Vincent GODARD

Département de Géographie

Université de Paris 8

V.1.2 - Dernière mise à jour : 18/02/2022

Fiche Mémo n°2.2. du cours de Télédétection niveau 2 :

Le milieu spatial et la caractérisation des orbites

L'espace n'est que partiellement accessible aux engins humains

1. Le milieu spatial

Peut se subdiviser en trois parties :

=> deux accessibles

=> une encore globalement inaccessible

 

1.1. L'espace proche ou circumterrestre

- L'attraction terrestre y est dominante.

- Les applications qui nous intéressent sont les plus nombreuses

1.2. L'espace profond

- L'espace profond comprend le reste de l'espace accessible aux engins de l'Homme.

Missions destinées à découvrir les planètes du système solaire, telles les sondes :

Venera (Rus., 1 à 16, de 1961 à 1983 et + ?, exploration de Vénus)

Giotto (ESA, fin des années 80, Comète de Halley)

Mars Global Surveyor (USA, Mars 1999)

Mars Climate Orbiter (USA, décembre 1998) a vécu une fin tragique en raison d'une mauvaise communication entre équipes de programmation ! Les propulseurs de la sonde croyaient recevoir des unités anglo-saxonnes (livre-force · seconde) et recevaient des unités métriques (newton · seconde) ! Voir toute l'histoire ici !

Mars Express (Eur, en orbite autour de Mars décembre 2003)

Cassini-Huygens en juillet 2004 dans la banlieue de Saturne (Américano-européenne lancée en 1997), début 2005 sur Titan.

Rosetta lancée en mars 2004 étudier une comète, Churyumov-Gerasimenko, mais également des astéroïdes. C'est une mission spatiale conçue par l'Agence spatiale européenne (ESA).

Mars Orbiter Mission lancée en novembre 2013. Première sonde spatiale martienne développée par l'agence spatiale indienne, l'ISRO

- Les distances s'y expriment en Unités Astronomiques (UA)

1 UA = 149 597 870 km

soit le demi grand axe de l'orbite terrestre

Rappel : La vitesse de la lumière dans le vide (Célérité)

C = 299 792 458 m/s

ou C = 1 079 252 849 km/h

Le son dans l'air à 20° a une célérité de C = 343 m/s

Quelques distances des planètes au soleil

tab. 1 - Quelques caractéristiques des planètes

Planètes	Demi grand axe en UA	Excentricité	Inclinaison sur l'écliptique en degrés	Obliquité en degrés	Période de rotation	Période orbitale de révolution	Rayon en km	Densité
Mercure	0,38	0,206	7°	0°	59 jours	88 jours	2 440	5,5
Vénus	0,72	0,007	3°4	180°	243 jours	224 jours	6 050	5,2
Terre	1	0,017	-	23°5	1 jour	365 jours	6 378	5,5
Mars	1,52	0,093	1°85	25°	24,5 h	687 jours	3 390	3,9
Jupiter	5,2	0,018	1°3	3°	9,6 h	11 ans	71 400	1,3
Saturne	9,5	0,056	2°5	26°	10,2 h	29 ans	60 000	0,7
Uranus	19,2	0,046	0°8	98°	12-24 h ?	84 ans	26 000	1
Neptune	30,1	0,01	1°8	28°	~ 15 h ?	164 ans	24 300	1,7
Pluton	39,6	0,25	17°2	?	~ 6 jours ?	248 ans	~ 2 000	< 1,7

d'après : CAZENAVE (A) et BRAHIL (A) - 1980 - L'effet des marées dans le système solaire. Pour la science, n°35, pp. 22-34 (+141 et 142).

1.3. L'Univers lointain

Au delà du Système solaire, on parle d'Univers lointain

- Les mesures s'y font en Années-Lumières ou en Parsecs.

1 Parsec = 3,26 AL

- Pour fixer les esprits :

La plus proche des étoiles Proxima du Centaure est à 4,2 AL

La + brillante des plus proches Alpha du Centaure est à 4,3 AL

Le soleil est à 8,3 mn de lumière de la Terre (ou 1 UA)

soit 20 ans en avion !

Pluton à 5 h de lumière du soleil ou 39,6 UA

-   Exemple de sonde quittant le système solaire :

New Horizons (NASA) lancée le 19 janvier 2006, elle survole du système plutonien en juillet 2015. La mission se poursuit vers le système solaire externe.

2. Mécanique céleste, principes de base et vocabulaire

2.1. La découverte des principes fondamentaux

Remonte au XVI et XVII siècle

Les grands noms :

Copernic, Tycho-Brahé, Kepler, Galilée, et Newton

Mais compréhension sans application pratique avant les premiers lancements.

2.2. Quelques principes fondamentaux

Évocation utilitaire !

2.2.1. Les 3 lois de Kepler

a) La trajectoire d'un satellite décrit une ellipse

- Pour nos satellites artificiels

l'un des foyers est la Terre

- Idem pour les planètes (satellites naturels)

mais là, l'un des foyers est le Soleil

- La forme d'une ellipse peut être décrite par :

- son excentricité (e) rapport entre la distance des foyers F et F' et le grand axe PA

fig. 2 - La première loi de Kepler

Source VERGER 1992

- Si F et F' tendent à se confondre, l'excentricité tend vers 0

l'orbite devient circulaire

C'est le cas de nombreux satellites artificiels

Qu'en est-il des satellites naturels du soleil ? Les réponses

- Mais la forme d'une ellipse se décrit surtout par :

- son aplatissement (a) = r/R

avec

R rayon à l'Apogée (A)

r rayon au Périgée (P)

fig. 3 - Les paramètres d'une orbite liés à la mesure de l'aplatissement

Source VERGER 1992

Exemple :

- TIROS N (satellite météo à défilement, 1978, 1er à avoir le capteur AVHRR)

Apogée à 864 km (R) et Périgée à 849 km (r)

- SPOT A = 833 km (R) et P = 818 km (r)

- Une orbite est qualifiée de :

circulaire quand r/R = 1

elliptique quand 0 < r/R < 1

b) Plus le satellite est proche de la terre, plus sa vitesse est grande

- La vitesse est :

- maximale au périgée

- minimale à l'apogée

fig. 4 - Vitesse de déplacement des satellites

Source VERGER 1992

Lorsque l'orbite est circulaire : la vitesse est constante

c) Le temps T d'une révolution (ou période) est proportionnel à la longueur du grand axe (PA)

fig. 5 - Période d'une révolution

Source VERGER 1992

2.2.2. Orbite : les forces en présence

a) La gravité

- Les satellites d'Observation de la Terre (OdT) ont :

- une très faible excentricité ;

- presque un mouvement circulaire uniforme.

- Un mouvement circulaire uniforme est composé de 2 forces :

- l'inertie = mouvement rectiligne uniforme

- la force centripète = mouvement accéléré perpendiculaire au précédent

force dirigée vers le centre de l'orbite

- En tout point de l'espace, les forces de gravitation existent.

sinon pas d'orbite circulaire

Donc les satellites n'évoluent pas dans un espace où la pesanteur est absente.

b) Les perturbateurs

Quelques perturbations naturelles modifient les orbites :

- Le renflement équatorial de la Terre provoque une

précession nodale = rotation du plan de l'orbite

et une

précession absidale = rotation du périgée dans le plan de l'orbite

- L'attraction luni-solaire modifie le champ gravitationnel de la Terre

- Les forces de frottement dues à la densité de l'atmosphère

Un satellite perd :

- 1 m par révolution à 600 km d'altitude

- 100 m par révolution à 200 km d'altitude

- La pression des radiations solaires, etc.

2.3. Caractéristiques et géométrie de l'orbite

2.3.1. Altitude de l'orbite

Une caractéristique de la plupart des satellites d'OdT :

- la faible excentricité des orbites ;

- voire leur quasi circularité.

Leur altitude est alors qualifiée de nominale ou moyenne.

tab. 2 - Quelques caractéristiques orbitales

Mission	Altitude	Heure de passage au noeud descendant N'	Période
Landsat 1, 2 et 3	920 km	9 h 42	103 min
Landsat 4 et 5	690 km	9 h 37	98,9 min
SPOT 1, 2 et 3	830 km	10h30	101 min

2.3.2. Inclinaison du plan orbital

- L'orbite coupe le plan de l'équateur en 2 points (pas forcément à angle droit) au noeud :

descendant appelé N' (de l'hémisphère N à l'hémisphère S) ;

ascendant appelé N (de l'hémisphère S à l'hémisphère N).

La ligne NN' est appelée ligne des noeuds.

fig. 6 - Inclinaison de l'orbite

Source VERGER 1992

- La ligne des noeuds NN' coupe en 2 les plans :

- de l'équateur ;

- et de l'orbite.

- L'angle "i" formé par les 2 demi-plans permet de :

- qualifier l'orbite

et pour des orbites circulaires

- de déterminer les latitudes survolées

fig. 7 - Amplitude zonale et inclinaison de l'orbite

Source VERGER 1992

On parle :

- d'orbite directe ou prograde quand 0 < i < 90°

la zone survolée est comprise entre i° N et i° S

- d'orbite rétrograde quand 90 < i < 180°

la zone survolée est comprise entre 180 ° - i° N et S

Voir les orbites progrades et rétrogrades en activant ce lien !

2.3.2. Période de révolution

Comme on l'a vu pour la 3e loi de Kepler :

période de révolution et géométrie orbitale sont liées

Si les satellites sont sur des orbites :

- basses et circulaires

ils ont de courtes périodes de révolution (1h30 à 2h)

- très excentriques

ils ont des périodes de révolution très longues

exemple de IMP3 qui mettait 6 jours pour 1 révolution orbitale

(rappel : r = 190 km et R = 264 000 km)

3. Test de compréhension

Communiquez-moi sur la plateforme Moodle, à la rubrique travaux, les réponses aux questions suivantes :   Question n°2.2.1. Les satellites d'observations de la Terre ont des orbites plutôt : a) elliptiques c) excentriques b) circulaires d) concentriques  Question n°2.2.2. Dans le cas d'une orbite elliptique, la vitesse maximale est atteinte à : a) l'apogée c) la redescente b) la périgée d) la remontée Question n°2.2.3. Quel est le paramètre de l'orbite qui permet de connaître les latitudes survolées : a) l'inclinaison c) l'aplatissement b) l'excentricité d) l'apogée

NB : les mots suivis de "*" font partie du vocabulaire géographique, donc leur définition doit être connue. Faites-vous un glossaire.