Tran The Trung Service d’Aéronomie Senseur d’ épaisseur optique (ODS) pour la mesure de la poussière et des nuages dans l’atmosphère de Mars Openning Long d’ond Mass, energy, donne, MC partir de Francois Gaz, 3, Diffusion gaz Rayleigh. Tran The Trung Service d’Aéronomie 20 décembre 2005

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

Atmosphère martienne et ODS 2 facteurs contrôlent la structure thermique: Pression Poussières Gaz Vapeur d’eau: Interaction avec Calotte polaire Nord Réservoirs en sous-sol Contrainte pour modéliser la circulation globale I=I0e-τ I0 I Pression tres fin: 1% Terre + 26% d’une saison a l’autre (neige) -> Temperature pendant un jour 50K Poussiere : reduire variation diurnal de temperature Epaisseur optique Vertical GCM eau: pole nord printemp/ete. reservoir 10 fois atmospherique Profil de température en fonction de l’épaisseur optique des poussières

Atmosphère martienne et ODS ODS – objectifs scientifiques: Mesure d’épaisseur optique de poussières. Mesure de la fréquence, de l’altitude & de l’épaisseur optique des nuages de glace d’eau. Couverture globale, cycle météorologique complet. ODS – contraintes techniques: Peu de ressource d’énergie, de transmission de données, masse. Conditions poussiéreuses (dégradation de mesures optiques).

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

Atmosphère martienne et ODS Nuages: Les nuages changent la couleur du ciel au crépuscule et à l’aube. Indice de couleur = flux rouge / flux bleu Nuages plus opaques => le ciel est plus bleu à l’aube et au crépuscule. Nuage plus hauts => le ciel devient bleu plus tôt avant le lever du soleil/plus tard après le coucher du soleil. Image de nuage prise par Imager for Mars Pathfinder, 100 min. avant le lever du soleil Image http://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/marspath_images.html

Atmosphère martienne et ODS Système à 2 miroirs focalisant l’image du ciel sur 1 photodiode silicium. Mesures alternées du flux solaire direct et direct + diffus par un champ de vue annulaire. Mesure de l’indice de couleur grâce aux 2 voies bleu (350-400nm) et rouge (800-900nm). Noir / partie masque / belle image

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 l’aube ou au crépuscule.

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 Je develop et utilise 2 modele

Calculs de transfert radiatif Validation par des solutions analytiques de Chandrasekhar Monte-Carlo fi fr SHDOM Albédo géometrique AG=fr/fi P(θ) = const. P(θ) = 1+cos(θ) Albédo de diffusion simple

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

Calculs de transfert radiatif Conclusions: 4 modèles: Monte-Carlo & SHDOM en atmosphère plan parallèle et sphérique. Plan parallèle: signaux diurnes. Sphérique: signaux à l’aube / au crépuscule. Monte-Carlo précis mais lent: calculs de reférence. SHDOM rapide mais moins précis: extension de la résolution des simulations. Le but est de faire la base de donee.

Simulation des signaux de ODS Étapes de la simulation: Champ d’intensité V f Monte-Carlo SHDOM Signal ODS simulé Non model atm fonction transfert de instrument Propriété optique (Poussière & gaz)

Simulation : Mesure de Poussière Sensibilité à l’opacité des poussières midi Sortie ODS (V) conform a ce que l’on attendait Temps local Martien (h)

Simulation : Mesure de Poussière Sensibilité à la distribution en taille des poussières rapele apres dans table Épaisseur optique dé-corrélé de paramètres de distribution en taille; Reff seff pas tres bonn Rayon effective est corrélé avec variation de la distribution en taille

Simulation : Mesure de Poussière Inversion : minimum de Indépendant de la calibration. Simule apartir de model develop Tous sont log(flux) en fontion de temps O, S sont des observation et simulation en log τ = 0.5

Simulation : Mesure de Poussière Inversion sur les observations simulées Saison Incertitude Bruit 0,01V 20% nIm 5% nRe 0,1° tilt Total (*) τ = 0,5 reff = 1,7µm Δτ/τ (%) 0,74 4 0,3 1,7 4,4 Δreff/reff (%) 3,2 5,5 1,8 7,7 Δσeff/σeff (%) 13 20 22 18 37 τ = 4,5 reff = 3µm 0,14 6 7 0,01 9,2 0,9 2 3 3,7 2,8 1,5 1,6 Comparer avec sensibilite deja montre avant, Conclusion : indice de refraction --- raisonable epaisseur optique & rayon effective Comparison: reff 10% - 15% seff 10% - 15% (Markiewicz, W.J., Sablotny, R.M., Keller, H.U., et al. Optical properties of the Martian aerosols as derived from Imager for Mars Pathfinder midday sky brightness data, J. Geophys. Res., 104, 9009-9017, 1999.) Tau 20% (Mars Express OPTICAL DEPTH RETRIEVALS FROM HRSC STEREO IMAGES. N. M. Hoekzema & K. Gwinner http://www.lpi.usra.edu/meetings/sixthmars2003/pdf/3153.pdf) AERONET tau < 5%; reff & seff 10% – 30% Dubovik, O., A. Smirnov, B. N. Holben, M. D. King, Y.J. Kaufman, T. F. Eck, and I. Slutsker, 2000: Accuracy assessments of aerosol optical properties retrieved from AERONET sun and sky-radiance measurements, J. Geophys. Res., 105, 9791-9806. (http://aeronet.gsfc.nasa.gov/PDF/Sensitivity_paper.pdf) Dubovik, O., B.N.Holben, T.F.Eck, A.Smirnov, Y.J.Kaufman, M.D.King, D.Tanre, and I.Slutsker, 2002: Variability of absorption and optical properties of key aerosol types observed in worldwide locations, J.Atm.Sci., 59, 590-608 (http://aeronet.gsfc.nasa.gov/PDF/JAS_Dubovik.pdf) + Indice de refraction poussier + 5% 10% tau + distribution bonne Tau> ;

Simulation : Mesure de Nuage Sensibilité à l’altitude et à l’opacité des nuages Rouge Rouge Bleu Bleu

Simulation : Mesure de Nuage Inversion sur les observations simulées Incertitude 5% τp 10% reff-p 30% σeff-p Δzn reff-n σeff-n Total Δτn/τn (%) 1,5 4 3 0,06 1,8 6,2 Δhn (km) 0,88 0,02 0,18 0,007 0,7 1,1 Configuration en ordre de ce l’on attendait

Simulation des signaux de ODS Conclusions: Signaux diurnes: sensibles à l’opacité des poussières. Signaux à l’aube et au crépuscule: sensibles à l’altitude & à l’opacité des nuages. Inversion: test de χ2 entre les observations & simulations (base de données). 5% d’erreur sur l’opacité des poussières. 10% d’erreur sur l’opacité des nuages, 1km sur l’altitude.

Validation ODS en Afrique Où: IRSAT, Ouagadougou, Burkina Faso Quand: Saison sèche 11-2004 à 2-2005 et après Pourquoi: Couche d’aérosols similaire au cas Martien photomètre AERONET pour comparer ODS AERONET ODS est en permanent depuis 11-04, la periode en focus.

Validation ODS en Afrique journée claire (τ ≈ 0,1) Mesure typique : 6 9 12 15 18 0,86V = 1 magnitude Echelle Log --- limite theorique Couler -- trait marque

Validation ODS en Afrique Journée chargée en poussière (τ ≈ 3) Moins de contrast CI bruit blue < rouge (effet instrumental) Lune

Validation ODS en Afrique Mesure typique: Indice de couleur Rouge *Soir instrumental *Jour – conform a la simulation Bleu

Validation ODS en Afrique Mesure typique: Lune 18 21 24 3 6 2 h arbitraire - nouvelle version 10 min premiere

Opérations en Afrique Détermination de l’orientation de l’instrument: Pourquoi? pour simuler correctement les signaux ODS Comment? Recherche minimum χ2=Σ(sti-oti)2 Précision: 0,1°

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

Validation ODS : Poussière Épaisseur optique des aérosols Comparaison ODS/AERONET à 870nm avec barres d’erreur

Validation ODS : Poussière Impact des nuages ODS : la mesure intègre tout le ciel + toute la journée AERONET : mesures localisées + temps court Fit ODS = 0,05 +1,017*AERONET Barres d’erreur 20% Fit ODS = -0,001 + 0,984*AERONET ODS = AERONET

Validation ODS : Poussière 2 mesures par jour: matin et après-midi Rapport matin/soir Temps Log(flux) Reff out of range

Validation ODS : Nuages Préliminaire τ=τréel×α Cirrus terrestres Simulation α < 1 τréel Sans poussière Rouge Bleu Preliminaire (sans poussiere) Si ajout des poussiere : il nous faut des cirrus plus opque pour donner le mem signal aussi fort -> tau reel > tau retrouve

Validation ODS : Nuages Préliminaire Exemples de détermination d’altitude & d’épaisseur optique des cirrus 23 décembre 2004 Observation Simulation donne en gros l’amplitude + angle zenith solair similaire. Mais la form different. h = 14km±1.5km τ = 0.013±0.004 Simulation h = 10 km ± 1.5 km τ = 0.03 ± 0.006

Validation ODS : Nuages Préliminaire Altitude des cirrus terrestres en km Histogramme des altitudes des cirrus 17,5 km 16 km * Les crytaux de glace d'eau sont forme initialement a l'atitude le plus froid. Quand ils devient plus gros, il commence a descendre par la gravite, donc, on voit les crystaux gros un peu plus bas que le point froid. * Tres peu de connaissance sur ces cirrus, justement du a un manque de mesure par les methodes existantes (radar - lidar - AERONET - in-situ avion...)

Validation ODS : Nuages Préliminaire Opacité des cirrus Ultrasubvisible Subvisible Nombre de nuage Effet de poussiere 0,5 Classification de cirrus: B. Karcher, Properties of subvisible cirrus clouds formed by homogeneous freezing, Atmos. Chem. Phys. Discuss., 2, 357–383, 2002 http://www.copernicus.org/EGU/acp/acpd/2/357/acpd-2-357_p.pdf Th. Peter et al., Ultrathin Tropical Tropopause Clouds (UTTCs): I. Cloud morphology and occurrence Atmos. Chem. Phys. Discuss., 3, 1557–1578, 2003 http://www.atmos-chem-phys.org/acpd/3/1557/ Épaisseur optique (τ = τréel × α)

Conclusions On a fabriqué l’instrument ODS (phase B de NETLANDER). On a développé des modèles de Monte-Carlo & SHDOM sphérique. ODS est sensible à: L’opacité & la distribution des aérosols L’opacité & l’altitude des nuages Inversion: test χ2 Test à Ouagadougou: Aérosols: ODS ≈ AERONET Nuages: fréquence et altitude des cirrus Perspectives: Améliorer la détection des cirrus à l’aube et au crépuscule Améliorer la détection des aérosols dans la nuit avec la Lune Développement ODS pour l’environnement terrestre (AMMA) Embarquement sur des missions Martiennes: 135g, 30mW, 2kb/jour ODS devien instrument terestre + Mars