Méthodes physiques en télédétection – Option Atmosphères Cours 2

Plan du cours Atmosphères et sondage Traitement des observations Généralités Les grandes questions de l’atmosphère terrestre Le sondage à distance Traitement des observations Le transfert radiatif Les méthodes d’inversion L’observation satellitaire La recherche aujourd’hui: états des lieux L’avenir: systèmes couplés modèles/observations

Rappels cours 1 Description de l’atmosphère (composition, circulation) Les grandes thématiques de recherche sur l’atmosphère terrestre Déplétion d’ozone aux pôles Changement climatique Chimie/transport/pollution dans la troposphère Le sondage à distance Les différentes plateformes de mesures: avantages/inconvénients Les différents types de mesure: actif/passif Les différences géométries de mesure en télédétection: avantages/inconvénients

Traitement des observations à distance Interaction matière-rayonnement

Principe: Interaction matière-rayonnement Le rayonnement électromagnétique

Le spectre électromagnétique Image école d’été SPECATMO

Rayonnement électromagnétique dans l’atmosphère Image AT2-ELS Source initiale d’énergie Bilan radiatif Réactions chimique Base pour la télédétection

Les sources de rayonnement dans l’atmosphère Image AT2-ELS Soleil Surface - atmosphère Flux entrant (sommet de l’atmosphère) Flux sortant (à la surface)

Rayonnement du corps noir - Planck Corps noir = corps ou volume de gaz qui Absorbe parfaitement le rayonnement incident (tous l) Émission maximale dans toutes les directions, toutes les l pour une température donnée Fonction de Planck: Image AT2-ELS

Rayonnement solaire dans et hors atmosphère Image AT2-ELS Remarque: raies de Fraunhofer – absorption par l’atmosphère du soleil – impact télédétection

Grandeurs caractéristiques du rayonnement Variables spectrales Longueur d’onde (m) l Nombre d’onde (m-1) = 1/ l souvent exprimé en cm-1 (infrarouge) Fréquence (Hz) n = c/ l Grandeurs énergétiques Flux énergétique (radiant flux) - (W) – quantité d’énergie rayonnée par une source par unité de temps Émittance d’une source (radiant emittance) éclairement d’un objet (irradiance) – (W m-2) flux énergétique rayonné par unité de surface Luminance énergétique (radiance) – (W m-2 sr-1) dans une direction donnée.

Interaction matière-rayonnement La matière – les molécules

Mouvements et énergies des molécules Molécule = ensemble de noyaux et d’électrons en interaction Énergies quantifiées: Mvt électrons Mvt noyaux Image école d’été SPECATMO

Observations de ces mouvements Image école d’été SPECATMO

Niveaux électroniques - exemple Image école d’été SPECATMO

Vibration Exemples de modes de vibration Oscillateur harmonique - anharmonique Image école d’été SPECATMO

Exemple: bandes de vibration de OCS Image école d’été SPECATMO

Spectre discret de rotation Image école d’été SPECATMO

Exemple – spectre de rotation pure HCOOH Image école d’été SPECATMO

Vibration-rotation Image école d’été SPECATMO

Vibration-rotation Image école d’été SPECATMO

Bandes chaudes Image école d’été SPECATMO

Intensités des raies Coefficient d’absorption intégré d’une raie: K(s, p, T, N) : coefficient d’absorption (cm-1) ~ probabilité d’interaction d’une molécule avec un photon F(s,p,T) : profil normalisé d’une raie Intensité d’une raie cm-1/(molecule.cm-2) cm-2/atm

Profil des raies Elargissement des raies: Temps de vie du niveau excité Mouvement Collisions Image école d’été SPECATMO

Élargissement naturel Image école d’été SPECATMO

Élargissement Doppler Image école d’été SPECATMO

Élargissement par la pression Émission spontanée + collisions inélastiques Collision entre la molécule active A et une molécule du milieu B Section efficace de collision = p (dA+dB)2/4 Remarque: Pour qu’une collision ait lieu, il faut que le centre de B soit dans un cylindre de diamètre (dA+dB)/2 Densité de la particule B Vitesse moyenne de A par rapport à B Image école d’été SPECATMO

Élargissement par la pression Profil Lorentzien de largeur à mi-hauteur g0PB (loi des gaz parfait NB ~ PB) g0 paramètre d’élargissement Élargissement par l’air Déplacement des raies par la pression Profil Lorentzien n – coefficient de dépendance en T avec

Vers le profil de Voigt Convolution Doppler-Lorentz Image école d’été SPECATMO

Profil de Voigt Image école d’été SPECATMO

Résumé – effets collisions, mouvement Les profils des raies dépendent de la température et de la pression apport d’information sur la variation verticale d’une espèce

Évolution des largeurs avec l’altitude Image école d’été SPECATMO

Évolution des largeurs avec l’altitude Doppler Lorentz Image école d’été SPECATMO

Banque de données spectroscopiques ara.lmd.polytechnique.fr/htdocs-public/products/GEISA/HTML-GEISA/ www.cfa.harvard.edu/hitran/

Interaction matière-rayonnement Les processus d’interaction Image AT2-ELS

Absorption – émission Absorption – loi de Beer-Lambert Emission J = fonction source – généralement fonction de Planck (corps noir), pondérée par l’émissivité (corps gris)

Diffusion Image AT2-ELS

Diffusion de Rayleigh Particules-molécules petites devant la longueur d’onde du rayonnement Molécules: longueur d’onde dans le visible Particules: rayon → l/10 Pas de variation de la longueur d’onde incidente dans l’interaction Dépendance en l4 La longueur d’onde bleue (400nm) est 7 fois plus diffusée que la longueur d’onde rouge (650 nm La fonction de phase décrit la distribution angulaire du rayonnement diffusé. Dans le cas d’un rayonnement incident non polarisé, l’intensité du rayonnement diffusé est proportionnel à l’angle de diffusion I ~ (1 + cos2 ) Image AT2-ELS

Couleur du ciel Le bleu du ciel Le soleil blanc Le rouge des couchers de soleil Image AT2-ELS

Diffusion de Mie « grosses » particules: aérosols, gouttelettes,… Diamètre ~ l (ou supérieur) Pas de variation de la longueur d’onde incidente dans l’interaction Non fortement dépendant de la longueur d’onde incidente Fonction de phase Plus la particule est grosse, plus le pic avant est important Extinction Diffusion Raman inélastique: modification de la longueur d’onde incidente dans l’atmosphère: diffusion Raman rotationnelle – responsable de 4% de la diffusion Rayleigh Image AT2-ELS

Optique géométrique – Arc-en-ciel Goutte d’eau ~ 1 mm de diamètre Toutes les l sont diffusées avec la même efficacité La lumière diffusée par la pluie sans direction privilégiée est donc blanche Mais dans certains cas, séparation des couleurs par réfraction et réflexion à l’intérieur de la gouttelette La lumière bleu est plus réfracté que la lumière rouge

Équation du transfert radiatif

Les différentes composantes Gains pertes Réflexion, diffusion absorption Diffusion multiple Diffusion « hors champ » Émission Image AT2-ELS

Équation du transfert radiatif Fonction source Coefficient d’extinction Radiance spectrale Coefficient d’extinction a coefficient d’absorption s coefficient de diffusion

Équation du transfert radiatif dans une couche de gaz En absence de diffusion et à l’équilibre thermodynamique Transfert radiatif intégré Épaisseur optique Coefficient d’émission = coefficient d’absorption Corps noir

Épaisseur optique Spectres continus Spectres de raies Section efficace d’absorption Concentration de l’espèce i Intensité de la raie j pour l’espèce i Profil de la raies

Application aux mesures à distance

Découpage en couches de l’atmosphère Cas d’une couche homogène isotherme d’épaisseur D Concentration constante Température constante avec (transmission)

Découpage en couches de l’atmosphère Cas de n couches homogènes et isotherme Couche 1 Couche 2 Couche n En pratique, I0: rayonnement solaire hors atmosphère - limbe émission du corps noir (atmosphère) – limbe esurf.B(Tsurf) + (1-esurf) Isurf - nadir

Exemples de spectres mesurés

De l’UV à l’infrarouge (1/5)

De l’UV à l’infrarouge (2/5)

De l’UV à l’infrarouge (3/5)

De l’UV à l’infrarouge (4/5)

De l’UV à l’infrarouge (5/5)

Observations en occultation solaire

Observation - Atmosphère de Titan

Observation UV

Observation nadir UV - GOME

Observation du sol – haute résolution The mobile mirroir can go to more than 300 cm ... The Bruker IFS-120 HR (resolution over 106)

Observation du sol – haute résolution

Observation du sol – haute résolution

Fenêtre de CO à 5 microns (IMG)

Traitement des observations à distance Inversion (retrieval)

Concept Image école d’été SPECATMO

Minimisation d’une fonction coût Moindres carrés Minimisation d’une fonction coût Paramètre à inverser observations Matrice de covariance des erreurs sur les obs Modèle direct RTM Problème mal posé Ajout d’une contrainte moyennant une connaissance a priori de la solution Solution itérative (non-linéarité) Jacobien Formellement Profil inversé Profil a priori Profil vrai Noyaux moyens

Les entrées Modèle de transfert radiatif pour le calcul de F(x) Géométrie de mesure Température, pression Données spectroscopiques (bases de données) Covariance d’erreurs (mesures) La contrainte Plusieurs méthodes (estimation optimale, Tikhonov-Philips + dépendance en altitude) Choix de la contrainte en fonction de la cible

Les grandeurs caractéristiques Fonction de poids ou Jacobien Les fonctions de poids représentent la sensibilité du modèle au paramètre que l’on cherche à déterminer.

Les grandeurs caractéristiques Noyaux moyens (averaging kernels) Soit R le modèle inverse: En linéarisant autour de xa : Dans le cas idéal où erreur du modèle F négligeable: La matrice A représente la sensibilité du système d’inversion au profil vrai et donc la capacité à restituer le profil. Les noyaux moyens décrivent en particulier comment l’état vrai de l’atmosphère est « distordu » dans les quantités inversées La largeur à mi-hauteur des noyaux moyens donne une estimation de la résolution verticale

AVK - limbe Instrument MIPAS(Envisat)

AVK nadir Instrument IASI (MetOp)

Les grandeurs caractéristiques Degrés de liberté du signal (DOFS- degrees of freedom of signal) - Nombre d’information indépendante DOFS = trace(A) Budget d’erreur Steck et al., 2002

Molécules mesurées dans l’UV-vis O3, O2, O4, H2O (absorbent beaucoup) NO2, NO3, HONO BrO, OClO, IO, OIO H2CO (formaldéhyde), CHOCHO (glyoxal) nuages, aérosols

Molécules mesurées dans l’infrarouge H2O, CO2, CH4, N2O O3, CO HNO3, NO2, NO SO2, OCS, SF6, … CFCs: CF2Cl2, CFCl3, CCl4, … VOCs: H2CO, C2H6, … Espèces réservoirs: PAN, ClONO2, N2O5, … Bleu: T, humidité Rouge: intéressant pour la chimie troposphérique

Bibliographie ENVISAT data assimilation summer school (2003) Cours Carli (transfert radiatif et inversion) École d’été SPECATMO (2009) (http://lpce.cnrs-orleans.fr/~specatmo/) Cours Vander Auwera (spectroscopie moléculaire) Cours Payan (transfert radiatif et inversion) ACCENT-TROPOSAT2 – e-learning (http://www.iup.uni-bremen.de/E-Learning/at2-els_NO2/index.htm) Rodgers

Prisme Réseau À transformée de Fourier Les spectromètres Prisme Réseau À transformée de Fourier

Spectromètre à prisme : principe Dispersion/réfraction (indice n du prisme) L’angle de réfraction est le plus grand pour les courtes longueurs d’onde La mesure de l’angle (avec un goniomètre) permet de mesurer la longueur d’onde de la radiation monochromatique mesurée.

Spectromètre à réseau (grating spectrometer) Diffraction par le réseau Interférence des faisceaux diffractés : maximum de lumière dans les directions  telles que sin = k..n (n : nombre de trait du réseau) Les radiations de courtes longueurs d’onde sont les moins déviées. Résolution spectrale liée aux propriétés de l’élément dispersif, aux dimensions de la fente d’entrée et du détecteur. Principalement utilisé pour la télédétection dans l’UV-Vis

Exemple de l’instrument GOME-ERS (UV-Vis)

Exemple de l’instrument OMI-Aura (UV-Vis) Canal UV Canal Vis

Spectromètre à transformée de Fourier : Michelson

Interféromètre de Michelson : principe A différence de marche nulle: chemin optique identique, les deux faisceaux sont en phase Pour un déplacement du miroir mobile d, différence de chemin optique d=2d, faisceaux déphasés. Signal transmis au détecteur (intensité) Source non monochromatique B(s): avec Intensité du flux modulé Contient l’information recherchée Transformée de Fourier

Interférogrammes Interférogramme d’une source monochromatique : fonction cosinus Interférogramme d’une source polychromatique : somme de fonction cosinus Interférogramme d’une source continue

Résolution du spectre Limitation au domaine physique de déplacement du miroir Convolution du signal avec une fonction porte Résolution théorique = 1/(difference de marche maximale) Pour s’affranchir des lobes négatifs et/ou s’affranchir d’une mauvaise connaissance de la fonction d’appareil, on peut convoluer l’interférogramme avec une autre fonction connue (perte de résolution) sinc

Les spectromètres à TF sont principalement utilisés dans l’IR: Temps d’acquisition plus rapide que les spectromètres à réseau Meilleure résolution spectrale accessible

Exemple spectromètre IASI (IR)