Propagation de la lumière dans l’atmosphère: Application du LIDAR Measurements of Cirrus backscatter phase functions using a high spectral resolution LIDAR IFIPS Département Optronique Cycle ingénieur 2ème année Laurent FOUCHET 18 janvier 2007

L’étude de l’atmosphère: Position du problème De l’intérêt d’étudier l’atmosphère, Aux outils disponibles pour le faire, Mesures aéroportées Mesures satellitaires Mesures terrestres Lorsque la lumière traverse l’atmosphère, elle est perturbée par la présence de particules d’eau, de glace ou d’aérosols. - Un objet ponctuel apparaitra donc à un observateur comme une tâche. Cela pose de nombreux problèmes en terme de dégradation d’images, pour tous ceux qui veulent observer l’espace depuis la Terre, mais d’un point de vue plus pragmatique, les perturbations du trajet de la lumière sont aussi synonyme de la présence de nombreux composés dans l’atmosphère, composés pouvant présenter un risque pour l’environnement ou la balance climatique terrestre. - de fait, la connaissance de la composition de l’atmosphère peut nous permettre de mieux comprendre notre environnement, mais peut aussi nous permettre de trouver les moyens de le protéger. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Les outils : Les mesures in situ: mesures aéroportées, prélèvement d’échantillons de l’atmosphère, puis étude au sol ou analyse optique en vol (ballons, avions) Les mesures à distance: mesures satellitaires à l’aide de lidar ou d’interféromètres etc > mesures très chères - les mesures depuis le sol, grâce au Lidar

L’atmosphère: un milieu turbide Extinction, Diffusion et absorption Les particules de l’atmosphère génèrent une extinction de la lumière à la traversée de ses différentes couches Définition de 3 coefficients: Fonction phase de rétrodiffusion Probabilité qu’un photon incident suivant la direction ω soit diffusé selon ω’ à dω’ près: Avec: -lorsque une onde elm traverse un milieu turbide, elle est perturbée et son énergie diminue au fur et à mesure se son trajet par absorption et par diffusion , c’est l’extinction Celle-ci varie avec le milieu traversé et est caractérisée par 3 coeffs: σext, σdiff, σabs On s’intéresse plus à la diffusion, pour la connaître, il faut connaître la répartition angulaire de l’énergie diffusée par rapport à l’énergie incidente, c’est la fonction de phase de diffusion C’est elle qu’on va chercher à étudier

Le LIDAR: un radar optique au service de l’étude de l’atmosphère. Le LIDAR « traditionnel» LIght Detection And Ranging Pas de distinction entre contribution due aux molécules et contribution due aux aérosols Face au HSRL: High Spectral Resolution LIDAR Utilisation de l’effet Doppler Séparation des photons rétrodiffusés par les molécules ou les aérosols -Un lidar (acronyme de light detection and ranging) « traditionnel » est composé de deux éléments de base: un laser pulsé et un télescope qui permet de collecter la lumière rétrodiffusée -chaque impulsion du lidar est rétrodiffusée par les différentes couches de l’atmosphères, et les différents composés de celle-ci, le signal retour est donc étalé dans le temps (les couches basses renvoyant la lumière plus vite que les couches élevées de l’atmosphère) -les qualités de sélectivité fréquentielle du laser sont pleinement utilisées par le lidar. En effet, chaque composé de l’atmosphère réagit différemment selon la longueur d’onde du signal excitateur. -de plus, en faisant interférer le signal reçu et le signal émit, on peut facilement étudier la vitesse de défilement des particules devant le lidar => vitesse du vent par exemple Les mesures ne permettent pas de différencier les contributions des aérosols et des molécules, indispensable pour établir indépendamment la fct de phase de rétrodiffusion et l’extinction - à cause de l’agitation thermique, les molécules provoquent par effet Doppler un élargissement du spectre émis alors que les aérosols, plus gros et plus lourds ont un effet plus limité sur le spectre. En utilisant un laser réglé sur la bande d’absorption d’un filtre appliqué au détecteur, seuls les photons dont la fréquence a été modifié par les molécules seront détectés. On peut alors séparer les photons rétrodiffués par les aérosols et ceux diffusés par les molécules.

Le HSRL: Un outil d’étude de l’atmosphère Campagne de mesures 1994: mise en situation Longue période de mesures Étude menée sur des Cirrus Erreurs sur le comptage des photons Erreurs dues aux diffusion multiples Dépendance en température de P(ω, ω’) Variation de la taille et du type des particules en fonction de l’altitude Variation simultanée de la fonction de phase et de la température La thèse se base sur une campagne de mesures de 1994 réalisée sur des cirrus au printemps et à l’automne principalement en effet, le HSRL ne peut pas travailler sur des nuages dont l’épaisseur optique est trop grande (supérieure à 3) Pour quoi les cirrus? Présence tout autour du globe en toutes saisons couvrant en moyenne 1/3 du globe et pouvant faire plusieurs milliers de km de long sur qq dizaines de m de haut Deux sources d’erreurs principales dans ces mesures, celles sur le comptage des photons, et celles dues aux diffusions multiples (c’est-à-dire photons diffusés normalement hors du champ du capteur mais rediffusés ensuite dedans, ou l’inverse (cf schéma slide suivant)) Ces mesures ont permis d’étudier la dépendance en température de la fonction de phase de diffusion , dépendance soupçonnée par la répartition des particules de glace dans les nuages, qui se fait en fonction de la température justement. (ooooh mon sujet de stage ça alors….)

De l’importance des erreurs… Sources d’erreurs: Calibration Moyennage temporel Comptage des photons Diffusion multiple Effets induits: Erreurs sur le coefficient de diffusion des aérosols et le coefficient d’extinction Erreur de l’ordre de 15 sur la fonction de phase Perte de résolution spatiale Lors des mesures, différentes sources d’erreurs apparaissent, que l’on peut caller en 4 catégories -Les erreurs dues à la calibration du système qui provoquent des incertitudes sur les photon reconnus comme étant affectés par l’effet Doppler ou non dues: pb d’alignement des optiques, réglage spectral du laser , incertitudes sur le profil thermique de l’atmosphère etc. -les erreurs de moyennage temporel: pour statistiquement diminuer l’importance des erreurs, on va moyenner les résultats sur un intervalle de temps donné , ce qui provoque une perte de résolution spatiale de l’ordre de 4km pour un nuage bougeant à 25m/s devant le lidar Les erreurs de comptage, caractérisées par une loi de poisson que l’on propage dans l’équation du lidar pour obtenir l’erreur sur le nombre de photons. Ces erreurs génèrent une erreur sur les σ qui en sont déduits de l’ordre de 1 à 2%, mais ces erreurs génèrent sur la fonction de phase det grâce aux σ une erreur pouvant aller jusqu’à 15%. -la plus importante est l’erreur due à la diffusion multiple comme nous allons le voir maintenant.

La diffusion multiple, fléau du HSRL Principe: Correction: Modèle de Eloranta, 1998 3 approximations importantes: Fonction de phase gaussienne Rétrodiffusion isotrope Les photons ne subissent qu’une seule diffusion importante Impact très important au niveau de la base du nuage, peut doubler la fonction de phase , ce n’est pas négligeable Mais il existe un modèle mathématique qui permet d’éliminer ce problème, il a été développé en 1998, et avalisé par des simulations monte carlo et par des mesures in situ Elle utilise 3 approximations principales, celle que la fonction de phase est gaussienne, ce qui n’est pas très loin de la vérité, que la diffusion est isotrope dans toute l’atmosphère, ce qui est plus problématique, puisque les aérosols ne sont pas présents partout de manière isotrope, et qu’ils ont une influence non négligeable sur la fonction de phase. On considère aussi que les photons reçus n’ont subit qu’une seule diffusion, d’angle important avant d’arriver dans le récepteur. Les diffusions multiples bers l’avant sont par contre autorisées. Il semble que cette approximation ne provoque pas de larges erreurs.

Conclusions et perspectives: Importance de la connaissance de l’atmosphère dans l’étude du climat Atouts importants du LIDAR (coûts, performances, facilité d’utilisations) Traitements mathématiques fiables des erreurs Perspectives: Développement de l’étude de l’atmosphère Précision des facteurs influençant la fonction de phase Études climatologiques plus poussées Le HSRL est un atout très important dans l’étude de l’atmosphère et dans le développement d’un modèle climatologique fiable pour l’étude de la Terre. Malgré ses défauts, qui sont générateurs d’erreurs, mais qui sont malgré tout corrigibles sans beaucoup de difficultés, grâces à quelques traitements mathématiques.