1 CONTRIBUTION À LÉTUDE DES SITES ASTRONOMIQUES PAR MODÉLISATION ET EXPERIMENTATION in situ : APPLICATION AUX SITES DE LA SILLA ET DU DÔME C POUR LES TÉLESCOPES.

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1 1 CONTRIBUTION À LÉTUDE DES SITES ASTRONOMIQUES PAR MODÉLISATION ET EXPERIMENTATION in situ : APPLICATION AUX SITES DE LA SILLA ET DU DÔME C POUR LES TÉLESCOPES GÉANTS DU FUTUR présentée par Tatyana SADIBEKOVA pour obtenir le titre de Docteur en Sciences Sous la direction deÉric FOSSAT et Jean VERNIN Sous la direction de Éric FOSSAT et Jean VERNIN

2 2 Plan de lexposé: IntroductionIntroduction Étude des sitesÉtude des sites –Dôme C : Application du modèle ECMWF –La Silla : Application du profileur SCIDAR Généralisé Conclusions et PerspectivesConclusions et Perspectives

3 3 Observations spatiales Observations terrestres Observations terrestres

4 4 Sans atm. /D tel /r o

5 5 STRATIFICATION : convectif neutre stratifié TO tjrs pas de TO TO si Ri<1/4 Turbulence optique Critère de Richardson: 0 Température potentielle : Energie cinétique Energie potentielle

6 6 Cascade dénergieCascade dénergie –Injection dénergie –Cascade dénergie cinétique –Dissipation en chaleur Loi de 2/3 :Loi de 2/3 : nest valable que dans la zone inertielle Fonction de structure : C 2 - constante de structure des fluctuations de C 2 - constante de structure des fluctuations de LoLo lolo l o << r << L o D (r)= = C 2 r 2/3

7 7 C 2 C n 2 n1n1 n2n2 n3n3 1 (r) 2 (r) h Constante de structure des fluctuations de lindice de réfraction :

8 8 Paramètres pour la HRA: Seeing Angle isoplanétique Temps de cohérence où On a besoin des profils verticaux de C n 2 (h) et V(h)

9 9 In situ : In situ : Mesures directes à partir des ballons Profileurs optiques: Profileurs optiques: G-SCIDAR, SSS, MASS ( pas de V(h) ), SLODAR Modèles de turbulence: Partie I: Partie I: validation du modèle ECMWF pour obtenir V(h) et T(h) (application au Dôme C) Partie II: Partie II: mesures au moyen du G-SCIDAR de C n 2 (h) et V(h) (application à La Silla) Pour obtenir les profils de : Pour obtenir les profils de C n 2 (h) et V(h) : Modèle paramétrique C n 2 (h) V(h) T(h) V(h)

10 10 Étude de site du Dôme C : Application du modèle ECMWF Partie I

11 11 Intérêts des astronomes pour le Dôme C (75S 123E) Sec et froid Plat et haut (alt. 3.230km) Pas de pollution lumineuse ~ 70% de ciel clair Stabilité tectonique Pas de vent catabatique Faible précipitation Dôme C Été années 70 au Pôle Sud 1995 (Dôme C) … 2000 (Concordia) … 2007 Hiver 2005 ( 1 ère – Hivernage) … 2007

12 12 Aurore australe Dôme C se trouve à 550km du pôle magnétique (P M ) au voisinage de Vostok (78 o 28S 106 o 48W) et 1680km du pôle géographique Au centre de lanneau aurorale de R ~ 4000km; Lépaisseur de 100 à 1000km Dôme C PMPM PGPG

13 13 Crépuscules astronomiques - Pour h soleil = -18 o : 1767h au Dôme C contre 3365h au Paranal - Une révision du critère pour les crépuscules astronomiques est possible grâce aux mesures in situ du fond du ciel. Le temps total disponible pour lobservation : 0 o -6 o -12 o -18 o -- limites du coucher et du lever du Soleil

14 14 Résultats des campagnes dété de caractérisation du site du Dôme C [Aristidi et al. (Sadibekova), A&A 2005] Vent faible à toutes les altitudes :Vent faible à toutes les altitudes : tropopause ~ 15 m/s au sol ~ 2.6 m/s DIMM :DIMM : Seeing médian: 0.55 arcsec Meilleur seeing pendant laprès midi ~ 17LTMeilleur seeing pendant laprès midi ~ 17LT Angle isoplanétique : 6.8 arcsecAngle isoplanétique : 6.8 arcsec

15 15 Résultats des campagnes dhiver au Dôme C [Agabi et al. (Sadibekova), PASP 2006] =1.4 arcsec =1.4 arcsec o = 2.9ms o = 2.9ms o = 4.7 arcsec o = 4.7 arcsec Deux contributions: Atmosphère libre h>30m V~ 30 m/s =0.36 arcsec =0.36 arcsec o = 8.6 ms o = 8.6 ms Couche au sol h<30m 87% de turbulence

16 16 Validation du modèle ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, http://www.ecmwf.int/) pour Dôme C

17 17 Description du modèle ECMWF P, T, U, Rh Interpolation sur Dôme C avec la résolution horizontale de maille 75x75km Résolution verticale 60 niveaux logarithmiques au-dessus de la glace 4 analyses à 0 h, 6 h, 12 h et 18 h (UT)

18 18 Description des mesures météorologiques au Dôme C 168 radio-sondes pendant les missions dété 2000-2004 168 radio-sondes pendant les missions dété 2000-2004 2 types de capteurs : RS-80 et RS-90 2 types de capteurs : RS-80 et RS-90 P, T, U, RhP, T, U, Rh

19 19 Comparaison des mesures avec le modèle pour lété au Dôme C [Sadibekova et al., Antarctic Science, 2006]

20 20 Validation pour T(h): RS-80: 120 sondes: RS-90: 48 sondes: T = 2.4 1.5 o C T = 1.2 1.0 o C T = 2.4 1.5 o C T = 1.2 1.0 o C Rh = 4.7 5.5 % Rh = 1.8 3.0 % Rh = 4.7 5.5 % Rh = 1.8 3.0 % Comparaison des mesures avec le modèle pour lété au Dôme C : 168 sondes Validation pour V(h) : v = 0.7 1.0 m/s

21 21 h = au-dessus du niveau de la mer Analyse du modele :

22 22 h = au-dessus du niveau de la mer Analyse du modele :

23 23 Analyse du modèle: couche limite Ballons météo : ECMWF : Lété : Gradient de température petit laprès midi Gradient de température petit laprès midi Vent faible Vent faible+ ( d /dh =0) peu de turbulence près du sol Bon seeing Bon seeing

24 24 Analyse du modèle: couche limite Lhiver : Fort gradient de température Fort gradient de température Turbulence dorigine dynamique Turbulence dorigine dynamique ECMWF : Ballons météo et C n 2 :

25 25 Conclusions & Perspectives Cohérence entre le modèle et les mesures in situ Possibilité dutiliser les paramètres du modèle ECMWF pour la prévision de la turbulence optique Étude climatologique sur 15 ans Vent faible à toutes altitudes Faible gradient de température pendant lété Fort gradient de température pendant lhiver Turbulence dorigine dynamique

26 26 SCIDAR Généralisé à La Silla Partie II

27 27 SCIDAR Généralisé SCIDAR (Scintillation Detection And Ranging) Généralisé pour mesurer C n 2 (h) et V(h) Méthode développée par [Fuchs et al., 1995] et basée sur la méthode du SCIDAR Classique [Vernin et al., 1979]

28 28 Technique de SCIDAR Généralisé Variance de la scintillation : - séparation angulaire de létoile double h – altitude de la couche h o - Plan de la pupille h gs - Plan danalyse Autocorrélation Image de scintillation

29 29 d =h r Images de pupille Autocorrélation des images H=h+h gs !!! InversioN Données Théorie

30 30 Dans le cas dune étoile double la fonction dautocorrélation : a = (1+ 2 )/(1+ ) 2 et b = /(1+ ) 2, = 10 -0.4 m m –différence de magnitude de létoile double m –différence de magnitude de létoile double On mesure: où C** (x) est la fonction d autocorrélation expérimentale, K(x,h) est le Kernel théorique et N(x) est le bruit. Corrélation spatiale

31 31 Observations à La Silla

32 32 http://www.eso.org/outreach/gallery/las/ Campagne de caractérisation de site a été organisée par lESO en 2002 (M.Sarazin) G-SCIDAR – instrument de Imperial College (Ch.Dainty) a été installé sur un télescope de 1m Données collectées pendant 5 mois représentent 600Go d images. DIMM G-SCIDAR Observatoire La Silla ESO, Chili alt. 2400 m, 29º15'S 70º44'W

33 33 Configuration instrumentale

34 34 Schéma optique du G-SCIDAR G-SCIDAR à La Silla : Pour se déplacer dans lespace conjugué on change la lentille G – grandissement du système optique: F/f

35 35 CCD : image - 128x128 pixels taille de la pupille - 110x110 pixels Temps de pose = 2.7ms, Temps entre 2 ims = 3.5ms Echantillonnage sur la pupille = 9.1mm/pixel 1 block = 2032 images 4 étoiles doubles =>

36 36 Réponse impulsionnelle: S(r) – Autocorrélation de la Réponse impulsionnelle Besoin détude de la caméra et calcul dautocorrélation Mesures du bruit de la camera, mission 26-27 Novembre 2003 à La Silla 43 blocs de 2032 images Autocorrelation function de RI S(r) DIMM =1.21 arcsec K(x,h)

37 37 Réduction préliminaire Calcul des corrélations Alignement des images de corrélations Enregistrement dans le format adapté

38 38 Choix de la méthode dinversion: La solution de Conduit à trouver la solution du problème mal posé Y=H*X où Y est lautocorrélation expérimentale C m **(x) calculée à partir dimages de scintillation ; X - C n 2 (h) ; H – Kernel K(x,h) La solution consiste à minimiser la fonctionnelle: G=||Y-HX|| 2 + 2 (x) On propose de tester deux méthodes : On propose de tester deux méthodes : Régularisation de Tikhonov : G=|| B**(x i ) - K(x i, h j ) C n 2 (h j ) || 2 + 2 || (C n 2 (h j )) 2 || Méthode de Maximum dEntropie (MEM) : G=|| B**(x i ) - K(x i, h j ) C n 2 (h j ) || 2 + 2 C n 2 (h j )Log [C n 2 (h j )

39 39 Comparaison de deux méthodes Comparaison du seeing moyen calculé en utilisant deux méthodes dinversion. (Chaque valeur représente la moyenne de 20 profils de C n 2 (h)) Deux profils de C n 2 (h) calculés en utilisant deux méthodes dinversion.

40 40 Choix de méthode dinversion: MEM donne une solution positive qui a une signification physique : C n 2 >0 Méthode de Régularisation de Tikhonov - méthode plus directe et à forte dépendance avec Méthode de Régularisation de Tikhonov - méthode plus directe et à forte dépendance avec Application de Reg.Tikhonov demande une étude supplémentaire de la dépendence de avec le rapport S/N Application de Reg.Tikhonov demande une étude supplémentaire de la dépendence de avec le rapport S/N

41 41 Réduction des données

42 42 Reconstruction avec MEM profils C n 2 (h) Exemples des profils C n 2 (h) reconstruits

43 43 Comparaison avec le DIMM: DIMM situé à environ 500m de G-SCIDAR Seeing de G-SCIDAR supérieur aux valeurs du DIMM Seeing de latmosphère libre toujours inférieur aux mesures du DIMM Il faudra soustraire la turbulence dans le dôme et sur le miroir dôme seeing Exemple (nuit 12/13Juillet2002)

44 44 Dôme seeing et profils du vent

45 45 Pour t = 3.5 ms: 1 pas: dt = t dV = 2.6 m/s 2 pas: dt = 2 t dV = 1.3 m/s 3 pas: dt = 3 t dV = 0.87 m/s 4 pas: dt = 4 t dV = 0.65 m/s 5 pas: dt = 5 t dV = 0.52 m/s

46 46 Seeing dans le dôme et sur le miroir du télescope : Détection du vent au sol est très importante pour déterminer le C n 2 dans le dôme et sur le miroir du télescope. Quand deux couches détectées au sol avec V=0 et V 0 respectivement, la couche avec V = 0m/s est attribuée à une turbulence à lintérieur du dôme. V 0 m/s V = 0 m/s

47 47 Exemple de reconstruction des profils V(h) :

48 48 Résultats et analyse de la campagne dobservation avec le G-SCIDAR à La Silla

49 49 Analyse statistique du seeing : Bonne comparaison en Juillet,Août, Octobre et Février Bonne comparaison en Juillet,Août, Octobre et Février Résultats non cohérents en Novembre 2002 (3 nuits sur 4 ) Résultats non cohérents en Novembre 2002 (3 nuits sur 4 )

50 50 Distribution cumulative Toute latmosphère /Toute latmosphère DIMM / G-SCIDAR Sans les valeurs de Novembre: | 0.85/ 0.99| (arcsec) Atmosphère libre Atmosphère libre Seeing médian: fa = 0.54 0.2 Couche limite Couche limite Seeing médian: bl = 0.96 0.8

51 51 Statistique des couches turbulentes au-dessus de La Silla : 4 couches importantes: couche limite de surface toujours très forte par rapport au reste de latmosphère. 8km5km couche à 8km est plus forte en Août 2002 et à 5km plus forte en Juillet et Août 2002; ce sont des couches probablement provoquées par des ondes de gravité dues à la topographie locale 12kmcouche dans la tropopause centrée autour de 12km (jet-stream), très prononcée en Octobre 2002

52 52 Angle isoplanétique o et temps de cohérence o

53 53 Conclusions Deux approches sont importantes pour létude de site en astronomie (modélisation et G-SCIDAR) Le modèle ECMWF est maintenant validé pour le Dôme C Exploitation de ce modèle pour le Dôme C : il permet dobtenir les profils T(h) et V(h) pour toute lannée La technique G-SCIDAR est efficace pour létude de site. Statistique de la turbulence à La Silla (E-ELT) Statistique des profils de C n 2 (h) et V(h) pour optimiser linstrumentation en Optique Adaptative

54 54 Perspectives Analyse de bases de données pour la climatologie au Dôme C (15 ans, 0, 6, 12 et 16h) Utilisation des paramètres T(h),V(h) pour la modélisation de la turbulence optique Intérêt du G-SCIDAR pour les prochaines campagnes E-ELT, TMT … Amélioration de la réduction des données du SCIDAR en temps réel pour lOptique Adaptative

55 55 Publications dans les journaux à comite de lecture : Sadibekova, T. 1.Agabi, A., Aristidi, E., Azouit, M., Fossat, E., Martin, F., Sadibekova, T., Vernin, J., Ziad, A., First whole atmosphere nighttime seeing measurements at Dome C, Antarctica PASP, 118, 344-348, 2006. Sadibekova,T. 2.Aristidi, E., Agabi, A., Fossat, E., Azouit, M., Martin, F., Sadibekova,T., Travouillon, T., Vernin, J., Ziad, A., Site testing in summer at Dome C, Antarctica, A&A, 444, 651-659, 2005. Sadibekova, T. 3. Sadibekova, T., Fossat, E., Genthon, Ch., Krinner, G., Aristidi, E., Agabi, K., Azouit, M., On the atmosphere for astronomers above Dome C, Antarctica, Antarctic Science, Cambridge University Press, 18, 437-444, 2006 Conferences : 1.Sadibekova, T. 1.Sadibekova, T., J. Vernin, M. Sarazin, M. Le Louarn, Generalized SCIDAR measurements at La Silla Observatory, SPIE, Orlando 2005 2.Sadibekova, T. 2.Sadibekova, T., Fossat, E., Vernin, J., Agabi, A., Aristidi, E., Azouit, M., Chadid, M., Trinquet, H., Genthon, Ch., Krinner, G., Sarazin, M., Choosing Dome C, Antarctic plateau as future Astronomical Observatory, ARENA ROSCOFF, 2006, EAS, 2007 Sadibekova, T. 3.Sarazin, M., Sadibekova, T., Site Considerations for the Next Generation of Optical Arrays: Mid-latitude Sites versus Antarctica, Technology roadmap for future interferometric facilities, JENAM 2005, Liège, Belgium Sadibekova, T. 4.Aristidi Eric, Agabi A., Azouit M., Fossat E. Vernin J., Sadibekova, T., Travouillon T., Lawrence J., Halter B., Roth W.L., Walden V.P., Site testing study based on weather balloons measurements, EAS Publications Series, Volume 14, 2005, pp.227-232 T. Sadibekova, 5.E. Aristidi, A. Agabi, M. Azouit, E. Fossat, F. Martin, T. Sadibekova, J. Vernin, A. Ziad, T. Travouillon : Site testing at Dome C: summer and first winter results from the Concordiastro program : Conf. on "Wide Field Survey telescopes at Dome C/A", Beijing, 3-4 June, 2005 Sadibekova T., 6.Aristidi E., Agabi K, Fossat E., Vernin J., Azouit M., Sadibekova T., Martin F., Dome C site testing : first results of the winter campaign, Worshop on "Technology Roadmap for Future Interferometric Facilities", JENAM, Liège, 4-7 July 2005 Sadibekova, T. 7.Kellerer, A., Agabi, A., Aristidi, E., Coudé Du Foresto, V., Sadibekova, T., Sarazin, M., Interferometric measurements at Dome C, Antarctica, Sf2A, Conference Series, 2005, p. 69, 2005 Sadibekova, T. 8.Vernin, J., Chadid, M., Aristidi, E., Azouit, M., Sadibekova, T., Trinquet, H.,Single Star Scidar first light from Dome C, XXVIth IAU General Assembly, 2006 Sadibekova, T., 11.Vernin, J., Agabi, A., Aristidi, E., Azouit, M., Chadid-Vernin, M., Fossat, E., Sadibekova, T., Trinquet, H., Ziad, A., History, Present Status & Futur of Site Testing at Dome C, ARENA ROSCOFF, 2006, EAS, 2007