Lorsque le rayonnement traverse la couche atmosphérique, il entre en collision avec les molécules et les particules présentes dans l’atmosphère. Il peut être dévié de sa trajectoire, c'est le phénomène de diffusion atmosphérique, ou bien être en totalité ou en partie absorbé. Dans ce dernier cas, il y a transfert d'énergie entre le rayonnement et les molécules avec lesquelles il entre en collision. L'absorption du rayonnement qui cède tout ou partie de son énergie conduit par conséquent à une atténuation du signal dans la direction de propagation du rayonnement. La molécule change de configuration électronique. L’énergie absorbée modifie l’énergie interne de la molécule en la faisant passer d’un niveau d’énergie E1 à un niveau d’énergie E2 supérieur.

Absorption d'un photon par une molécule.

L'énergie du photon est transmise à un électron de la molécule qui passe d'un niveau d'énergie E1 à un niveau E2 supérieur.
ΔE = E2 - E1 = h ν
où :
E : l’énergie de l’onde électromagnétique
ν : la fréquence de l’onde
h : la constante de Planck (6,625.10^-34 J.s)

Cette énergie est ensuite réémise sous forme de chaleur à une plus grande longueur d’onde (infrarouge thermique). Une molécule possède des niveaux d’énergie discrets ou quantifiés auxquels sont associés des états de mouvement moléculaire : état de vibration, de rotation ou de configuration électronique correspondant respectivement à des niveaux d’énergie croissants.

Les différentes transitions électroniques selon la longueur d'onde du rayonnement absorbé.

Selon l’énergie du rayonnement incident, on distingue plusieurs types d’absorption :

▪ dans l’ultraviolet :
L’énergie absorbée est suffisamment importante pour permettre des transitions énergétiques entre niveaux électroniques. Au-delà d’un certain seuil énergétique, l’absorption peut provoquer une dissociation des molécules par rupture de liaison.

dissociation des molécules

▪ dans le visible :
Le rayonnement n’est pratiquement pas absorbé par l’atmosphère, ou très légèrement par l’ozone. Les transitions énergétiques se font entre niveaux électroniques.

mouvement de vibration (pliage)

mouvement de vibration (étirement symétrique)

mouvement de vibration (étirement asymétrique)

▪ dans l’infrarouge :
L’absorption du rayonnement est beaucoup moins énergétique que dans le visible ou les ultraviolets et les transitions d’énergie se font entre le niveau fondamental et les niveaux vibrationnels des molécules.

Rotation des molécules autour d'un axe parallèle au plan de l'écran

rotation des molécules autour d'un axe perpendiculaire au plan de l'écran

▪ dans les hyperfréquences :
L’énergie transférée étant encore moins importante, l’absorption entraîne des transitions énergétiques depuis le niveau fondamental vers les niveaux rotationnels des molécules.

L’atmosphère est constituée de gaz à concentration constante (azote N₂ - 78,1% -, oxygène O₂ - 21,8% -, argon Ar - 0,9% -) et de gaz dont la concentration varie spatialement et au cours du temps, comme la vapeur d’eau H₂O, le dioxyde de carbone CO₂, le méthane CH₄, le monoxyde de carbone CO, le protoxyde d’azote N₂O, les chlorofluorocarbones CFC ou l’ozone O₃. Chacun des gaz constituant de l’atmosphère absorbe le rayonnement dans des longueurs d’onde sélectives délimitant ainsi de nombreuses bandes d’absorption :

• L’ozone absorbe essentiellement les rayonnements ultraviolets dont la longueur d’onde est inférieure à 0,29μm, une très faible partie des rayonnements dans le rouge, ainsi que les rayonnements dans l’infrarouge thermique (λ ~ 9,5μm).
• L’oxygène absorbe le rayonnement proche infrarouge dans une bande très étroite autour de 0,75μm.
• Les bandes d’absorption les plus larges sont dues aux gaz à effet de serre (H₂0, CO₂) qui absorbent le rayonnement dans les infrarouges, du proche infrarouge jusqu’aux infrarouges thermique et lointain.

Les longueurs d’onde pour lesquelles le rayonnement électromagnétique est peu ou pas absorbé constituent ce que l’on appelle les fenêtres de transmission atmosphériques. Dans ces fenêtres, pratiquement tout le rayonnement est transmis. Les capteurs satellitaires dédiés à l’observation de la Terre utilisent ces fenêtres pour observer la surface terrestre et celle des océans.

Les fenêtres atmosphériques de transmission (en blanc sur le schéma)

L’observation du schéma ci-dessus permet de dégager les points essentiels du phénomène d’absorption :

• Les rayonnements ultraviolets (λ ~ 0,29μm) sont totalement absorbés par l’ozone.
• Les domaines spectraux du visible et du proche infrarouge présentent une très bonne transmission et sont par conséquent très largement utilisés par les capteurs satellitaires dédiés à l’observation de la terre.
• Dans le moyen infrarouge et l’infrarouge thermique, seules quelques bandes spectrales permettent la transmission du rayonnement.
• La vapeur d’eau et le dioxyde de carbone présents dans l’atmosphère absorbent la quasi-totalité du rayonnement dans l’infrarouge lointain.
• Dans le domaine des hyperfréquences, le phénomène d’absorption est inexistant et l’atmosphère est totalement transparente au rayonnement.