Élaboration d'un spectroradiomètre stellaire pour l'étude des aérosols nocturnes AEROSTAR Xavier Théorêt Xavier Théorêt Maîtrise en télédétection, CARTEL Dép. de Géographie et Télédétection Université de Sherbrooke ACFAS, mai 2001 E-Mail: theoret@hermes.usherb.ca Site web: http://go.to/timelapse

Élaboration d'un spectroradiomètre stellaire pour l'étude des aérosols nocturnes AEROSTAR 1) Introduction aux aérosols 2) Problématique 3) Hypothèse 4) Équipement 5) Résultats visuels 6) Effet de l’atmosphère 7) Méthodologie: 2 étoiles 8) Résultats préliminaires Tous films et images: (c)Xavier Théorêt (à moins de référence contraire) 10) Conclusion

AEROSTAR AEROSTAR

AEROSOLS AEROSOLS

AEROSOLS AEROSOLS

AEROSOLS AEROSOLS

AEROSOLS AEROSOLS (Nocturnes)

AEROSOLS AEROSOLS (Nocturnes)

AEROSOLS Feux Volcans Mer Homme Sol et désert + Transferts de chaleur Réaction chimique Effet de catalyseur Impacts climatiques + Impacts sur la santé

L’identification est donc possible Atténuation Diffusion ~ l-a Absorption Exemple: suie ou fumée Capte la lumière Chaleur a = 4 a = [0, 3[ Molécules (Air) Aérosols grossiers a ~ 0.5 fins a ~ 2 L’identification est donc possible où a, est le coefficient d’Angström et l, est la longueur d’onde

Instrument pour la mesure d ’aérosols: Spectroradiomètre Le spectroradiomètre CIMEL est un bon outil pour mesurer les aérosols. Standard et complètement automatisé Instrument qui mesure le rayonnement solaire à plusieurs longueur d ’onde. P. Cliche

...mais impossibilité d ’effectuer des mesures: Problématique (1/3) Les mesures au CARTEL: spectroradiomètres solaire CIMEL. (En réseau AERONET et AEROCAN) Nuit ...mais impossibilité d ’effectuer des mesures: Soleil bas Station du CARTEL; Toit du Pavillon A4, Université de Sherbrooke, mosaïque Xavier Théorêt

Problématique (2/3)

Problème important aux pôles... ...où la nuit dure presque 6 mois. Problématique (2/3) Problème important aux pôles... ...où la nuit dure presque 6 mois. À la station Alert, la nuit dure 70 jours où il est impossible de mesurer les aérosols.

Autres méthodes de mesures nocturnes: Problématique (3/3) On sait que... Certains phénomènes tel la brume arctique (arctique haze) ne se produisent que l’hiver/début du printemps. 1 Le soleil étant absent pendant cette période, ils ne peuvent donc pas être observés par les spectroradiomètres solaire conventionnels. Leur étude est donc partielle. 2 Les aérosols participent aussi à des réactions photochimiques différentes en l ’absence du soleil. 3 Autres méthodes de mesures nocturnes: Mesures ponctuelles (temps & espace) Coût élevé Main d œuvre requise Suivi régulier et continu difficile Ballon sonde et Lidar

Hypothèse: Les étoiles au lieu du soleil Limitation: sources stellaires ou quasi-ponctuelles. Très grand choix de sources de qualité et de différentes luminosités. Disponible en tout temps dans l ’année, en presque toute directions. Stabilité de la source lumineuse.

Équipement: Plan général

Équipement: Plan général

Équipement: Plan général

Équipement: CCD CCD Pictor 416XT CCD Imageur *Charged Coupled Device (CCD)

Équipement: Télescope Meade SCT LX200, 10`` Télescope CCD

Équipement: Grille Grille Télescope CCD

Équipement: Ordinateur Grille Télescope CCD Logiciel d’extraction et de contrôle. Ordinateur

Analyse du premier ordre (encadré): M. Aubé Champ de vue de la caméra CCD

Quelques résultats spectroscopiques visuels Néon: Rouge/Orange Mercure: Bleu/Vert (Mélange Ar/Hg, notez les raie de l ’Ar) Argon: Intense pour le capteur... mais faible lueur à l ’oeil!

Influence de l’atmosphère sur un spectre stellaire H2O CCD et/ou télescope O2 CCD

Méthodes de mesure à deux étoiles (1/2) Uo Um q Fig. 8: Schéma pour une source (soleil) m2 U02 Um1, Um2 Uo1 m f1 f2 Fig. 9: Schéma pour deux sources Une seule source Méthode des spectroradiomètres solaires Um = Uo  e -m dj (1) Loi Beer-Lambert: Um1 = U01  e -dnm1 (3) Um2 = U02  e -dnm2 Loi Beer-Lambert: ln Um = ln Uo -m  dj (2) ln Um1 = ln Uo1 - dn  m1 (4) ln Um2 = ln Uo2 - dn  m2 forme “ Y= B + -dj X ” (5)

Méthodes de mesure à deux étoiles (2/2) Avantages: Cette équation ne requiert pas de conversion compte de photons <=> Énergie incidente. Le rapport ln (U01/ U02) est constant et peut être connu. Dm est trouvé à partir de la déclinaison des étoiles par rapport à l’horizon local. La vitesse avec laquelle nous obtenons Dm n’est pas limité par la rotation de la Terre et le moment de la journée. Le spectre de chaque étoile, nous donne le rapport ln (Um1/ Um2) et nous avons finalement dn. La méthode avec deux étoiles a été développée par Leiterer et al., 1995

(méthode deux étoiles) Premiers résultats aérosols obtenus (1/2) Épaisseur optique en fonction du temps 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 3:43:12 3:57:36 4:12:00 4:26:24 4:40:48 4:55:12 5:09:36 Heure Épaisseur optique (méthode deux étoiles) pour l = 500 nm dtot = dr + dH20 +dO3 + daérosol + dNOx où dr : Rayleigh, molécules de l'air (Azote et Oxygène). dH20 : Vapeur d'eau. dO3 : Ozone daérosol : Aérosols dNOx : Oxydes d'azote Épaisseur optique totale moyenne: ~ 0.29

Premiers résultats aérosols obtenus (2/2) Épaisseur optique aérosol 5 avril moyen CIMEL 0.00000 0.05000 0.10000 0.15000 0.20000 0.25000 0.30000 0.35000 0.40000 200 400 600 800 1000 1200 Lambda AOT 05-avr 06-avr 500 nm 670 nm moy. mesuré aerostar et par aerostar nm En première approximation on pose: dtot = dr + dH20 +dO3 + daérosol + dNOx 0.30 = 0.14 + 0 + 0 + daérosol(500nm) + 0 daérosol(500nm) ~ 0.16

Conclusion La résolution théorique du système utilisé est de 1.31 nm, en pratique elle est environ de 8~10nm à cause de la turnulence de l ’air, du focus, vibrations, etc... Présentement l’étoile doit être visible dans l ’image car elle sert de repère à l ’axe des longueurs d ’onde. En dévelloppement... Les résultats préliminaires sont à raffiner mais ceux obtenus sont en accord avec les mesures observées le jour par le spectroradiomètre CIMEL. Ce système a de forte chance d’être une bonne solution, peu coûteuse, au manque de mesure des aérosols la nuit.

Merci beaucoup! Merci aux organisateurs de l ’ACFAS pour m ’avoir donné l ’opportunité de faire cette présentation. ...au FCAR et le CRSNG pour le financement de ce projet. ...à Martin Aubé pour avoir eu l ’idée d ’appliquer un moustiquaire à un télescope. ...à Alain Royer et Norm O ’Neill pour l ’encadrement.