A team including Luc Arnold, Sophie Gillet and Olivier Lardière of the OHP-Observatoire de Haute Provence and Pierre Riaud and Jean Schneider of the Paris Observatory, detected for the first time the color characteristic of the terrestrial vegetation in the " Earthshine " (i.e. the dark part of the Moon only hit by the Earth light).

clair-de-terre.jpg Earth seen from the Moon at the epoch of the observations of June 24 2001 (This simulation is not an image calculated from the observations of earthshine. It is based simply on the relative positions of the Sun, the Moon and the Earth, represented here without clouds). Image computed by Home Planet 3, John Walker http://www.fourmilab.ch/homeplanet/homeplanet.html 

To observe the light of the Earth by reflexion on the Moon enables us to characterize the aspect of our planet as seen by a remote observer. We need this observation to prepare the detection of extra-solar planets similar to the Earth.

The color of the Earth by reflexion on the Moon, detected for the first time, is characterized by an abrupt increase in intensity in the spectrum starting from 750 nm in wavelength (cf figure 1).

Figure 1 opposite shows the spectrum of the earthshine. Two characteristics are clearly seen :

1 / It is especially intense towards the blue, below 600 nm. It is simply the reflection of the blue color of the sky. Thus, we confirm that the Earth is indeed a " blue planet ". [ Let us remind that the blueness of the sky is due to the different amount of light scattering in the various colors : among the white light of the Sun, blue is more scattered (deviated) than red by the molecules of the atmosphere : the red rays of the Sun carry on their straight path while the blue ones turn towards the observer. ]

2 / It shows a clear increase in intensity towards the long wavelengths starting from 725 nm. This increase is characteristic of the average spectrum of the terrestrial vegetation (Figure 2) and is interpreted as being a reflexion of the color of the vegetation on the Moon. VRE.jpg

The increase longwards of 750 nm is characteristic of the average spectrum of the terrestrial vegetation and is interpreted as being a reflexion of vegetation color on the Moon.

Figure 2 opposite shows the spectrum of various parts of the terrestrial surface, from "Spectroscopy of Rocks and Minerals, and Principles of Spectroscopy" by Roger N. Clark. It appears clearly that any vegetation has an increase intensity above 700nm. In other words, the vegetation has an infra-red color essentially, as is confirmed in the earthshine spectrum. The green color of the vegetation is only a secondary characteristic of its spectrum, as indicated in the small " bump " in the spectrum at 550 nm. Although the biologists did not yet completely elucidate the details of photosynthesis mechanism, one can at least understand that the increase of the spectrum around 725 nm is a characteristic of any vegetation. Indeed, whatever the details, photosynthesis consists in " pumping " energy of sunlight to transform it into chemical energy (with production or not of oxygen). The subtraction of this energy in the solar spectrum results in a deficiency at these wavelengths in the spectrum of the plants. As all the plants take part of the same biochemistry, the region of the solar spectrum " pumped " is, with rare exceptions, universal for any vegetation. veget.jpg

The observations were made from April 2001 at the 80 cm telescope of the OHP. At the time of the observations, in the morning the Moon sees Asia and in the evening it sees America (Northern and Southern). Similar observations were made at the Steward Observatory (Arizona) from June 2001 (see here). At the time of these observations, the Moon saw primarily the Pacific Ocean and a small portion of Asia. The long-term purpose of these observations is to test the detectability of the vegetation on the extra-solar planets by the space missions of the DARWIN type, modified for observations in visible light, in project for years 2015. Why not be satisfied with the direct observation of the terrestrial vegetation seen from satellites of the SPOT type or others ? Because those do not see the Earth from a remote enough point, thus do not have an instantaneous global vision of it. Moreover they have only a quasi vertical vision of the terrestrial ground and thus do not take account of all angles of sight, and of the effects of absorption due to the oblique crossing of the atmospheric layers. So the conditions of observation similar to that of a remote extra-solar planet are not met. On the contrary, the Moon being far enough from the Earth, it sees it overall ; moreover the roughness of its surface makes that it reflects in all the directions the terrestrial light, thus mixing the luminous rays resulting from all the terrestrial areas, which makes it possible to have the average color of the Earth. Moreover, the Earth is the only planet of the solar system to have the blue color characteristic of its atmospheric scattering ; the atmosphere of Mars is too tenuous and that of Venus too opaque to have this blue color. This color will thus be a simple, but invaluable indicator for the studies of exobiology, of the state of the atmosphere of an extra-solar planet.

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Reference Arnold L., Gillet S., Lardière O., Riaud P., Schneider J. : 2002, ``A test for the search for life on extrasolar planets : Looking for the terrestrial vegetation signature in the Earthshine spectrum’’ Astronomy and Astrophysics, 392, 231 Contact : Luc Arnold (OHP, Observatoire de Haute-Provence) Jean Schneider (LUTH, Observatoire de Meudon) 

Dernière modification le 4 mars 2013

Une équipe composée de Luc Arnold, Sophie Gillet et Olivier Lardière de l’Observatoire de Haute Provence et de Pierre Riaud et Jean Schneider de l’Observatoire de Paris a, pour la première fois, détecté la couleur caractéristique de la végétation terrestre dans la "Lumière Cendrée" (c’est-à-dire la partie sombre de la Lune éclairée seulement par la Terre).

clair-de-terre.jpg Terre vue depuis la Lune au moment des observations du 24 juin 2001 (Cette simulation n’est pas une image calculée a partir des observations de lumière cendrée. Elle est basée simplement sur les positions relatives du Soleil, de la Lune et de la Terre, ici représentée sans nuage). Image calculée par Home Planet 3, John Walker http://www.fourmilab.ch/homeplanet/homeplanet.html Observer la clarté de la Terre par réflexion sur la Lune nous permet de caractériser l’aspect que prend notre planète pour un observateur lointain. Nous avons besoin de cette observation pour préparer la détection de planètes extra-solaires semblables à la Terre. La couleur de la Terre par réflexion sur la Lune, détectée pour la première fois, se caractérise par une brusque remontée en intensité dans le spectre à partir de 750 nm de longueur d’onde (cf figure 1).

La Figure 1 ci-contre montre le spectre de cette lumière cendrée. On y voit clairement deux caractéristiques :

1/ Il est surtout intense vers le bleu, en dessous de 600 nm.

C’est tout simplement le reflet de la couleur bleue du ciel.

Ainsi, nous confirmons que la Terre est bien une "planète bleue". [Rappelons que le bleu du ciel est du à la différence de diffusion de la lumière en fonction de la couleur : dans la lumière blanche du Soleil, le bleu est davantage diffusé (dévié) que le rouge par les molécules de l’atmosphère : les rayons rouges du soleil continuent leur route tout droit tandis que les bleus reviennent vers l’observateur.]

2/ Il montre une claire remontée en intensité vers les grandes

longueurs d’onde à partir de 725 nm. Cette remontée est

caractéristique du spectre moyen de la végétation terrestre (Figure 2)

et est interprétée comme étant une réflexion de la couleur de la

végétation sur la Lune. VRE.jpg La remontée à 750 nm est caractéristique du spectre moyen de la végétation terrestre et est interprétée comme étant une réflexion de la couleur de la végétation sur la Lune.

La Figure 2 ci-contre montre le spectre de différentes parties du sol terrestre, d’après "Spectroscopy of Rocks and Minerals, and Principles of Spectroscopy" par Roger N. Clark. Il apparaît clairement que toute végétation a une remontée de son spectre au-dessus de 700nm. Autrement dit, la végétation a essentielement une couleur infra-rouge, comme le confirment les spectres de lumière cendrée. La couleur verte de la végétation n’est qu’une caractéristique secondaire de son spectre, comme l’indique la petite "bosse" dans le spectre à 550 nm. Bien que les biologistes n’aient pas encore totalement élucidé le détail du mécanisme de la photosynthèse, on peut du moins comprendre que la remontée du spectre à 725 nm est une caractéristique de toute végétation. En effet, quels qu’en soient les détails, la photosynthèse consiste à "pomper" de l’énergie dans la lumière solaire pour la transformer en énergie chimique (avec production ou non d’oxygène). La soustraction de cette énergie dans le spectre solaire se traduit par un manque dans le spectre réfléchi des plantes. Comme toutes les plantes participent de la même biochimie, la région du spectre solaire "pompée" est, à de rares exceptions près, universelle pour toute végétation. veget.jpg

Les observations ont été faites à partir d’avril 2001 au 80 cm de l’OHP. Lors des observations du matin la Lune voit l’Asie et pendant celles du soir elle voit l’Amérique (Nord et Sud). Des observations analogues ont été faites au Steward Observatory (Arizona) à partir de juin 2001 (voir ici). Lors ce ces observations, la Lune voyait essentiellement l’océan pacifique et une petite portion d’Asie. La finalité à long terme de ces observations est de tester la détectabilté de la végétation sur les planètes extrasolaires par les missions spatiales du type DARWIN modifiées pour des observations en lumière visible, en projet pour les années 2015. Pourquoi ne pas se contenter de l’observation directe de la végétation terrestre à partir de satellites de type SPOT ou autres ? C’est que ceux-ci ne voient pas la Terre comme un point donc n’en ont pas une vision globale instantanée. De plus ils n’ont qu’une vision quasi verticale du sol terrestre et ne tiennent donc pas compte de tous les angles de vue, et des effets d’absorption dus à la traversée oblique des couches atmosphériques. De ce fait, les conditions d’observation analogues à ce que sera l’observation d’une lointaine planète extrasolaire ne sont pas réunies. Par contre, la Lune étant loin de la Terre, elle la voit globalement ; de plus la rugosité de sa surface fait qu’elle rediffuse dans toutes les directions la lumière terrestre réfléchie, mélangeant ainsi les rayons lumineux issus de toutes les régions terrestres, ce qui permet d’avoir la couleur moyenne de la Terre. De plus, la Terre est la seule planète du système solaire a présenter la couleur bleue caractéristique de sa diffusion atmosphérique ; l’atmosphère de Mars est trop tenue et celle de Vénus trop opaque pour avoir cette couleur bleue. Cette couleur sera donc un indicateur simple, mais précieux pour les études d’exobiologie, de l’état de l’atmosphère d’une planète extrasolaire.

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Référence Arnold L., Gillet S., Lardière O., Riaud P., Schneider J. : 2002, ``A test for the search for life on extrasolar planets : Looking for the terrestrial vegetation signature in the Earthshine spectrum’’ Astronomy and Astrophysics, 392, 231 Contact : Luc Arnold (OHP, Observatoire de Haute-Provence) Jean Schneider (LUTH, Observatoire de Meudon) 

Dernière modification le 22 février 2013