Des scientifiques russes ont comparé l'efficacité de plusieurs techniques de détection à distance de la température de l'eau basées sur la spectroscopie laser et évalué diverses approches d'interprétation des profils spectraux. L'article détaillant l'étude a été publié dans Lettres d'optique . Les chercheurs ont examiné quatre techniques de traitement des données en s'appuyant sur les analyses pertinentes des publications antérieures. La technique que les auteurs eux-mêmes ont développée auparavant était précise jusqu'à 0,15 degrés Celsius. Les résultats de la recherche soutiendront le développement ultérieur de solutions de télédétection de la température de surface de la mer, permettre aux scientifiques de suivre les flux d'énergie thermique dans des zones difficiles d'accès telles que la région arctique, où les températures moyennes augmentent environ deux fois plus vite qu'ailleurs sur la planète.

Dans leur étude, les scientifiques se sont concentrés sur la spectroscopie Raman, qui est basé sur le phénomène de diffusion Raman découvert dans les années 1920. Il s'agit de l'interaction d'un milieu avec une onde lumineuse :La lumière diffusée est modulée par les vibrations moléculaires du milieu, entraînant le décalage des longueurs d'onde de certains des photons ; en d'autres termes, une partie de la lumière diffusée change de couleur. diffusion Raman, et par extension, le domaine de la spectroscopie Raman, ont été nommés d'après Sir C. V. Raman, un physicien indien qui a reçu un prix Nobel pour la découverte de cet effet. De façon intéressante, La littérature scientifique russe a tendance à désigner le même phénomène comme « diffusion combinée, " un terme inventé pour souligner sa découverte indépendante par des chercheurs soviétiques.

« Avec le changement climatique si rapide, la télédétection de la température de l'eau est une priorité, mais les techniques de radiométrie actuellement utilisées ne sont précises qu'au demi-degré environ. La spectroscopie Raman permet des mesures avec une précision beaucoup plus grande, " affirme Mikhaïl Grishin, l'un des auteurs de l'étude, un doctorat étudiant au MIPT, et chercheur au Laboratoire de spectroscopie laser du Wave Research Center du GPI.

L'expérience menée par les scientifiques consistait à sonder l'eau avec un laser pulsé et à utiliser un spectromètre pour analyser la lumière qui était rétrodiffusée. Selon la température de l'eau, sa bande spectrale caractéristique de vibrations d'étirement OH a été transformée de manière variable. Les scientifiques devaient déterminer s'il était possible d'établir une relation claire entre la température de l'eau et l'un des paramètres de la bande spectrale.

Les scientifiques ont examiné la dépendance à la température de plusieurs paramètres de bande spectrale, à savoir, certaines parties de la zone sous le graphique (voir Fig. 1), spectres différentiels (le résultat de la soustraction de deux spectres), et l'emplacement du pic de la courbe correspondant au spectre de la bande. Bien qu'il s'est avéré possible d'établir une relation entre la température de l'eau et chacune des mesures mentionnées ci-dessus, la précision de mesure de la température estimée des techniques respectives variait. L'analyse statistique des données expérimentales a montré que la dépendance à la température était la plus prononcée lorsque la longueur d'onde qui correspond au pic de la courbe correspondant au spectre de bande était utilisée comme métrique. Les scientifiques ont obtenu un brevet pour l'approche correspondante de l'interprétation du profil spectral par l'office des brevets russe.

Les températures de l'eau de mer dans l'Arctique sont actuellement surveillées à l'aide d'une gamme de techniques, notamment des mesures directes effectuées par des bouées météorologiques et des navires marchands ou de recherche. Cependant, suivre la dynamique de la température des eaux de surface de la mer en temps réel et sur de vastes zones, il est nécessaire de faire des observations aériennes à l'aide d'équipements de détection installés sur des aéronefs ou des satellites, qui irradie l'eau avec un laser et recueille la lumière diffusée. Une résolution spatiale de moins d'un kilomètre permet aux chercheurs de créer des cartes de température très détaillées qui peuvent être utilisées pour surveiller le transfert de chaleur par les courants océaniques, prédire à quelle vitesse la glace arctique va fondre, et faire une prévision du changement climatique mondial. À mesure que les véhicules aériens sans pilote (UAV) s'améliorent, les équipements de télédétection devraient également être améliorés pour être plus précis, poids léger, compact, et économe en énergie. Les scientifiques développent à la fois le logiciel et le système de détection laser.

Vasily Lednev, l'un des auteurs de l'étude, un expert de premier plan au Département de Certification et de Contrôle Analytique de NUST MISiS, comment il voit l'avenir de cette recherche :« L'un des principaux obstacles à la télédétection de la surface de la mer est la nécessité d'étalonner les équipements et de vérifier les résultats des mesures satellitaires par rapport aux mesures de contact des paramètres de l'eau de mer (température, concentration en chlorophylle, etc.). Le développement et la conception de systèmes lidar autonomes compacts (radar laser) pouvant être montés sur des drones nous permettront d'obtenir des cartes marines détaillées présentant une gamme de paramètres de l'eau. Ces systèmes lidar sont également d'un intérêt immédiat pour l'étude d'objets difficiles à atteindre et dangereux comme les icebergs ou les banquises."

Les changements annuels moyens de la température des océans du monde ont tendance à être très faibles. Il se réchauffe actuellement d'un dixième de degré tous les 10 ans, alors que les variations saisonnières de température peuvent atteindre plusieurs degrés. Cela signifie qu'une erreur d'un demi-degré seulement entraînera une baisse significative de la précision de l'image globale de la dynamique de température obtenue. Dans le cas des mesures saisonnières, l'incertitude peut atteindre 20 % ou plus, tandis que les tendances climatiques à long terme peuvent rester non identifiées en raison de l'erreur de mesure.

Les thermomètres de télédétection actuellement utilisés fonctionnent dans le domaine spectral des micro-ondes. La spectrométrie de diffusion Raman présente un avantage significatif par rapport à la radiométrie micro-ondes en ce que le rayonnement laser de sondage tombe dans la partie visible (bleu-vert) du spectre. Contrairement au rayonnement micro-ondes, à laquelle l'eau est presque complètement opaque, la lumière visible peut pénétrer dans une couche d'eau de 1 à 10 mètres d'épaisseur. Avec détection micro-ondes, les données ne sont disponibles que pour la couche de surface de 30 microns d'épaisseur dont la température est significativement affectée par les vents froids de l'Arctique. Cela donne lieu à une erreur, ce qui est presque entièrement évité dans les mesures basées sur la diffusion Raman. Pour corriger des erreurs de ce genre, les radiomètres à micro-ondes satellitaires doivent être étalonnés par rapport à des mesures au sol. Par contre, La spectrométrie Raman ne rencontre pas cet obstacle et peut produire des données utiles indépendamment des observations de contact.