Ressource #1 du dossier Pop’Sciences – CNRS : « ANNÉE DE L’INGENIERIE – Quand l’ingénierie façonne la recherche scientifique » ARTICLE 

Tout rayonnement qui traverse l’atmosphère est en partie absorbé par les gaz qui la composent. Parce que ces interactions jouent un rôle déterminant dans la simulation des données recueillies par les satellites, elles doivent être modélisées avec précision. En s’appuyant sur une approche novatrice, des scientifiques ont montré qu’il était possible d’effectuer plus rapidement cette opération tout en mobilisant un minimum de ressources informatiques. Ces travaux devraient permettre d’accéder à de nouvelles informations sur les propriétés de l’atmosphère et de la surface terrestre.

 L’ouragan Felix photographié par l’équipage de l’Expédition 15. Image Nasa / Johnson Space Center

En l’espace de quelques décennies le champ d’utilisation de la télédétection par satellite n’a cessé de s’étendre : météorologie, aménagement urbain, gestion des ressources agricoles et forestières, étude du climat, comptent parmi les nombreux domaines d’application de ce puissant outil d’analyse. La télédétection spatiale repose sur la mesure du rayonnement électromagnétique émis ou réfléchi par un objet. Cette énergie lumineuse provient principalement du Soleil mais peut aussi être générée par la surface terrestre sous forme de rayonnement infrarouge.

Tout au long de leur parcours entre le capteur du satellite et l’objet d’étude – formation nuageuse, parcelle agricole, aérosols engendrées par un incendie,… – ces rayonnements sont partiellement absorbés par les différentes molécules gazeuses présentes dans l’atmosphère. L’étude de la propagation de l’énergie sous forme d’ondes électromagnétiques et de son interaction avec les milieux fluides ou solides constitue le champ disciplinaire du transfert radiatif. « Pour pouvoir extraire des données fiables de mesures satellites, il est indispensable de modéliser avec précision la part de rayonnement absorbée par toutes ces espèces gazeuses, ce qui peut se révéler très coûteux en termes de calculs informatiques », souligne Frédéric André, physicien du transfert radiatif au Laboratoire d’optique atmosphérique (LOA)¹, anciennement rattaché au Centre d’énergétique et de thermique de Lyon (CETHIL)².

Un modèle hybride plus efficace

Afin de limiter la puissance de calcul consacrée au traitement des interactions rayonnement-gaz, ce spécialiste du transfert radiatif dans les milieux fluides s’est associé à Céline Cornet, physicienne de l’atmosphère au LOA. En croisant leurs domaines d’expertise respectifs, les deux scientifiques ont mis au point une méthode novatrice pour simuler le transfert radiatif dans le milieu atmosphérique. « Cette approche dite en “L-distributions” présente la particularité de combiner de façon originale la modélisation de phénomènes physiques avec des outils de simulation statistique et de l’apprentissage automatique tel qu’utilisé dans le domaine de l’intelligence artificielle », résume Frédéric André. Contrairement à d’autres outils de modélisation basés uniquement sur l’apprentissage automatique à partir de données, ce modèle hybride offre la possibilité de donner un sens physique à tous les paramètres du modèle, ce qui permet leur interprétation.

Au-delà de sa capacité à estimer de manière fiable la part du rayonnement absorbée par les gaz atmosphériques, l’approche en L-distributions a vocation à limiter son coût de calcul. Pour le vérifier, les scientifiques ont eu recours à la base de données HITRAN (acronyme anglais de High Resolution Transmission) qui compile les paramètres spectroscopiques de dizaines d’espèces moléculaires. Ces données servent de référence à la communauté scientifique pour prédire et simuler l’absorption et l’émission de lumière dans différents milieux gazeux dont l’atmosphère terrestre. Une fois intégrés dans un logiciel développé par le laboratoire, ces paramètres spectroscopiques ont permis à l’équipe de recherche de tester l’efficacité de la méthode en L-distributions pour le calcul du transfert radiatif de la vapeur d’eau (H₂0), de l’oxygène (O2), du dioxyde de carbone (CO₂), de l’ozone (O₃) et du méthane (CH₄). Ces cinq constituants de l’atmosphère terrestre n’ont pas été choisis au hasard. Tous sont en effet susceptibles d’absorber l’énergie radiative dans les longueurs d’onde où les satellites sont amenés à effectuer des mesures de luminance³.

Comprendre l’absorption du rayonnement par l’atmosphère © Emilie Josse

Vers un temps de calcul divisé par dix

« En implémentant de nouvelles méthodes de mathématiques appliquées dans un modèle d’observation de la Terre nous avons montré qu’il était possible de réduire de façon significative le temps de calcul des transferts radiatifs de chacune de ces espèces gazeuses ce qui reste aujourd’hui un frein à de nombreux développements dans le domaine de la télédétection par satellite », précise Céline Cornet.

Pour simuler la physique de l’interaction entre le rayonnement électromagnétique et les molécules atmosphériques, les spécialistes du transfert radiatif s’appuient actuellement sur des modèles en coefficient d’absorption couplés à des techniques d’analyses probabilistes. Estimer avec précision la part d’énergie transférée via cette approche implique, en présence de nuages, de considérer le cheminement d’une dizaine de millions de photons entre l’objet étudié et le capteur du satellite. Avec la méthode en L-distributions développée par l’équipe du LOA, un million de ces mêmes particules lumineuses suffisent pour obtenir un niveau de précision similaire. « Le fait de devoir recourir à un nombre de photons dix fois moins élevé pour aboutir au même degré de précision signifie que le temps de calcul du transfert d’énergie radiative peut potentiellement être réduit d’un ordre de grandeur similaire à condition de retravailler toute la chaîne de calculs de notre modèle d’analyse pour la mettre en adéquation avec ce nouveau paradigme », extrapole Frédéric André.

Au chevet des villes en surchauffe

À brève échéance, l’utilisation de l’approche en L-distributions est notamment envisagée dans le domaine de l’imagerie hyperspectrale. Cette technologie sert par exemple à discriminer des types de roches qui apparaissent identiques à l’œil nu. Elle doit aussi permettre d’extraire de faibles variations de températures à l’échelle d’une ville à partir d’images satellite. La mission spatiale Trishna, dont le lancement est prévu dans le courant de l’année 2026, devrait permettre de tester l’approche en L-distributions dans un tel contexte applicatif. Une fois opérationnel, ce satellite franco-indien recueillera notamment des images de la surface terrestre dans le domaine de l’infrarouge thermique. Doté d’une grande résolution spatiale, cet outil d’observation devrait être capable d’évaluer des températures de surface en milieu urbain durant des vagues de chaleur. « Pour obtenir une estimation précise de cette température de surface, il sera nécessaire de corriger la valeur mesurée par le satellite de l’absorption d’une partie du flux infrarouge par les gaz de l’atmosphère qui se situent entre le sol et l’observatoire spatiale qui évoluera à 760 km d’altitude. La méthode en L-distributions développée au sein de notre laboratoire a justement vocation à réaliser ce type de corrections atmosphériques », complète Céline Cornet.

Parce qu’ils visent à diminuer le temps de calcul dédié à la modélisation du transfert radiatif, ces travaux devraient contribuer à relever l’un des grands défis actuels de l’ingénierie qui est celui de la transformation numérique.

Article rédigé par Grégory Fléchet, journaliste scientifique – Janvier 2026

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1 Unité CNRS/Université Lille

2 Unité CNRS/INSA Lyon

3 Quantité d’énergie mesurée en watts par m² par un satellite dans une direction donnée.

Ces recherches ont été financées en tout ou partie, par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) au titre du projet ANR-ASGARD-AAPG2020. Cette communication est réalisée et financée dans le cadre de l’appel à projet Sciences Avec et Pour la Société – Culture Scientifique Technique et Industrielle pour les projets JCJC et PRC des appels à projets génériques 2020 (SAPS-CSTI-JCJ et PRC AAPG 20).

Par une belle journée d’été, quand il fait beau et que le ciel est bleu, on pourrait penser qu’il ne se passe rien dans l’atmosphère… En réalité de nombreuses réactions chimiques sont à l’oeuvre.

Dans cet épisode de « Brève de science », une série de vidéos realisée par le CNRS, Aurélie Colomb, maitre de conférence en météorologie physique au sein du Laboratoire de météorologie physique de l’Observatoire de physique du globe de Clermont-Ferrand revient sur ces phénomènes et nous parle de son métier, le tout en moins de 2 minutes !

• LE CO₂
  De 14h à 17h

Découvrez de façon ludique le cycle du CO₂ et les diverses propriétés de ce composé indispensable à la vie. Le lien entre atmosphère, effet de serre, photosynthèse et alimentation sera mis en évidence.

Intervenants : Membres de l’Institut de Recherche sur la Catalyse et l’Environnement de Lyon

Public visé : 5 ans + | Entrée libre

• LA BIOLOGIE DE L’EVOLUTION
  De 14h à 17h

Des animations variées sur le thème de l’évolution des organismes vivants vous sont proposées. Les grandes découvertes dans le domaine de l’évolution, de Darwin à nos jours, seront illustrées de manière ludique à travers un escape game, des jeux questions-réponses, ou encore des ateliers pratiques : exploration de l’arbre des organismes vivants, décryptage de génomes, extraction d’ADN.

Deux courtes conférences grand public auront lieu, l’une sur le thème de l’adaptation des organismes au changement climatique, et l’autre sur les différences biologiques entre hommes et femmes, à la lumière de l’évolution.

Intervenants : Membres du Laboratoire de Biométrie et Biologie Evolutive

Public visé : 5 ans + | Entrée libre

• PLANTES ET ADAPTATION
  De 15 à 16h

De nos jours, pour répondre aux enjeux du changement climatique, il est nécessaire de développer des variétés de plantes cultivées adaptées à la sécheresse et aux variations de l’environnement. La sélection artificielle de nouvelles variétés se fait de plus en plus à l’aide de la connaissance de l’ensemble de l’ADN d’une espèce, son « génome ». Cependant, comment le décryptage de l’ADN peut aider à la production de nouvelles variétés – sans qu’il soit question d’OGM – reste mystérieux pour le grand public.
Comment le décryptage de l’ADN et de son évolution aide à la sélection sans manipulations génétiques ? Venez assister à ce débat passionnant !

Intervenant : Hélène Badouin, maître de conférence au Laboratoire de Biométrie et Biologie Evolutive)

Public visé : 15 ans + | Entrée libre

• DIFFÉRENCES HOMME-FEMME
  De 16h à 17h

Les biologistes affirment que l’espèce humaine possède deux sexes : masculin et féminin. Cette notion a été contestée par certains spécialistes des études de genre qui attribuent à notre espèce parfois jusqu’à cinq sexes différents. Après une présentation des mécanismes de déterminisme du sexe chez l’espèce humaine, Gabriel Marais, chercheur au Laboratoire de Biométrie et Biologie Evolutive (CNRS et Université de Lyon) vous propose d’initier une discussion sur cette question, en abordant à la fois les enjeux scientifiques et sociétaux.

Intervenant : Gabriel Marais (Laboratoire de Biométrie et Biologie Evolutive)

Public visé : 15 ans + | Entrée libre

CNRS Rhône Auvergne

IRCELYON

LBBE

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Découvrez de façon ludique le cycle du CO₂ et les diverses propriétés de ce composé indispensable à la vie. Le lien entre atmosphère, effet de serre, photosynthèse et alimentation sera mis en évidence grâce au cycle du CO₂.

Plus connu à l’état gazeux, le CO₂ peut aussi être un fluide dont les applications sont aussi surprenantes qu’inattendues et dans des domaines très variés : les énergies fossiles, l’alimentation, en passant par la parfumerie et la sécurité.

Intervenante : Lorraine CHRIST, maître de conférence HDR à l’Université Claude Bernard Lyon 1, IRCE LYON

Public visé : 10 ans + | Inscription obligatoire

La Médiathèque du Tonkin 

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