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Senseur d’Senseur d’ é épaisseur paisseur optique (ODS) pour la optique (ODS) pour la
mesure de la poussière et mesure de la poussière et des nuages dans des nuages dans
l’atmosphère de Marsl’atmosphère de Mars
Tran The TrungTran The Trung
Service d’AéronomieService d’Aéronomie
20 décembre 2005
Plan de la présentationPlan de la présentation
•Atmosphère martienne et ODSAtmosphère martienne et ODS
•Calculs de transfert radiatif pour Calculs de transfert radiatif pour ODSODS
•Simulation du signal de ODSSimulation du signal de ODS
•Validation en AfriqueValidation en Afrique
•ConclusionsConclusions
Atmosphère martienne et Atmosphère martienne et ODSODS
• 2 facteurs contrôlent 2 facteurs contrôlent
la structure thermique:la structure thermique:– PressionPression– PoussièresPoussières– GazGaz
• Vapeur d’eau:Vapeur d’eau:– Interaction avec Interaction avec
•Calotte polaire NordCalotte polaire Nord
•Réservoirs en sous-solRéservoirs en sous-sol
– Contrainte pour Contrainte pour modéliser la circulation modéliser la circulation globaleglobale
Profil de température en fonction de
l’épaisseur optique des poussières
I=I0e-τ
I0
I
Atmosphère martienne et Atmosphère martienne et ODSODS•ODS – objectifs scientifiques:ODS – objectifs scientifiques: – Mesure d’épaisseur optique de poussières.Mesure d’épaisseur optique de poussières.– Mesure de la fréquence, de l’altitude & de Mesure de la fréquence, de l’altitude & de
l’épaisseur optique des nuages de glace l’épaisseur optique des nuages de glace d’eau.d’eau.
– Couverture globale, cycle météorologique Couverture globale, cycle météorologique complet.complet.
•ODS – contraintes techniques:ODS – contraintes techniques:– Peu de ressource d’énergie, de Peu de ressource d’énergie, de
transmission de données, masse.transmission de données, masse.– Conditions poussiéreuses (dégradation de Conditions poussiéreuses (dégradation de
mesures optiques).mesures optiques).
Atmosphère martienne et Atmosphère martienne et ODSODS
• Flux solaire direct & Flux solaire direct & diffusé = fonction de diffusé = fonction de l’épaisseur optiquel’épaisseur optique
• Rapport entre les 2 flux Rapport entre les 2 flux -> insensible à la -> insensible à la mesure absoluemesure absolue
• Observation passive au Observation passive au cours de la journée cours de la journée – Faible consommation Faible consommation
d’énergied’énergie– Pas de mouvement Pas de mouvement
mécaniquemécanique
OpacitéOpacité des aérosols: des aérosols: direct diffusé
Épaisseur optique verticale
Ln
( fl
ux )
TempsS
ign
al
Champ de vue
0%
0%
100%
Image de nuage prise par
Imager for Mars Pathfinder, 100
min. avant le lever du soleil
Atmosphère martienne et Atmosphère martienne et ODSODS
• Les nuages changent la Les nuages changent la couleur du ciel au couleur du ciel au crépuscule et à l’aube.crépuscule et à l’aube.
• Indice de couleur = flux Indice de couleur = flux rouge / flux bleurouge / flux bleu
• Nuages plus opaques => le Nuages plus opaques => le ciel est plus bleu à l’aube ciel est plus bleu à l’aube et au crépuscule.et au crépuscule.
• Nuage plus hauts => le Nuage plus hauts => le ciel devient bleu plus tôt ciel devient bleu plus tôt avant le lever du soleil/plus avant le lever du soleil/plus tard après le coucher du tard après le coucher du soleil.soleil.
NuagesNuages::
Atmosphère martienne et Atmosphère martienne et ODSODS
•Système à 2 miroirs Système à 2 miroirs focalisant l’image du ciel focalisant l’image du ciel sur 1 photodiode silicium.sur 1 photodiode silicium.
•Mesures alternées du flux Mesures alternées du flux solaire direct et direct + solaire direct et direct + diffus par un champ de diffus par un champ de vue annulaire.vue annulaire.
•Mesure de l’indice de Mesure de l’indice de couleur grâce aux 2 voies couleur grâce aux 2 voies bleu (350-400nm) et bleu (350-400nm) et rouge (800-900nm).rouge (800-900nm).
Calculs de transfert radiatif
Besoins:Simuler les signaux de ODSBase de données pour traitement des
mesuresGéométrie plan parallèle : mesure de
la poussière faite dans la journée.Géométrie sphérique : mesure des
nuages à l’aube ou au crépuscule.
Calculs de transfert radiatif Transfert radiatif dans le domaine visible:
Monte-Carlo (intégrale -> sommation sur les parcours aléatoires de photons): précis mais lent
SHDOM (Spherical Harmonics Discrete Ordinate Method) (intégrale -> opération linéaire itérative) : rapide mais moins précis
'),,'(),,0(),,(0
'
dJeeII
2
0
1
1
'')',',,()','(4
),( ddPIJ
Calculs de transfert radiatif
P(θ) = 1+cos(θ)
P(θ) = const.
fi
fr
Monte-CarloSHDOM
AG=fr/fi
Validation par des solutions analytiques de Chandrasekhar
Albédo de diffusion simple
Alb
éd
o g
éom
etr
iqu
e
Calculs de transfert radiatif Inter-comparaison Monte-Carlo & SHDOM
Angle zénital (°)
I/F
Observation depuis le sol
Calculs de transfert radiatifConclusions:
4 modèles: Monte-Carlo & SHDOM en atmosphère plan parallèle et sphérique.
Plan parallèle: signaux diurnes.Sphérique: signaux à l’aube / au crépuscule.Monte-Carlo précis mais lent: calculs de
reférence.SHDOM rapide mais moins précis: extension
de la résolution des simulations.
Simulation des signaux de ODS
Étapes de la simulation:
Propriété optique
(Poussière & gaz)
Champ d’intensit
é
Monte-Carlo
SHDOM
Signal ODS
simulé
Vf
Simulation : Mesure de Poussière
Sensibilité à l’opacité des poussières
Temps local Martien (h)
Sort
ie O
DS
(V
) midi
Simulation : Mesure de Poussière
Sensibilité à la distribution en taille des poussières
Simulation : Mesure de Poussière
Inversion : minimum de
Indépendant de la calibration.
ττ ==
0.50.5
N
i
isioN 1
22 ))()((1
Simulation : Mesure de Poussière
Inversion sur les observations simuléesSaison Incertitude Bruit 0,01V 20% nIm 5% nRe 0,1° tilt Total (*)
τ = 0,5reff = 1,7µm
Δτ/τ (%) 0,74 4 0,3 1,7 4,4Δreff/reff (%) 3,2 4 5,5 1,8 7,7Δσeff/σeff (%) 13 20 22 18 37
τ = 4,5reff = 3µm
Δτ/τ (%) 0,14 6 7 0,01 9,2Δreff/reff (%) 0,9 2 3 0,01 3,7Δσeff/σeff (%) 2,8 2 1,5 1,6 4
i
iTotal2 (*)
Simulation : Mesure de Nuage
Sensibilité à l’altitude et à l’opacité des nuages
Rouge
Bleu
Rouge
Bleu
Simulation : Mesure de Nuage
Inversion sur les observations simulées
Incertitude
5%τp
10%reff-p
30%σeff-p
10%Δzn
10%reff-n
30%σeff-n
Total
Δτn/τn
(%)1,5 4 3 0,06 3 1,8 6,2
Δhn (km) 0,88 0,02 0,18 0,007 0,7 0,02 1,1
Simulation des signaux de ODSConclusions:
Signaux diurnes: sensibles à l’opacité des poussières.
Signaux à l’aube et au crépuscule: sensibles à l’altitude & à l’opacité des nuages.
Inversion: test de χ2 entre les observations & simulations (base de données).
5% d’erreur sur l’opacité des poussières.10% d’erreur sur l’opacité des nuages, 1km
sur l’altitude.
Validation ODS en Validation ODS en AfriqueAfrique• OOùù: IRSAT, Ouagadougou, Burkina Faso: IRSAT, Ouagadougou, Burkina Faso
• Quand: Saison sèche 11-2004 à 2-2005 et aprèsQuand: Saison sèche 11-2004 à 2-2005 et après• Pourquoi: Pourquoi:
– Couche d’aérosols similaire au cas MartienCouche d’aérosols similaire au cas Martien– photomètre AERONET pour comparerphotomètre AERONET pour comparer
ODS AERONET
Validation ODS en AfriqueValidation ODS en Afrique• Mesure typique :Mesure typique :
0,8
6V
= 1
magn
itu
de
69121518
journjournéée claire (e claire (ττ ≈ 0,1)≈ 0,1)
Validation ODS en AfriqueValidation ODS en Afrique• JournJournéée charge chargéée en poussie en poussièère (re (ττ ≈ 3)≈ 3)
Validation ODS en AfriqueValidation ODS en Afrique• Mesure typique: Indice de couleurMesure typique: Indice de couleur
Rouge
Bleu
Validation ODS en AfriqueValidation ODS en Afrique• Mesure typique: LuneMesure typique: Lune
18
212436
Opérations en AfriqueOpérations en Afrique• Détermination de l’orientation de l’instrument:Détermination de l’orientation de l’instrument:
– Pourquoi? pour simuler correctement les signaux Pourquoi? pour simuler correctement les signaux ODSODS
– Comment? Recherche minimum Comment? Recherche minimum χχ22==ΣΣ((ssttii--oottii))22
• Précision: 0,1°Précision: 0,1°
Validation ODS : PoussiValidation ODS : Poussièèrere• Exemples de détermination d’épaisseur Exemples de détermination d’épaisseur
optique des aérosols 870 nmoptique des aérosols 870 nm
ObservationSimulation τ=0,8±0,02
ObservationSimulation τ=0,94±0,03
Validation ODS : PoussiValidation ODS : Poussièèrere• Épaisseur optique des aérosolsÉpaisseur optique des aérosols
– Comparaison ODS/AERONET à 870nm avec barres Comparaison ODS/AERONET à 870nm avec barres d’erreurd’erreur
Validation ODS : PoussiValidation ODS : Poussièèrere• Impact des nuagesImpact des nuages
– ODS : la mesure intègre tout le ciel + toute la journéeODS : la mesure intègre tout le ciel + toute la journée– AERONET : mesures localisées + temps courtAERONET : mesures localisées + temps court
ODS = AERONET
Fit ODS = 0,05+1,017*AERONET
Fit ODS = -0,001 + 0,984*AERONET
Barres d’erreur 20%
Validation ODS : PoussiValidation ODS : Poussièèrere• 2 mesures par jour: matin et apr2 mesures par jour: matin et aprèès-midis-midi
– Rapport matin/soirRapport matin/soir
Temps
Log(fl
ux)
Validation ODS : NuagesValidation ODS : Nuages• Cirrus Cirrus terrestresterrestres
• SimulationSimulation
Préliminaire
Rouge
Bleu
τréel
τ=τréel×α
Sans poussière
α < 1
Validation ODS : NuagesValidation ODS : Nuages• Exemples de détermination d’altitude & Exemples de détermination d’altitude &
d’épaisseur optique des cirrusd’épaisseur optique des cirrus
Préliminaire
Observation
Simulation h = 10 km ± 1.5 km
τ = 0.03 ± 0.006
23 décembre 2004
Validation ODS : NuagesValidation ODS : Nuages• Altitude des cirrus terrestres en kmAltitude des cirrus terrestres en km
Préliminaire
Histogramme des altitudes des cirrus
17,5 km
16 km
Validation ODS : NuagesValidation ODS : Nuages• Opacité des cirrusOpacité des cirrus
SubvisibleUltrasubvisible
Préliminaire
Nom
bre
de n
uag
e
Épaisseur optique (τ = τréel × α)
ConclusionsConclusions• On a fabriquOn a fabriquéé l’instrument ODS (phase B de l’instrument ODS (phase B de
NETLANDER).NETLANDER).• On a dOn a dééveloppveloppéé des mod des modèèles de Monte-Carlo & les de Monte-Carlo &
SHDOM sphérique.SHDOM sphérique.• ODS est sensible ODS est sensible à:à:
– L’opacitL’opacitéé & la distribution des a & la distribution des aéérosolsrosols– L’opacitL’opacitéé & l’altitude des nuages & l’altitude des nuages
• Inversion: test Inversion: test χχ22 • Test Test àà Ouagadougou: Ouagadougou:
– AAéérosols: ODS ≈ AERONETrosols: ODS ≈ AERONET– Nuages: frNuages: frééquence et altitude des cirrusquence et altitude des cirrus
• Perspectives:Perspectives:– Améliorer la détection des cirrus à l’aube et au crépusculeAméliorer la détection des cirrus à l’aube et au crépuscule– Améliorer la détection des aérosolsAméliorer la détection des aérosols dans la nuit avec la Lune dans la nuit avec la Lune– Développement ODS pour l’environnement terrestre (AMMA)Développement ODS pour l’environnement terrestre (AMMA)– Embarquement sur des missions Martiennes: 135g, 30mW, Embarquement sur des missions Martiennes: 135g, 30mW,
2kb/jour2kb/jour