Juliette Charbuis ♦Benjamin Chevalier ♦ Héloïse Demeuse ♦ Pauline Chevalier ♦ Thomas Darde♦

«Le Ballon voit Rouge»

Lycée Durzy Villemandeur (Loiret)

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Nos partenaires

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M. Jean Guy BOUREAU http://www.ifn.fr/spip/

M. Eric GAUCHY http://www.air-systeme.com/

M. Jean Paul PIGET http://air.gatinais.free.fr/

Annabel HUREL http://www.planete-sciences.org/

Nos professeurs : Corinne MOUTAUX Avec l’aide de Christiane SELLIER Les personnels du laboratoire de Sciences Physiques.

I. L'infrarouge 1.Des rayons invisibles2.De nombreux essais

a.Vérifions notre appareil : voit-il les infrarouges ? b.La diapositive « ratée » : un filtre infrarouge efficace et simple

II. L'Inventaire Forestier National, une réelle source d'inspiration.

III. Nous avons voulu comprendre nous sommes allés faire nos propres expériences

1.Le ballon solaire captif 2.L’atelier en vadrouille avec AIR SYSTEME3. Les chloroplastes, la causes des différentes couleurs?4. La réflectance 5.Comparons ce que voit l’A.P.N. à ce que voit l’œil ?

a.Quel en est le principe ?

b.Quel est le rôle de notre filtre diapositive « ratée » ?

c.Nous avons voulu vérifier la courbe de réponse d’un capteur élémentaire

IV. Nous avons pris de la hauteur 1.La chaîne de vol 2.Nous voulions voir de plus haut mais … récupérer nos appareils photos.3.La seconde nacelle.

V. La Vision stéréoscopique 1. Qu'est ce que la vision stéréoscopique?2.A quoi nous sert la stéréoscopie ici?3.Comment réaliser une image en relief?

a. Prise de photosb. Traitement des images obtenuesc. Ce que l'on a pu tirer de nos clichés stéréoscopiques

VI. Pour surveiller un petit bout de notre Terre

VII. Bibliographie

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Dans le couloir de physique du lycée, en octobre 2006,ont été placardées l’affiche suivante :

Nous avons suivi nos professeurs dans leur laboratoire pour comprendre. Et depuis Octobre 2006, nous sommes plongés dans une aventure scientifique que nous allons vous raconter :

Tout a commencé par des interrogations :

L’Inventaire forestier national est fait à partir de photographies argentiques infrarouges :Pourquoi des photos dans l’infrarouge ?Pourquoi pas des photos numériques ?

D’où d’autres questions : Que voit l’appareil photo numérique ?

Que voit l’œil ? Afin de répondre à ces questions, nous avons fait de nombreuses rencontre :

à l’IFN, une véritable source d’inspirationavec AIR SYSTEME

Nous avons voulu comprendre un peu plus, de nous même, nous avons donc fait nos propres expériences. Afin de prendre encore plus de hauteur et faire notre propre inventaire forestier, à notre échelle, grâce notamment à la 3D et à la stéréoscopie.

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I. L'infrarouge

1. Des rayons invisibles

Le nom signifie «en deçà du rouge» (du latin infra: «en deçà de»), car l'infrarouge est une onde de fréquence inférieure à celle de la lumière rouge (et donc de longueur d'onde supérieure à celle du rouge qui va de 500 à 700 nm). La longueur d'onde de l'infrarouge est comprise entre 700 nm et 1mm.

2. De nombreux essais

a) Vérifions notre appareil : voit-il les infrarouges ? Nous avons pris en photo une télécommande de télévision en maintenant une touche appuyée, et on a observé qu'il y avait bien une tache rouge sur la photo.

Ce test assura que nos appareils photos numériques voyaient bien l'infrarouge. Le fabricant de la télécommande donne 950nm comme longueur d’onde du signal invisible émis.

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Afin de cerner notre sujet nous avons fait de nombreux autres essais.

b) La diapositive « ratée » : un filtre infrarouge efficace et simple

Nous avons vu à plusieurs reprises sur le « net » que nous pouvions utiliser une diapositive « ratée » c'est à dire noire, comme filtre infrarouge.

Avec celui ci, devant l'objectif de notre appareil photo nous avons pris de nombreux clichés, que nous avons ensuite comparés avec les mêmes photographies mais sans filtre.

Nous avons réalisé la courbe de réponse en absorbance de notre diapositive, l’absorbance du filtre est importante jusqu’à 700nm puis elle diminue , les radiations au delà de 700nm ne sont pas absorbées par le filtre, nous avons donc bien un filtre infrarouge.

En conclusion, c’est l’activité chlorophyllienne de la végétation que le filtre infrarouge permet de détecter.

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II. L'Inventaire Forestier National, une réelle source d'inspiration.

Mercredi 14 février 2007, nous avons été reçus à l’ IFN (Inventaire Forestier National), au Château des Barres (Nogent sur Vernisson), par Monsieur Jean-Guy Boureau, spécialiste de l’analyse forestière à partir de clichés infrarouges.

L’Inventaire Forestier National nous a été présenté et nous avons découvert la richesse des applications du rayonnement dans le proche infrarouge λ<900 nm pour cartographier les forêts, délimiter les essences d’arbres qui apparaissent de différentes couleurs sur les photographies aériennes, compter les arbres…

De plus les couvertures aériennes sont stéréoscopiques.

Sur ces photographies, on distingue différentes espèces grâce au différentes teintes de rouges présentes .

Il est possible dans le proche infrarouge de distinguer un feuillu d’un conifère par exemple.

.

Ces photographies permettent d’ apprécier l’évolution d’un paysage en comparant 2 inventaires., de distinguer les zones humides qui apparaissent sombres l’eau absorbant complètement le rayonnement infrarouge proche .

Nous remercions Monsieur Bourreau et l’ensemble du personnel de l’arboretum des Barres de nous avoir accueilli. Cet échange d’idées avec quelques personnes de l'IFN a en effet été très fructueux.

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III.Nous avons voulu comprendre nous sommes allés faire nos propres expériences

Pas question d’attendre le lâché de ballon sonde prévu en octobre pour l’ouverture de la fête de la science pour faire des photos aériennes ! Il faut trouver une autre solution !

1.Le ballon solaire captif

Notre idée : Faire des photographies aériennes à partir d’un ballon solaire captif.

Nous avons réalisé plusieurs prototypes de ballon solaire dont un de forme tétraédrique de 6m d’arrête. Le ballon solaire est une montgolfière ultra-légère. L'enveloppe est réalisée avec un film plastique noir en polyéthylène d’une dizaine de microns (des sacs poubelles!), absorbant tout le rayonnement solaire reçu.

Ça marche !!! Mais …

Pourquoi un ballon TETRAEDRIQUE? Comparons les rapports de volume et de surface de différentes formes géométriques.

Cas d'une sphère de rayon R: V= 3

4 πR³ S'=4πR²

π43V =R³

( ) 3/2

43

πV =R²

4π ( ) 3/2

43

πV =4πR² donc S'=4π ( ) 3/2

43

πV

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Cas d'un cube de côté a: V=a³ S''=6a²

V=a³6V=6a³6V 3/2 =6a² donc S''=6V 3/2

Cas d'un tétraèdre régulier: ABCD est un tétraèdre régulier de hauteur DG où G est le centre de gravité du triangle ABC.

Calculons la hauteur d’une face :CI²+IB²=CB²

CI²+( 2a )²=a² car IB= 2

AB

CI²=a²-4

2a

CI²=4

3 2a donc CI=4

3 2a = 23a

Soit s la surface d’une face s= 2.ABCI×

S la surface totale du tétraèdre S=4s

S= =×× 4223 aa a² 3

Pour calculer le volume, déterminons la hauteur CG du tétraèdre:

CG= 32 CI

CG= 32 × 2

3a = 33a

Le triangle CGD est rectangle en G

CG²+GD²=CD²

donc, GD²=CD²-CG²=a²-( 33a )²=(

32aé

)

GD=3

2aé

= a32

ABC est la base, s la surface de la base

s= 2CIAB× =

432a

9

V= 3GDs× = 3

1 × a32 ×

432a =

1223a

212 V× =a³

( 212 V× )=a²

3 ( 212 V× )²/ ³=a² 3 donc S= 3 ( 2

12 V× )²/ ³= 3 ( 26 V× )²/ ³

Courbes des fonctions S, S' et S''

-1 1 2 3 4 5 6 7 8

-11-10-9-8-7-6-5-4-3-2-1

123456789

101112131415161718192021222324252627

- On voit: S(V)>S''(V)>S'(V) - Pour un même volume, La forme tétraédrique possède le plus de surface. Ainsi, notre ballon solaire possèdera une surface exposée au soleil optimale. Cela aura pour effets bénéfiques de chauffer plus vite l'air emprisonné et mieux maintenir la différence thermique entre extérieur et intérieur du ballon.

2. L’atelier en vadrouille avec AIR SYSTEME

Mercredi 3 mai 2007, l’équipe , ainsi que les deux enseignantes animatrices, avaient rendez-vous avec Eric Gauchy, société AIR SYSTEME.

En effet, Monsieur Gauchy ayant entendu parler des activités autour des photos aériennes dans l’infrarouge de l’atelier scientifique, a proposé de mettre à notre disposition tout son matériel afin de nous aider dans nos recherches.

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La société AIR SYSTEME d’Eric Gauchy réalise des photographies aériennes à l’aide d’un ballon captif à hélium embarquant un système sophistiqué de commande de déclenchement d’appareil photographique, Eric Gauchy diffuse ses photographies de la région montargoise dans l’hebdomadaire L’ECLAIREUR du Gâtinais.

Nous nous sommes rendus quelque part...

...dans la forêt de Montargis, où l'un d'entre nous a été aux commandes afin de prendre un "tas" de photographies, dans le domaine du visible et dans le domaine de l’infrarouge.

Cette visite nous a permis de nous intéresser davantage au domaine de l'infrarouge et de réaliser nous même des photographies dans le visible et dans l'infrarouge de la forêt proche.

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Il apparaît très clairement que l'on distingue mieux les feuillus des conifères sur les photographies dans l'infrarouge que dans le visible.

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3.Les chloroplastes, la causes des différentes couleurs?

Nous avons émis l'hypothèse que les différents végétaux n'avaient pas le même spectre d'absorption dans l'infrarouge . C'est donc pour cela qu'ils nous apparaissent dans différents tons de rouge.

Nous avons alors réalisé une solution de chlorophylle brute;

Nous avons broyé des feuilles d'arbres, des épines de sapin et de l'herbe avec du sable fin (pour casser les parois cellulaires) et de l'alcool à 90° (pour solubiliser la chlorophylle et certains pigments).

Puis nous avons filtré le contenu du mortier afin d'obtenir la solution dite de «chlorophylle brute»;

Pour finir nous avons réalisé le spectre d’absorption de chacun des échantillons.

On peut observer que les feuillus, les conifères et l'herbe ont une réponse spectrale de même allure dans l’infrarouge. Nos résultats ne nous permettent pas de valider notre hypothèse. Nous nous sommes donc intéressés à la réflectance de la végétation.

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4. La réflectance C’est le rapport entre l'énergie solaire réfléchie et l'énergie solaire incidente sur une surface.

L’absorption des ondes électromagnétiques par les végétaux due aux pigments chlorophylliens est importante dans le domaine du visible (bleu et rouge). Dans le domaine du proche infrarouge 50% du rayonnement est réfléchi. La réflectance dans l’infrarouge est directement liée à la végétation.

On observe sur ce graphique que la réflectance des feuillus est plus importante que celle des conifères, ce qui nous explique que les feuillus sont plus clairs que les conifères sur les photographies dans l'infrarouge. En effet, ils réémettent plus de lumière que les conifères qui apparaissent donc plus foncés. Il y a également une variabilité de la réflectance au cours du temps, due essentiellement à la sénescence des feuilles.

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5. Comparons ce que voit l’A.P.N. à ce que voit l’œil ? L’appareil photographique numérique dispose d’un capteur, celui que nous avons utilisé possède un capteur CCD :

Le capteur CCD peut être assimilé à la pellicule argentique des appareils photos argentiques. En effet il permet la sauvegarde de l'image prise à l'aide d'un appareil photo numérique,Son sigle CCD est l'abréviation de Charge-Coupled Device.

a) Quel en est le principe ?

Le capteur CCD est un composant électronique qui permet la conversion de photons ( visible,UV,IR) en un signal électrique analogique, ce signal est ensuite numérisé par un convertisseur analogique numérique. Le capteur CCD est composé de photocapteurs basé sur le principe de l'effet photoélectrique,

Les capteurs forment une matrice de capteurs élémentaires constitué de photodiodes. Ce composant semi-conducteur a la capacité de détecter un rayonnement du domaine optique et de le transformer en signal électrique. Ces capteurs sont plus efficaces que la pellicule argentique : près de 50% des photons reçus permettent de collecter un électron contre environ 5% de photons révèlent un grain photosensible pour la pellicule argentique. Pour le capteur CCD le nombre d'électrons collectés est proportionnel à la quantité de lumière reçue, ces capteurs sont sensibles à l'ensemble du spectre de la lumière y compris à l' infrarouge. Les capteurs CCD sont sensibles à des photons dont la longueur d’onde de la radiation électromagnétique s'étend de 200nm à 1200nm, donc de l'ultraviolet à l'infrarouge.Un filtre dit de Bayer placé sur le capteur de sorte que chaque photosite ne « voit » qu'une seule couleur : rouge, vert ou bleu. En effet de cette façon on diminue le nombre d'informations que reçoit chaque capteur et se « spécialise » dans le domaine de longueurs d'onde imposé par le filtre.

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L'effet photoélectrique permet aux photons incident d'arracher des électrons à chaque photosite,

La répartition des couleurs du filtre de Bayer sur le capteur permet d’assurer une répartition correspondant à la sensibilité de notre œil : 2 verts pour un rouge et 2 verts pour un bleu.L'efficacité quantique, est le rapport du nombre d’électrons extraits par le nombre de photons incidents éclairant un photosite du capteur.

Il est intéressant de connaître la réponse spectrale de l’œil et de la comparer à la réponse spectrale du capteur CCD.

Donc le capteur CCD donne une image dont les couleurs sont proches de celles que notre œil perçoit. De plus pour éliminer le proche infrarouge, sur le capteur CCD est placé un filtre « hot mirror » .

Les courbes de réponse spectrales de l'oeil et du capteur CCD sont alors superposables.

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Spectre solaire perçu au travers de l'atmosphère (en orange) et courbe de sensibilité spectrale typique de l'œil humain (en vert). La correspondance des maxima n'est certes pas un hasard, mais le fruit de l'évolution.

b) Quel est le rôle de notre filtre diapositive « ratée » ?

Le rayonnement arrivant sur le capteur comprend les différentes parties du spectre visible atténuées alors que la partie du proche infrarouge est moins atténuée.

c) Nous avons voulu vérifier la courbe de réponse d’un capteur élémentaire Le capteur CCD étant un constitué de photodiodes. Nous avons choisi une photodiode MPX21 éclairée par la lampe du projecteur de diapositives.On a décomposé la lumière blanche émise par le projecteur avec un réseau 140 traits/mm nous obtenons une figure de diffraction.

On déplace la photodiode dans le spectre et on relève la tension aux bornes de la résistance R=1 MΩ selon la couleur de la lumière arrivant sur la photodiode ;

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λ

Il nous est difficile de déterminer précisément la valeur de la longueur d'onde. On vous présentera le graphique U=f(couleur).

L’œil humain comme l’APN possède des capteurs qui mesurent l’énergie lumineuse reçue et transmettent ces informations au cerveau ou à un logiciel de traitement pour les APN pour fabriquer une image .

L’œil possède deux sortes de capteurs les bâtonnets (qui ne sont pas sélectifs donc ne permettent pas de distinguer les couleurs ) et des cônes qui sont des capteurs dont la sensibilité maximale se situe des un domaine de longueur d’onde correspondant à une couleur donnée.

Il existe trois types de cônes qui diffèrent par la radiation qu’ils détectent : de courtes, de moyennes ou de grandes longueurs d’onde..

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IV.Nous avons pris de la hauteur

Lundi 8 octobre 2007 15h30

De tradition l’atelier scientifique anime l’ouverture de la fête de la science dans notre lycée, et depuis trois ans un ballon stratosphérique est lâché depuis la cour du lycée devant les 1000 élèves du lycée. Le site du lâcher était la pelouse du skate Park du lycée Durzy, endroit découvert, à l’abri du vent. Laurent Vayssade et Annabel HUREL de l’association Planete Science nous ont aidés pour procéder au lâcher du ballon et au suivi de la télémesure.

1.La chaine de vol La nacelle supérieure a été réalisée et équipée par les élèves de la classe de 202. Elle emportait des capteurs de pression, température, luminosité et une télémesure .

La nacelle inférieure a été conçue et fabriquée par l’atelier scientifique et emportait nos précieux appareils photonumériques.

Ballon en latex gonflé à l’hélium

Les parachutes insérés dans la chaîne de vol s’ouvrent pour freiner la descente des nacelles.

Les réflecteurs radar permettent aux avions de repérer le ballon ou les nacelles.

2.Nous voulions voir de plus haut mais … récupérer nos appareils photos.

Nous avons inventé un système de largage de la seconde nacelle .Ce système est composé d'un ballon de baudruche gonflé, attaché, a un fil de paille de fer lui même raccordé à un retardateur. Ce retardateur retient l'énergie de la pile et la libère à la troisième minute. La paille de fer devient incandescente et perce le ballon de baudruche.

Schéma du montage

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& &

Pile4,5 V

R

C uC

Interrupteur 駘 ectronique

Paille de feruG

& &

Chronogrammes :

uC

4,5 V

uG

4,5 V

0t1

à t = 0, on ferme l'interrupteur….et on lâche le ballonà t = t1= RC ≈ 200 s la tension uC dépasse la valeur de 2,5 V. La tension uG passe alors de 0 à environ 4,5 V. Cette valeur de tension déclenche le transistor qui se comporte alors comme un interrupteur fermé. Le courant passe dans le morceau de paille de fer qui se met à chauffer très fortement. Le ballon, en contact avec la paille de fer, fond et se dégonfle, ce qui libère la nacelle.

3. La seconde nacelle.

La nacelle inférieure contenant deux appareils photos est ainsi larguée au bout de trois minutes. Les appareils photos sont éloignés l'un de l'autre de 50 cm et sont en mode camera. Ils sont allumés quelques secondes avant le départ du ballon.La distance entre les deux appareils photos permet de réaliser une seule série d'images grâce à la stéréoscopie.

Nos partenaires nous ont accompagné dans les airs afin de repérer la position de notre nacelle largable.

Air Systeme

Et le paramoteur d’Air Gatinais

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Mission réussie !!!

V. La Vision stéréoscopique

1. Qu'est ce que la vision stéréoscopique?

Nous les humains, et la quasi-totalité des animaux percevons le relief. Ceci est du au fait que nous ayons deux yeux, ceux-ci regardent un même objet mais de deux points de vue différents. Cette double information est traitée par le cerveau qui, à partir de 2 images en 2D, nous fait apparaître une seule en 3D. C'est le cerveau qui en réalité, qui fait tout le travail.Lorsque la photographie fut inventée, on a cherché a reproduire cette une vision, à partir d'images planes: C'est la stéréoscopie. Ici, ce n'est plus un réel objet que nous regardons, c'est deux images d'un même objet de deux angles légèrement différents. Ainsi, en obligeant chaque œil à regarder chaque image séparément, nous reconstituons le phénomène.

2. A quoi nous sert la stéréoscopie ici?

Voir nos photos en relief, en plus de la vision infra rouge, nous apportera des informations supplémentaires sur la végétation. On pourra distinguer par exemple, les arbrisseaux des autres arbres plus vieux, distinguer plus nettement l'âge relatif d'une futaie par rapport à une autre, nous renseignant sur l'évolution de l'aire étudiée. Ce qui nous permettra d'affiner la topologie végétale autour de notre lycée. Aussi, voir en relief nous permettra de voir certaines choses que nous n'aurions pu voir en 2D, de les faire ressortir.

3. Comment réaliser une image en relief?Pour réaliser une image dite stéréoscopique, il existe plusieurs méthodes. Mais nous avons

choisi celle-ci:

a)- Prise de photos

Nous avons pris deux appareils photos numériques identiques, que nous avons fixé dans notre nacelle l'objectif vers le bas. Comme pour nos yeux, il fallait que les appareils soient bien parallèles et alignés. L'écart n'a que peu d'importance mais, il faut savoir que plus ils seront éloignés, plus le relief sera exagéré et fera ressortir les choses.

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Nous avions, à l'origine, choisi de mettre un mètre d'écart entre les deux appareils qui auraient été mis sur « fonction caméra ». Ainsi, vu que l'objet à étudier (le sol) est très éloigné nous pourrons quand même apprécier le relief. Mais les contraintes de notre cahier des charges nous imposaient que toutes les arêtes de notre nacelle ne devait pas être inférieure à 30cm pour des questions de sécurité (notamment à propos de l'atterrissage). Cela nous faisait alors une nacelle de 100*30*30cm. Et là, elle dépassait le poids autorisé (1kg), avec les appareils photos en charge. Il a du donc fallut prendre la douloureuse décision de couper notre nacelle en deux. Mais l'écart entre les objectifs demeure beaucoup plus grand que celui que nous avons entre nos yeux.

b)-Traitement des images obtenues

En décomposant nos deux films, on obtient donc deux photos aériennes prises à un instant t donné. Le défi ici est d'obliger chaque œil à regarder une image séparément, ce qui est pratiquement impossible sans outils. Si l'on superpose ces deux images homologues, ce serait incompréhensible, à cause du décalage (appelé parallaxe), mais en appliquant des filtres sur chaque image, un rouge et un vert par exemple et en chaussant des lunettes anaglyphes (aux verres l'un vert, l'autre rouge): l'œil « rouge » ne verra pas l'image rouge et inversement, l'œil « vert » ne verra pas l'image « verte ». Ainsi, chaque œil regarde une image et le cerveau en crée une autre, cette fois-ci en 3 dimensions. Le fait d'utiliser des couleurs complémentaires permet d'éviter toute confusion et de rendre les images complètements indépendantes visuellement parlant.Certes, cette méthode possède des inconvénients: non seulement, on perdra la notion des couleurs et leurs informations, mais les couleurs voisines de celles des filtres seront carrément absorbées. En revanche, cette technique permet à plusieurs personnes à la fois de voir le relief à partir d'un écran, elle rend la vision stéréoscopique très accessible à tous.

c). Ce que l'on a pu tirer de nos clichés stéréoscopiquesDes images stéréoscopiques que nous vous ferons découvrir.

Pour surveiller un petit bout de notre Terre

L'objectif a été réalisé, comme l'IFN, nous possédons nos propres photos dans l'infrarouge et dans le visible. Nous pouvons ainsi observer l'activité sauvage autour du lycée. Ce travail d'équipe sur un an et demi fut très enrichissant pour tous, nous permettant d'élargir nos connaissances dans les domaines de la physiques, la chimie et la biologie, mais aussi de vivre une intéressante aventure humaine. L'infrarouge ne pourra-t-il pas servir pour réaliser un jour, l'inventaire forestier mondial afin de surveiller l'évolution de la planète? Le soucis écologique influançant de plus en plus les directions politiques. On protège mieux ce que l'on connaît, ainsi la photo infrarouge possède des applications directes et pourrait nous permettre de mieux saisir l'actualité, en prévision de l'avenir et des mesures pour le changer.

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Bibliographie et webographie

www.wikipédia.frwww.absolut-photo.frwww.planete-sciences.orghttp://pagesperso-orange.fr/ballonsolaire/index.htmwww.ifn.frhttp://unjeudecouleur.free.frPaysages de Forêts aux portes du visible sous la direction de Claude VidalManuel Science de la Vie et de la Terre spécialité Collection Périlleux

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