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Senseur d épaisseur optique (ODS) pour la mesure de la poussière et des nuages dans latmosphère de Mars Tran The Trung Service dAéronomie 20 décembre 2005.

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1 Senseur d épaisseur optique (ODS) pour la mesure de la poussière et des nuages dans latmosphère de Mars Tran The Trung Service dAéronomie 20 décembre 2005

2 Plan de la présentation Atmosphère martienne et ODS Atmosphère martienne et ODS Calculs de transfert radiatif pour ODS Calculs de transfert radiatif pour ODS Simulation du signal de ODS Simulation du signal de ODS Validation en Afrique Validation en Afrique Conclusions Conclusions

3 Atmosphère martienne et ODS 2 facteurs contrôlent 2 facteurs contrôlent la structure thermique: la structure thermique: –Pression –Poussières –Gaz Vapeur deau: Vapeur deau: –Interaction avec Calotte polaire Nord Calotte polaire Nord Réservoirs en sous-sol Réservoirs en sous-sol –Contrainte pour modéliser la circulation globale Profil de température en fonction de lépaisseur optique des poussières I=I 0 e - τ I0I0 I

4 Atmosphère martienne et ODS ODS – objectifs scientifiques: ODS – objectifs scientifiques: –Mesure dépaisseur optique de poussières. –Mesure de la fréquence, de laltitude & de lépaisseur optique des nuages de glace deau. –Couverture globale, cycle météorologique complet. ODS – contraintes techniques: ODS – contraintes techniques: –Peu de ressource dénergie, de transmission de données, masse. –Conditions poussiéreuses (dégradation de mesures optiques).

5 Atmosphère martienne et ODS Flux solaire direct & diffusé = fonction de lépaisseur optique Flux solaire direct & diffusé = fonction de lépaisseur optique Rapport entre les 2 flux -> insensible à la mesure absolue Rapport entre les 2 flux -> insensible à la mesure absolue Observation passive au cours de la journée Observation passive au cours de la journée –Faible consommation dénergie –Pas de mouvement mécanique Opacité des aérosols: direct diffusé Épaisseur optique verticale Ln( flux ) Temps Signal Champ de vue 0% 100%

6 Image de nuage prise par Imager for Mars Pathfinder, 100 min. avant le lever du soleil Atmosphère martienne et ODS Les nuages changent la couleur du ciel au crépuscule et à laube. Les nuages changent la couleur du ciel au crépuscule et à laube. Indice de couleur = flux rouge / flux bleu Indice de couleur = flux rouge / flux bleu Nuages plus opaques => le ciel est plus bleu à laube et au crépuscule. Nuages plus opaques => le ciel est plus bleu à laube et au crépuscule. Nuage plus hauts => le ciel devient bleu plus tôt avant le lever du soleil/plus tard après le coucher du soleil. Nuage plus hauts => le ciel devient bleu plus tôt avant le lever du soleil/plus tard après le coucher du soleil. Nuages:

7 Atmosphère martienne et ODS Système à 2 miroirs focalisant limage du ciel sur 1 photodiode silicium. Système à 2 miroirs focalisant limage du ciel sur 1 photodiode silicium. Mesures alternées du flux solaire direct et direct + diffus par un champ de vue annulaire. Mesures alternées du flux solaire direct et direct + diffus par un champ de vue annulaire. Mesure de lindice de couleur grâce aux 2 voies bleu ( nm) et rouge ( nm). Mesure de lindice de couleur grâce aux 2 voies bleu ( nm) et rouge ( nm).

8 Calculs de transfert radiatif Besoins: Simuler les signaux de ODS Base de données pour traitement des mesures Géométrie plan parallèle : mesure de la poussière faite dans la journée. Géométrie sphérique : mesure des nuages à laube ou au crépuscule.

9 Calculs de transfert radiatif Transfert radiatif dans le domaine visible: Monte-Carlo (intégrale -> sommation sur les parcours aléatoires de photons): précis mais lent SHDOM (Spherical Harmonics Discrete Ordinate Method) (intégrale -> opération linéaire itérative) : rapide mais moins précis

10 Calculs de transfert radiatif P(θ) = 1+cos(θ) P(θ) = const. fifi frfr Monte-Carlo SHDOM AG=f r /f i Validation par des solutions analytiques de Chandrasekhar Albédo de diffusion simple Albédo géometrique

11 Calculs de transfert radiatif Inter-comparaison Monte-Carlo & SHDOM Angle zénital (°) I/F Observation depuis le sol

12 Calculs de transfert radiatif Conclusions: 4 modèles: Monte-Carlo & SHDOM en atmosphère plan parallèle et sphérique. Plan parallèle: signaux diurnes. Sphérique: signaux à laube / au crépuscule. Monte-Carlo précis mais lent: calculs de reférence. SHDOM rapide mais moins précis: extension de la résolution des simulations.

13 Simulation des signaux de ODS Étapes de la simulation: Propriété optique (Poussière & gaz) Champ dintensité Monte-Carlo SHDOM Signal ODS simulé V f

14 Simulation : Mesure de Poussière Sensibilité à lopacité des poussières Temps local Martien (h) Sortie ODS (V) midi

15 Simulation : Mesure de Poussière Sensibilité à la distribution en taille des poussières

16 Simulation : Mesure de Poussière Inversion : minimum de Indépendant de la calibration. τ = 0.5

17 Simulation : Mesure de Poussière Inversion sur les observations simulées SaisonIncertitudeBruit 0,01V20% n Im 5% n Re 0,1° tilt Total (*) τ = 0,5 r eff = 1,7µm Δτ/τ (%) 0,7440,31,7 4,4 Δr eff /r eff (%) 3,245,51,8 7,7 Δσ eff /σ eff (%) τ = 4,5 r eff = 3µm Δτ/τ (%) 0,14670,01 9,2 Δr eff /r eff (%) 0,9230,01 3,7 Δσ eff /σ eff (%) 2,821,51,6 4

18 Simulation : Mesure de Nuage Sensibilité à laltitude et à lopacité des nuages Rouge Bleu Rouge Bleu

19 Simulation : Mesure de Nuage Inversion sur les observations simulées Incertitude 5% τ p 10% r eff-p 30% σ eff-p 10% Δz n 10% r eff-n 30% σ eff-n Total Δτ n /τ n (%) 1,5430,0631,8 6,2 Δh n (km) 0,880,020,180,0070,70,02 1,1

20 Simulation des signaux de ODS Conclusions: Signaux diurnes: sensibles à lopacité des poussières. Signaux à laube et au crépuscule: sensibles à laltitude & à lopacité des nuages. Inversion: test de χ 2 entre les observations & simulations (base de données). 5% derreur sur lopacité des poussières. 10% derreur sur lopacité des nuages, 1km sur laltitude.

21 Validation ODS en Afrique Où: IRSAT, Ouagadougou, Burkina Faso Où: IRSAT, Ouagadougou, Burkina Faso Quand: Saison sèche à et après Quand: Saison sèche à et après Pourquoi: Pourquoi: –Couche daérosols similaire au cas Martien –photomètre AERONET pour comparer ODS AERONET

22 Validation ODS en Afrique Mesure typique : Mesure typique : 0,86V = 1 magnitude journée claire ( τ 0,1)

23 Validation ODS en Afrique Journée chargée en poussière ( τ 3) Journée chargée en poussière ( τ 3)

24 Validation ODS en Afrique Mesure typique: Indice de couleur Mesure typique: Indice de couleur Rouge Bleu

25 Validation ODS en Afrique Mesure typique: Lune Mesure typique: Lune

26 Opérations en Afrique Détermination de lorientation de linstrument: Détermination de lorientation de linstrument: –Pourquoi? pour simuler correctement les signaux ODS –Comment? Recherche minimum χ 2 =Σ( s t i - o t i ) 2 Précision: 0,1° Précision: 0,1°

27 Validation ODS : Poussière Exemples de détermination dépaisseur optique des aérosols 870 nm Exemples de détermination dépaisseur optique des aérosols 870 nm Observation Simulation τ =0,8±0,02 Observation Simulation τ =0,94±0,03

28 Validation ODS : Poussière Épaisseur optique des aérosols Épaisseur optique des aérosols –Comparaison ODS/AERONET à 870nm avec barres derreur

29 Validation ODS : Poussière Impact des nuages Impact des nuages –ODS : la mesure intègre tout le ciel + toute la journée –AERONET : mesures localisées + temps court ODS = AERONET Fit ODS = 0,05 +1,017*AERONET Fit ODS = -0, ,984*AERONET Barres derreur 20%

30 Validation ODS : Poussière 2 mesures par jour: matin et après-midi 2 mesures par jour: matin et après-midi –Rapport matin/soir Temps Log(flux)

31 Validation ODS : Nuages Cirrus terrestres Cirrus terrestres Simulation Simulation Préliminaire Rouge Bleu τ réel τ = τ réel × α Sans poussière α < 1

32 Validation ODS : Nuages Exemples de détermination daltitude & dépaisseur optique des cirrus Exemples de détermination daltitude & dépaisseur optique des cirrus Préliminaire Observation Simulation h = 10 km ± 1.5 km τ = 0.03 ± décembre 2004

33 Validation ODS : Nuages Altitude des cirrus terrestres en km Altitude des cirrus terrestres en km Préliminaire Histogramme des altitudes des cirrus 17,5 km 16 km

34 Validation ODS : Nuages Opacité des cirrus Opacité des cirrus Subvisible Ultrasubvisible Préliminaire Nombre de nuage Épaisseur optique ( τ = τ réel × α )

35 Conclusions On a fabriqué linstrument ODS (phase B de NETLANDER). On a fabriqué linstrument ODS (phase B de NETLANDER). On a développé des modèles de Monte-Carlo & SHDOM sphérique. On a développé des modèles de Monte-Carlo & SHDOM sphérique. ODS est sensible à: ODS est sensible à: –Lopacité & la distribution des aérosols –Lopacité & laltitude des nuages Inversion: test χ 2 Inversion: test χ 2 Test à Ouagadougou: Test à Ouagadougou: –Aérosols: ODS AERONET –Nuages: fréquence et altitude des cirrus Perspectives: Perspectives: –Améliorer la détection des cirrus à laube et au crépuscule –Améliorer la détection des aérosols dans la nuit avec la Lune –Développement ODS pour lenvironnement terrestre (AMMA) –Embarquement sur des missions Martiennes: 135g, 30mW, 2kb/jour


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