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