Contribution du LOV au projet HYPFOM Malik Chami Laboratoire d’Océanographie de Villefranche (LOV) I. Thèmes de recherches et travaux antérieurs Objectif scientifique général L’objectif scientifique principal est d’étudier l’interaction du rayonnement solaire avec les aérosols et les hydrosols pour améliorer l’estimation des matières en suspension, de la biomasse phytoplanctonique et de la production de carbone associée (production primaire) par satellite en océan ouvert et côtier.

Thème 1 : Transfert radiatif : aspects fondamentaux et algorithmiques Axes de recherche Thème 1 : Transfert radiatif : aspects fondamentaux et algorithmiques Thème 2 : Exploitation des algorithmes satellitaires pour l’étude de l’environnement marin  Etudes théoriques (modélisation du rayonnement)  Etudes expérimentales (en laboratoire ou in situ)  Zones d’intérêt : océan hauturier et eaux côtières Mots clés  Couleur de l’océan, télédétection spatiale, modélisation du transfert radiatif, algorithme d’inversion, propriétés optiques des eaux de mer, océan ouvert et côtier.

Exemple : algorithme « POLAC » Corrections atmosphériques Quelques projets de recherche de M. Chami Thème 1 : Transfert radiatif : aspects fondamentaux et algorithmiques Développement de modèles de transfert radiatif couplé océan/atmosphère en polarisation avec surface agitée (modèle OSOAA) Mise au point d’algorithmes pour exploiter les missions satellitaires passées, actuelles et futures dédiées à l’observation des océans Exemple : algorithme « POLAC » Corrections atmosphériques Biomasse phytoplanctonique Vitesse de vent et incertitude

Brevet déposé (prisme P2) Développement instrumental pour la réalisation de mesures directionnelles et polarisées du rayonnement océanique: goniodiffusiomètre POLVSM POLVSM Vue de coté Vue du dessus Crédits photos : M. Khamla (OOV) Brevet déposé (prisme P2)

Application du transfert radiatif océanique pour la vision sous marine de robots autonomes : optimisation des algorithmes de restaurations d’images sous marines Thème 2 : Exploitation des algorithmes satellitaires pour l’étude de l’environnement marin Synergie télédétection optique-océanographie dynamique en zones côtières pour l’estimation des flux de matières à l’interface continent-océan Modèle dynamique MARS-3D Données Satellite (MODIS) Synergie Satellite/Modèle Mouth of Rhone River (France) MES (mg l-1) Flux de MES (g m-2 s-1) MES (mg l-1)

Impact des aérosols désertiques sur le rayonnement disponible pour la photosynthèse et la production primaire océanique PP = production primaire

Différentes sources de financement des projets ANR OSIFIOST (Ifremer, LOV, Institut Fresnel, Prolexia) (2009- 2012) TOSCA-CNES (instrument POLVSM) (2007-2012) R&T CNES (LOV, CS-SI) (modèle transfert radiatif OSOAA) (2009- 2014) FUI (ACRI, LOV, CLS, SHOM) (projet MCGS-Sentinel 3) (2011- 2014) Chaire de l’Institut Universitaire de France (2010-2015) TOSCA-CNES qui démarrent (2015-2018) : POLDUST (Atmosphère), SEAPOL (Océan) ANR ASTRID-DGA (Institut Fresnel, LOV, LSIS, CS-SI, IRAP) (2016-2019) : projet HYPFOM

II. Travaux envisagés dans le cadre du projet HYPFOM (LOV + CS-SI) 1. Objectif scientifique Tâche 2: Améliorer la performance des méthodes d’estimation de la réflectance du fond marin à partir des réflectances de surface en prenant en compte les effets de diffusion multiples générés par les hydrosols dans la colonne d’eau. 2. Méthodologie générale Modélisation précise du transfert radiatif océanique Génération de tables de pré-calculs des réflectances de surface et de fond pour différentes conditions marines Formulation analytique des écarts de réflectance « surface » / « fond » pour servir d’entrée aux méthodes de démélange spectral Itérations par rapport à la modélisation pour l’ajustement et applications des méthodes de démélange spectral pour estimer la réflectance de fond par télédétection hyperspectrale

3. Modélisation du transfert radiatif dans le système atmosphère-océan Rayon incident Absorption Détecteur Rayon incident Diffusion Détecteur

Diffusion multiple Si la concentration en particules est grande, le rayonnement est diffusé plusieurs fois; c'est la diffusion multiple. Les particules diffusantes peuvent à la fois ajouter ou éliminer du signal au faisceau incident. Elles peuvent conduire aussi à rendre le milieu isotrope. Diffusion secondaire Source Particules Diffusion primaire

Equation du transfert radiatif Θ z Θ = angle de diffusion c=a+b absorption + diffusion

Inversion de l’équation du transfert radiatif Θ Lw=f(a,b,…) Détecteur f-1(Lw) Paramètres biogéochimiques Paramètres biogéochimiques: Biomasse phytoplanctonique (concentration en Chl-a) Matières minérales en suspension Transparence/turbidité Matières dissoutes colorées (CDOM)

Utilisation du modèle de transfert radiatif OSOAA (Chami, Lafrance et al., 2015) Isoleil Soleil Atmosphère Océan θs θv , φ Aérosols: type, abondance Hydrosols (phytoplancton, minéraux, CDOM) (I,Q,U) Fond marin I,Q,U = Paramètres de Stokes : luminance (I) et taux de polarisation (Q,U) θs, θv, j = angle zénithal solaire, de visée, azimut relatif

Principe de fonctionnement du modèle OSOAA (1) Code de transfert radiatif Couplage atmosphère / océan / fond marin Simulation du champ de rayonnement: intensité + polarisation Prise en compte des vagues (modèle de Cox & Munk) Prise en compte d’une réflexion de fond Albédo fourni par l’utilisateur Modèles prédéfinis (sable blanc, algues vertes, brunes ou rouges) Prise en compte des aérosols (modèles marins)

Principe de fonctionnement du modèle OSOAA (2) Prise en compte des particules marines Phytoplancton Concentration en chlorophylle Profil des coefficients d’absorption et de diffusion Fonction de phase (indice de réfraction, granulométrie multi-modes) Particules minérales en suspension Concentration Profil de coefficients d’extinction et de diffusion Fonction de phase Matière jaune et détritus Purement absorbant: Coefficients d’absorption, constants sur la colonne d’eau

Principe de fonctionnement du modèle OSOAA (3) Simulation des différentes interactions Atmosphere Molecules, aerosols Scattering Air / sea reflection Sea / air transmission Sea / sea reflection Air / sea transmission Ocean Molecules, Phytoplankton, Mineral-Like particles, Yellow substance, Detritus Scattering Bottom reflection

Principe de fonctionnement du modèle OSOAA (4) Sorties Champ de rayonnement pour toutes les directions Champ montant et descendant Sortie en tout niveau du profil Mode opératoire En ligne de commandes Interface Homme-Machine (IHM)

4. Plan de travail (avec partenaire proposé) – Tâche T2 du projet Définition de cas de simulation réalistes pour différents types et concentrations d’hydrosols (phytoplancton, matières minérales, matières dissoutes) pour des eaux claires à turbides (LOV + CS-SI + CDD Hypfom) Génération de tables de pré-calculs avec OSOAA (CDD Hypfom + CS-SI) Analyse de la relation de correspondance entre la réflectance de surface (0+) et la réflectance du fond (CDD Hypfom + LOV + CS-SI) Paramétrisation analytique de la relation de correspondance pour formuler mathématiquement les processus de diffusions multiples (non linéaires) (CDD Hypfom + CS-SI + LOV) Exploitation des paramétrisations obtenues pour insertion dans les méthodes de démélange spectrales. (CDD Hypfom + Fresnel, LSIS, IRAP)