Détermination de la colonne de CO2 depuis le sol avec SOIR Terre J.L.Bertaux(1), Stéphane Ferron (3), Lilian Joly(2), Georges Durry(2) (1) Service d’aéronomie, UMR CNRS 7620, F-91371 Verrières-le-Buisson (2) GSMA, UMR CNRS 6089, Université de Reims F-51687 Reims (3) ACRI-ST, F-06904 SOPHIA ANTIPOLIS AEI 2008, 29-30 Mai 2008,Toulouse

Résumé Motivation : validation OCO Méthode: spectre du soleil vu du sol à haute résolution, bande CO2 à 1.60 m Instrument: Spectromètre échelle « classique » avec filtre fixe: pas cher, transportable (versus Michelson) Héritage: SOIR Vénus (Solar Occultation in the Infra Red) Analyse: méthode de la largeur équivalente de chaque raie+ LBLRTM

Présentation de l’instrument Prototype du spectromètre à réseau (échelettes de 24 traits/mm) SOIR (Solar Occultation InfraRed observations) intégré à l’expérience de l’ESA Vénus-Express (PI J-L Bertaux,Oleg Korablev, Ann-Carine Vandaele à l’IASB).

Mesure en cuve du CO2 à Reims

Fonction d’appareil: Résolution / 30,000 Réponse impulsionnelle (ILP) déconvoluée à partir d’un jeu de mesures en cuve et de spectres simulés.

Mesures en observation solaire - Reims 2 avril 2007 Heure locale 10:27 10:51 11:45 12:55 14:02 15:09 15:58 16:57 18:09 18:48 SZA [deg] 61.47 57.85 51.38 45.77 44.48 47.65 52.22 59.66 70.4 76.67 Azimut [deg] -61.02 -54.77 -40.43 -18.33 5.21 28.25 42.84 58.18 74.18 82.03

Largeur équivalente empirique Largeurs équivalentes Dans le proche infra-rouge, permet la mesure des densités colonnes de CO2 avec une précision de l’ordre du pourcent (L Wallace et W Livingston), peu sensible à la fonction d’appareil du spectromètre, ne dépend pas de l’étalonnage absolu des spectres. Fig.5 Spectre de transmission pour la raie R8 mesurée en cuve (T=18.2°, P = 75.26 torr)‏. Ici, on a normalisé à 1 le continu adjacent. Comme l’absorption du CO2 n’y est pas nulle, on mesure en fait une largeur équivalente empirique. Unité: longueur d’onde ,ou cm-1

L’absorption du CO2 fait que le continu est <1.

Modèle direct avec LBRTM: transmittance sun Code LBLRTM Raie par raie, HITRAN Profil atmosphérique: ECMWF+Arletty Atlas solaire FTS Mac Math (mieux que Kurucz) -méthode classique: « profile fitting » - ici, largeur équivalente empirique (plus robuste?)

L’absorption du CO2 fait que le continu est <1.

Ncol colonne de CO2 vers le soleil Nvert colonne de CO2 verticale Fig.7 Largeurs équivalentes empiriques mesurées et comparées aux prédictions du modèle direct, ici figé à 330 ppmv de CO2. Nvert est donc fixé Ncol colonne de CO2 vers le soleil Nvert colonne de CO2 verticale SZA : Solar zenith angle 1/ cos(SZA) : air mass factor W augmente avec Ncol, mais pas linéaire Ncol= Nvert/ cos(SZA)

Sensibilité à la température atmosphérique Le changement dW de la largeur équivalente W pour une augmentation de 1 K dans une tranche de 1 km dépend de l’altitude z: avec W0.1 cm-1, dW=-3x10-5 à 10 km, dW/W -3x10-4 par tranche de 1 km et 1 K. Il est donc utile de connaître le profil de température T(z) dans la troposphère avec une précision raisonnable (champs météo de ECMWF et Arletty, base de données Ether)

Résultats sur une journée par minimisation de : suivant la méthode de Levenberg-Marquardt Fig. 10 Haut : ajustement par moindre carré des largeurs équivalentes d’un ensemble de raies. Bas : résultat de l’ajustement du rapport de mélange du CO2. La dispersion au cours d’une journée est < 1%. La valeur moyenne de 337 ppmv présente un biais par rapport à la valeur moyenne terrestre actuelle(370 ppmv).

Perspectives SOIR-Terre - nouvelles campagnes de mesures à Reims Caractérisation de la fonction d’appareil. -Investigation et quantification du biais de la méthode, pour correction systématique. -construction d’un deuxième modèle pour opération à La Réunion (Observatoire) -Déploiement d’un réseau sol pour la validation de OCO (avec le LSCE) -logiciel d’analyse: valable aussi pour mesures Michelson bertaux@aerov.jussieu.fr

Sensibilité à la distribution en altitude du CO2 Le changement dW de la largeur équivalente W pour une augmentation de 1 ppmv de CO2 dans une tranche de 1 km dépend de l’altitude z: avec W0.1 cm-1, dW=10-5 à 10 km, dW/W 10-4 par tranche de 1 km et 1 ppmv