Exploitation des observations Obtenues avec un sky Brightness monitor au dôme C  


Traitement de données





Regardons maintenant les données transmises par le SBM afin de déterminer la nature de ce qu'on observe, l'intérêt et les méthodes utilisées pour ce traitement.



1. Nature des données traitées


Le SBM envoie des données sous forme d'images où le soleil est occulté afin de permettre l'étude de la brillance du ciel autour de celui-ci. Un cliché est pris toutes les 5 minutes, toutefois, il arrive que des problèmes météorologiques ou techniques provoquent une absence de données durant plusieurs heures.

Le SBM est équipé de 4 filtres, car, les couleurs, de par leur longueur d'onde, sont diffusés différemment dans l'atmosphère.
  • Filtre 0 (Fonctionnant dans le bleu - longueur d'onde : 450 nm)
  • Filtre 1 (Dans le vert - longueur d'onde : 530 nm)
  • Filtre 2 (Dans le proche infra rouge - longueur d'onde : 890 nm)
  • Filtre 3 (Autre filtre fonctionnant dans le proche infra rouge mais cette fois, centré sur une bande d’absorption de la vapeur d’eau pour en mesurer le taux dans l’atmosphère - 940 nm)

Ainsi, chaque fichier issu du SBM contient 4 images, correspondant aux différents filtres.

Les fichiers étudiés ont pour nom : année, mois, jour, heure, par exemple, pour un fichier datant du 6 décembre 2008 à 18h15, il aura pour nom : 200812061815. Ils sont ainsi classés par ordre chronologique.


Voici, typiquement, le genre de photo issue du SBM que l'on regarde :
- En haut, à gauche, filtre 0 (bleu)
- En haut, à droite, filtre 1 (vert)
- En bas, à gauche, filtre 2 (rouge)
- En bas, à droite, filtre 3 (vapeur d'eau)




Chaque fichier est accompagné d'un header, celui du fichier précédent se présente ainsi :

SIMPLE  =                    T /  FITS STANDARD HEADER

BITPIX  =                   16 /  BITS PER PIXEL

NAXIS   =                    3 /  NUMBER OF AXES

NAXIS1  =                  320 /  NUMBER OF COLUMNS

NAXIS2  =                  240 /  NUMBER OF ROWS

NAXIS3  =                    4 /  NUMBER OF IMAGES

TIME-OBS= '12:00:23          ' /  TIME OF OBSERVATION HH-MM-SS UT

DATE-OBS= '2009-01-02        ' /  DATE OF OBSERVATION YY-MM-DD UT

STRT-OBS= '12:00:23          ' /  TIME CAMERA OBSERVATION BEGAN

END-OBS = '12:02:41          ' /  TIME CAMERA OBSERVATION ENDED

SITENAME= 'Haleakala         ' /  SITE NAME

INSTRUME= 'sbm6              ' /  INSTRUMENT

EXPOSUR1=                 1000 /  EXPOSURE TIME (MS) FOR FILTER 1 (BLUE)

EXPOSUR3=                  300 /  EXPOSURE TIME (MS) FOR FILTER 3 (GREEN)

EXPOSUR4=                  300 /  EXPOSURE TIME (MS) FOR FILTER 4 (RED)

EXPOSUR5=                  500 /  EXPOSURE TIME (MS) FOR FILTER 5 (WATER VAPOR B)

COADD1  =                    5 /  CO-ADD FOR FILTER 1 (BLUE) IMAGE

COADD3  =                    5 /  CO-ADD FOR FILTER 3 (GREEN) IMAGE

COADD4  =                    5 /  CO-ADD FOR FILTER 4 (RED) IMAGE

COADD5  =                    5 /  CO-ADD FOR FILTER 5 (WATER VAPOR BAND) IMAGE

COMMENT IMAGE 1 IS FOR FILTER 1 (BLUE), WITH DARK SUBTRACTED

COMMENT IMAGES TAKEN WITH FILTER 2 ARE DARK IMAGES, NOT SAVED TO FILE

COMMENT IMAGE 2 IS FOR FILTER 3 (GREEN), WITH DARK SUBTRACTED

COMMENT IMAGE 3 IS FOR FILTER 4 (RED), WITH DARK SUBTRACTED

COMMENT IMAGE 4 IS FOR FILTER 5 (WATER VAPOR BAND), WITH DARK SUBTRACTED


Il présente les propriétés de l'image, la date ainsi que le début et la fin de l'observation, le nom du site (bien qu'ici, il y ai une erreur, il s'agit évidemment de Concordia et non de Haleakala), le nom de l'instrument ayant permis ces données, les temps d'expositions, propriétés et commentaires pour chacun des filtres.



L'image suivante, issue du SBM, présente les différents éléments d'un cliché.
Elle a été mise en échelle logarithmique, afin d'être visuellement plus claire.



Le ciel est pur et on voit clairement la frange de diffraction dûe à l'occulteur bien qu'elle ne soit pas complète, le soleil n'étant pas parfaitement centré.




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2. Qualité des observations


Le SBM a transmis un nombre important d'images dont, toutefois, certaines qui se révélaient inexploitables. Ces images sont parfois difficiles à expliquer et on ne peut émettre que des suppositions.


Dans le cas suivant, par exemple, le soleil n'est pas centré et sort du disque d'occultation.






Ici, l'intensité lumineuse est trop importante et provoque une saturation de l'appareil.






Dans l'image suivante, il pourrait s'agir de perturbations météorologiques (ciel très nuageux, tempêtes de neige, ...).






Lorsque l'on observe maintenant le type d'image ci-après dans les 4 filtres, les clichés peuvent être très différents entre eux, il y a tantôt, une absence de lumière (filtre bleu), une saturation lumineuse (filtre vert) ou le soleil qui n'est pas centré (filtres rouge et vapeur d'eau).






Il existe toutefois des images qui sont de bonnes qualités dans certains filtres, mais inexploitables dans d'autres. Cette observation pourrait s'expliquer par un problème technique mais au vu des temps d'observation differents pour chaque filtre, on pourrait aussi dire que des changements climatiques ont pu se produire avant ou après la prise des clichés correspondant aux filtres vert et rouge.







Mais hormis les images de mauvaises qualités, une grande partie des clichés sont exploitables, comme le suivant,



A partir de ce genre d'image, nous pouvons étudier la brillance du ciel autour du soleil.





3. Brillance du ciel


Les données à notre disposition sont nombreuses mais compte tenu du peu de temps que durait notre stage, nous nous sommes consacrés à une zone restreinte.
On a pris une journée représentative de l'ensemble des observations.

La période choisie a été le 2 Janvier 2009 entre 2h00 et 22h00, elle contenait 240 fichiers dont 126 étaient de bonnes qualités, soit 52,5% de la totalité.

Les données ont été traité sous IDL, un environnement informatique contenant un certain nombre de programmes permettant d'extraire efficacement les informations voulues des images.

En outre, nous pouvons utiliser l'échelle logarithmique, qui nous permet une meilleure clarté des clichés.




Considérée dans les 4 filtres, il y'a peu de différences entre chaque image.




C'est ce genre d'image où le ciel est pur que l'on recherche pour étudier la brillance du ciel.


Dans un premier temps, on observe sur le graphe representant la brillance du ciel en fonction de la distance au soleil dans la zone où on voit le ciel.


A gauche l'intensité descend au tout début rapidement, on est en train de sortir de la diffraction par l'occulteur.
A droite l'intensité remonte un peu, c'est à cause de la diffraction par le tube dans lequel est le SBM.

De haut en bas on va du bleu au filtre vapeur d'eau ce qui montre que la diffusion diminue vite avec la longueur d'onde, la diffusion de Rayleigh est importante même si la
diffusion de Mie est présente (variation du niveau de lumière diffusée avec la distance au soleil).

Pour une brillance du ciel moindre, l'intensité lumineuse doit être faible.



Nous avons réalisé un programme avec le langage C qui permet de calculer les coordonnées du soleil et de tracer sa trajectoire dans le ciel en fonction de la date et de l'heure afin de s'assurer d'un meilleur suivi de celui-ci (ici).

Le graphe suivant montre l'intensité lumineuse émise par le soleil, et reçue par chaque filtre, en fonction de l'heure.


de haut en bas : bleu, vert, rouge et vapeur d'eau

Ce graphique nous montre que les informations que l'on peut tirer des 4 filtres sont simulaires. Il y a quand même des petites différences qui obligent de prendre en compte les 4.

Le flux diminue davantage dans le bleu, un peu moins dans le vert et dans le fitre vapeur d'eau, peu dans le rouge quand le soleil baisse sur l'horizon. On peut en déduire l'extinction (baisse d'intensité dûe à la diffusion de la matière) dans les divers filtres à partir du tracé du flux reçu en fonction du nombre de masses d'air comme indiqué ci-dessous.


On voit que les taux mesuré à Hawaï (Haleakala) sont superieurs à ceux du dôme C, ce qui tendrait à montrer que le ciel de Hawaï est plus brillant (et plus diffusant) que celui de Concordia.




Sur la figure qui suit est représentée, pour chacun des filtres du SBM, la luminosité du ciel autour du soleil (en unité de luminosité solaire) en fonction de la distance depuis centre du soleil (en unité de rayon solaire) :

Ce graphique nous montre que la brillance du ciel dépend de la distance par rapport au centre du soleil.
Le premier pic représente le soleil.
Le creux (entre 2,2 et 4,2 unités de rayons solaires) représente l'atténuation d'intensité dûe à l'occulteur.
Le pic suivant est dû à la diffraction par l'occulteur.
Ensuite le reste du graphique représente la brillance du ciel entre 4 et 8 rayons solaires, la remontée à l'extrémité droite du graphique est due à la diffraction par le tube du SBM.


On remarque, au fil des graphiques précedents que le ciel du dôme C est d'une grande pureté de par la faible brillance de son ciel.


Les programmes présents dans IDL permettent d'effectuer un certains nombres d'études sur les images issues du SBM, les courbes de luminosité peuvent permettre d'isoler les images correspondant à un ciel pur.


Mais le temps nous faisait malheureusement défaut pour étudier tout ce que l'on aurait souhaité et continuer davantage notre travail.





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