce qui permet de conserver la même photodiode quelle que soit la

longueur d’onde utilisée. Le signal est donc converti, amplifié et mesuré à l’aide d’un

voltmètre de précision. Le système est préalablement étalonné à l’aide d’un jeu de standards

dont les coefficients de réflexion diffuse sont connus avec précision et compris entre 5 et

99%.

La mise en place de DUFISSS a été longue et délicate car nous avons eu recours à la

modélisation afin d’élucider les problèmes rencontrés et donc de choisir les bonnes options

afin d’y palier (profondeur du porte échantillon à 25 mm, longueur d’onde à 1550 nm, courbe

théorique avec les différentes sources incidentes). L’étape suivante consiste à établir la

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relation SS-réflectance, en laboratoire, en mesurant sur une série d’échantillons de neige la

réflectance IR (DUFISSS) et la SS (adsorption de méthane, section I.A.4-b).

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