Méthodes physiques en télédétection – Option Atmosphères

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1 Méthodes physiques en télédétection – Option Atmosphères
Cours 2

2 Plan du cours Atmosphères et sondage Traitement des observations
Généralités Les grandes questions de l’atmosphère terrestre Le sondage à distance Traitement des observations Le transfert radiatif Les méthodes d’inversion L’observation satellitaire La recherche aujourd’hui: états des lieux L’avenir: systèmes couplés modèles/observations

3 Rappels cours 1 Description de l’atmosphère (composition, circulation)
Les grandes thématiques de recherche sur l’atmosphère terrestre Déplétion d’ozone aux pôles Changement climatique Chimie/transport/pollution dans la troposphère Le sondage à distance Les différentes plateformes de mesures: avantages/inconvénients Les différents types de mesure: actif/passif Les différences géométries de mesure en télédétection: avantages/inconvénients

4 Traitement des observations à distance
Interaction matière-rayonnement

5 Principe: Interaction matière-rayonnement
Le rayonnement électromagnétique

6 Le spectre électromagnétique
Image école d’été SPECATMO

7 Rayonnement électromagnétique dans l’atmosphère
Image AT2-ELS Source initiale d’énergie Bilan radiatif Réactions chimique Base pour la télédétection

8 Les sources de rayonnement dans l’atmosphère
Image AT2-ELS Soleil Surface - atmosphère Flux entrant (sommet de l’atmosphère) Flux sortant (à la surface)

9 Rayonnement du corps noir - Planck
Corps noir = corps ou volume de gaz qui Absorbe parfaitement le rayonnement incident (tous l) Émission maximale dans toutes les directions, toutes les l pour une température donnée Fonction de Planck: Image AT2-ELS

10 Rayonnement solaire dans et hors atmosphère
Image AT2-ELS Remarque: raies de Fraunhofer – absorption par l’atmosphère du soleil – impact télédétection

11 Grandeurs caractéristiques du rayonnement
Variables spectrales Longueur d’onde (m) l Nombre d’onde (m-1) = 1/ l souvent exprimé en cm-1 (infrarouge) Fréquence (Hz) n = c/ l Grandeurs énergétiques Flux énergétique (radiant flux) - (W) – quantité d’énergie rayonnée par une source par unité de temps Émittance d’une source (radiant emittance) éclairement d’un objet (irradiance) – (W m-2) flux énergétique rayonné par unité de surface Luminance énergétique (radiance) – (W m-2 sr-1) dans une direction donnée.

12 Interaction matière-rayonnement
La matière – les molécules

13 Mouvements et énergies des molécules
Molécule = ensemble de noyaux et d’électrons en interaction Énergies quantifiées: Mvt électrons Mvt noyaux Image école d’été SPECATMO

14 Observations de ces mouvements
Image école d’été SPECATMO

15 Niveaux électroniques - exemple
Image école d’été SPECATMO

16 Vibration Exemples de modes de vibration
Oscillateur harmonique - anharmonique Image école d’été SPECATMO

17 Exemple: bandes de vibration de OCS
Image école d’été SPECATMO

18 Spectre discret de rotation
Image école d’été SPECATMO

19 Exemple – spectre de rotation pure HCOOH
Image école d’été SPECATMO

20 Vibration-rotation Image école d’été SPECATMO

21 Vibration-rotation Image école d’été SPECATMO

22 Bandes chaudes Image école d’été SPECATMO

23 Intensités des raies Coefficient d’absorption intégré d’une raie:
K(s, p, T, N) : coefficient d’absorption (cm-1) ~ probabilité d’interaction d’une molécule avec un photon F(s,p,T) : profil normalisé d’une raie Intensité d’une raie cm-1/(molecule.cm-2) cm-2/atm

24 Profil des raies Elargissement des raies:
Temps de vie du niveau excité Mouvement Collisions Image école d’été SPECATMO

25 Élargissement naturel
Image école d’été SPECATMO

26 Élargissement Doppler
Image école d’été SPECATMO

27 Élargissement par la pression
Émission spontanée + collisions inélastiques Collision entre la molécule active A et une molécule du milieu B Section efficace de collision = p (dA+dB)2/4 Remarque: Pour qu’une collision ait lieu, il faut que le centre de B soit dans un cylindre de diamètre (dA+dB)/2 Densité de la particule B Vitesse moyenne de A par rapport à B Image école d’été SPECATMO

28 Élargissement par la pression
Profil Lorentzien de largeur à mi-hauteur g0PB (loi des gaz parfait NB ~ PB) g0 paramètre d’élargissement Élargissement par l’air Déplacement des raies par la pression Profil Lorentzien n – coefficient de dépendance en T avec

29 Vers le profil de Voigt Convolution Doppler-Lorentz
Image école d’été SPECATMO

30 Profil de Voigt Image école d’été SPECATMO

31 Résumé – effets collisions, mouvement
Les profils des raies dépendent de la température et de la pression apport d’information sur la variation verticale d’une espèce

32 Évolution des largeurs avec l’altitude
Image école d’été SPECATMO

33 Évolution des largeurs avec l’altitude
Doppler Lorentz Image école d’été SPECATMO

34 Banque de données spectroscopiques
ara.lmd.polytechnique.fr/htdocs-public/products/GEISA/HTML-GEISA/

35 Interaction matière-rayonnement
Les processus d’interaction Image AT2-ELS

36 Absorption – émission Absorption – loi de Beer-Lambert Emission
J = fonction source – généralement fonction de Planck (corps noir), pondérée par l’émissivité (corps gris)

37 Diffusion Image AT2-ELS

38 Diffusion de Rayleigh Particules-molécules petites devant la longueur d’onde du rayonnement Molécules: longueur d’onde dans le visible Particules: rayon → l/10 Pas de variation de la longueur d’onde incidente dans l’interaction Dépendance en l4 La longueur d’onde bleue (400nm) est 7 fois plus diffusée que la longueur d’onde rouge (650 nm La fonction de phase décrit la distribution angulaire du rayonnement diffusé. Dans le cas d’un rayonnement incident non polarisé, l’intensité du rayonnement diffusé est proportionnel à l’angle de diffusion I ~ (1 + cos2 ) Image AT2-ELS

39 Couleur du ciel Le bleu du ciel Le soleil blanc
Le rouge des couchers de soleil Image AT2-ELS

40 Diffusion de Mie « grosses » particules: aérosols, gouttelettes,…
Diamètre ~ l (ou supérieur) Pas de variation de la longueur d’onde incidente dans l’interaction Non fortement dépendant de la longueur d’onde incidente Fonction de phase Plus la particule est grosse, plus le pic avant est important Extinction Diffusion Raman inélastique: modification de la longueur d’onde incidente dans l’atmosphère: diffusion Raman rotationnelle – responsable de 4% de la diffusion Rayleigh Image AT2-ELS

41 Optique géométrique – Arc-en-ciel
Goutte d’eau ~ 1 mm de diamètre Toutes les l sont diffusées avec la même efficacité La lumière diffusée par la pluie sans direction privilégiée est donc blanche Mais dans certains cas, séparation des couleurs par réfraction et réflexion à l’intérieur de la gouttelette La lumière bleu est plus réfracté que la lumière rouge

42 Équation du transfert radiatif

43 Les différentes composantes
Gains pertes Réflexion, diffusion absorption Diffusion multiple Diffusion « hors champ » Émission Image AT2-ELS

44 Équation du transfert radiatif
Fonction source Coefficient d’extinction Radiance spectrale Coefficient d’extinction a coefficient d’absorption s coefficient de diffusion

45 Équation du transfert radiatif dans une couche de gaz
En absence de diffusion et à l’équilibre thermodynamique Transfert radiatif intégré Épaisseur optique Coefficient d’émission = coefficient d’absorption Corps noir

46 Épaisseur optique Spectres continus Spectres de raies
Section efficace d’absorption Concentration de l’espèce i Intensité de la raie j pour l’espèce i Profil de la raies

47 Application aux mesures à distance

48 Découpage en couches de l’atmosphère
Cas d’une couche homogène isotherme d’épaisseur D Concentration constante Température constante avec (transmission)

49 Découpage en couches de l’atmosphère
Cas de n couches homogènes et isotherme Couche 1 Couche 2 Couche n En pratique, I0: rayonnement solaire hors atmosphère - limbe émission du corps noir (atmosphère) – limbe esurf.B(Tsurf) + (1-esurf) Isurf - nadir

50 Exemples de spectres mesurés

51 De l’UV à l’infrarouge (1/5)

52 De l’UV à l’infrarouge (2/5)

53 De l’UV à l’infrarouge (3/5)

54 De l’UV à l’infrarouge (4/5)

55 De l’UV à l’infrarouge (5/5)

56 Observations en occultation solaire

57 Observation - Atmosphère de Titan

58 Observation UV

59 Observation nadir UV - GOME

60 Observation du sol – haute résolution
The mobile mirroir can go to more than 300 cm ... The Bruker IFS-120 HR (resolution over 106)

61 Observation du sol – haute résolution

62 Observation du sol – haute résolution

63 Fenêtre de CO à 5 microns (IMG)

64 Traitement des observations à distance
Inversion (retrieval)

65 Concept Image école d’été SPECATMO

66 Minimisation d’une fonction coût
Moindres carrés Minimisation d’une fonction coût Paramètre à inverser observations Matrice de covariance des erreurs sur les obs Modèle direct RTM Problème mal posé Ajout d’une contrainte moyennant une connaissance a priori de la solution Solution itérative (non-linéarité) Jacobien Formellement Profil inversé Profil a priori Profil vrai Noyaux moyens

67 Les entrées Modèle de transfert radiatif pour le calcul de F(x)
Géométrie de mesure Température, pression Données spectroscopiques (bases de données) Covariance d’erreurs (mesures) La contrainte Plusieurs méthodes (estimation optimale, Tikhonov-Philips + dépendance en altitude) Choix de la contrainte en fonction de la cible

68 Les grandeurs caractéristiques
Fonction de poids ou Jacobien Les fonctions de poids représentent la sensibilité du modèle au paramètre que l’on cherche à déterminer.

69 Les grandeurs caractéristiques
Noyaux moyens (averaging kernels) Soit R le modèle inverse: En linéarisant autour de xa : Dans le cas idéal où erreur du modèle F négligeable: La matrice A représente la sensibilité du système d’inversion au profil vrai et donc la capacité à restituer le profil. Les noyaux moyens décrivent en particulier comment l’état vrai de l’atmosphère est « distordu » dans les quantités inversées La largeur à mi-hauteur des noyaux moyens donne une estimation de la résolution verticale

70 AVK - limbe Instrument MIPAS(Envisat)

71 AVK nadir Instrument IASI (MetOp)

72 Les grandeurs caractéristiques
Degrés de liberté du signal (DOFS- degrees of freedom of signal) - Nombre d’information indépendante DOFS = trace(A) Budget d’erreur Steck et al., 2002

73 Molécules mesurées dans l’UV-vis
O3, O2, O4, H2O (absorbent beaucoup) NO2, NO3, HONO BrO, OClO, IO, OIO H2CO (formaldéhyde), CHOCHO (glyoxal) nuages, aérosols

74 Molécules mesurées dans l’infrarouge
H2O, CO2, CH4, N2O O3, CO HNO3, NO2, NO SO2, OCS, SF6, … CFCs: CF2Cl2, CFCl3, CCl4, … VOCs: H2CO, C2H6, … Espèces réservoirs: PAN, ClONO2, N2O5, … Bleu: T, humidité Rouge: intéressant pour la chimie troposphérique

75 Bibliographie ENVISAT data assimilation summer school (2003)
Cours Carli (transfert radiatif et inversion) École d’été SPECATMO (2009) ( Cours Vander Auwera (spectroscopie moléculaire) Cours Payan (transfert radiatif et inversion) ACCENT-TROPOSAT2 – e-learning ( Rodgers

76 Prisme Réseau À transformée de Fourier
Les spectromètres Prisme Réseau À transformée de Fourier

77 Spectromètre à prisme : principe
Dispersion/réfraction (indice n du prisme) L’angle de réfraction est le plus grand pour les courtes longueurs d’onde La mesure de l’angle (avec un goniomètre) permet de mesurer la longueur d’onde de la radiation monochromatique mesurée.

78 Spectromètre à réseau (grating spectrometer)
Diffraction par le réseau Interférence des faisceaux diffractés : maximum de lumière dans les directions  telles que sin = k..n (n : nombre de trait du réseau) Les radiations de courtes longueurs d’onde sont les moins déviées. Résolution spectrale liée aux propriétés de l’élément dispersif, aux dimensions de la fente d’entrée et du détecteur. Principalement utilisé pour la télédétection dans l’UV-Vis

79 Exemple de l’instrument GOME-ERS (UV-Vis)

80 Exemple de l’instrument OMI-Aura (UV-Vis)
Canal UV Canal Vis

81 Spectromètre à transformée de Fourier : Michelson

82 Interféromètre de Michelson : principe
A différence de marche nulle: chemin optique identique, les deux faisceaux sont en phase Pour un déplacement du miroir mobile d, différence de chemin optique d=2d, faisceaux déphasés. Signal transmis au détecteur (intensité) Source non monochromatique B(s): avec Intensité du flux modulé Contient l’information recherchée Transformée de Fourier

83 Interférogrammes Interférogramme d’une source monochromatique : fonction cosinus Interférogramme d’une source polychromatique : somme de fonction cosinus Interférogramme d’une source continue

84 Résolution du spectre Limitation au domaine physique de déplacement du miroir Convolution du signal avec une fonction porte Résolution théorique = 1/(difference de marche maximale) Pour s’affranchir des lobes négatifs et/ou s’affranchir d’une mauvaise connaissance de la fonction d’appareil, on peut convoluer l’interférogramme avec une autre fonction connue (perte de résolution) sinc

85 Les spectromètres à TF sont principalement utilisés dans l’IR:
Temps d’acquisition plus rapide que les spectromètres à réseau Meilleure résolution spectrale accessible

86 Exemple spectromètre IASI (IR)