L observation spatiale pour l étude du climat

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1 L observation spatiale pour l étude du climat François-Marie Bréon Laboratoire des Sciences du Climat et de l'environnement CEA/DSM/LSCE Institut Pierre Simon Laplace Merci au CEA à la NASA et CNES, CNRS, Eumetsat

2 Imagerie Couverture spatiale Homogénéité des mesures Pourquoi faire?

3 Ils peuvent tout faire? L observation spatiale permet de mesurer l état présent de l atmosphère et des surfaces. Ils peuvent suivre leur évolution. L analyse des observations permet - d identifier et comprendre des processus - de suivre l évolution de paramètres atmosphériques ou liés aux surfaces - de valider des modèles Une prévision de l évolution du système passe nécessairement par un modèle. Les observations spatiales sont utilisées pour valider et améliorer les modèles

4 Orbites basses ou géostationnaires orbite polaire -! 1 observation par jour - ensemble du globe - grande fréquence (toutes les 30 min.) - moins de 50% du globe - pas les hautes latitudes o r b i t e g é! o s t a t i o n n a i r e Basses : km. Généralement polaires Géostationnaires : km. Au dessus de l'équateur

5 Orbite géostationnaire Très bonne résolution temporelle ( 30 minutes) Une portion du globe observée Pas d'observation des pôles

6 Zone couverte par les Géostationnaires Meteosat

7 Orbite Polaire Toutes les zones de la Terre peuvent être observées par un seul satellite 2 observations par jour (nuit+jour) L'inclinaison est adaptée pour obtenir une orbité héliosynchrone : heure d'observation constante.

8 Les plate-formes spatiales Plate-formes multi-missions 2 à 8 t Plusieurs instruments Durée de vie de 3 à 7 ans Mini-satellites ~ 500 kg 1 à 3 instruments Durée de vie ~ 3 à 5 ans Micro-satellites ~ 50 à 100 kg 1 instrument Durée de vie 1 à 2 ans ADEOS PICARD JASON ENVISAT

9 Les instruments: Capteurs passifs et actifs Mesure de la lumière transmise (Solaire) Mesure de la lumière diffusée (Solaire) Mesure Active Lidar/Radar (Solaire et Micro-onde) Lumière émise (Infrarouge, Micro-onde)

10 Le plus simple : œil humain Seule image d'une portion significative de la Terre en vraie couleur (Apollo XVII) Observation des systèmes nuageux

11 Le Spectre solaire Infra Rouge (IR) Rouge Violet Ultra-Violet (UV) L'œil humain est sensible à une toute petite fraction du spectre solaire. Les instruments peuvent détecter des photons invisibles à l'œil nu.

12 Observation des Couleurs Réflectance Satellite Œil Végétation Sol / Sable Objet blanc Bleu Vert Rouge Infra-Rouge Longueur Couleur d'onde Visibl e

13 Observation de la végétation le proche infrarouge La végétation absorbe la plus grande partie des photons du domaine spectral visible => Photosynthèse Elle réfléchit les photons du proche IR Les mesures dans le visible et le proche IR permettent de déterminer la quantité de végétation

14 Changements à long terme de la végétation Une augmentation de la durée du cycle végétatif est observé La végétation apparaît plus productive qu'il y a 10 ans dans

15 Couleur de l'océan Bleu Vert Rouge Plus l'océan est bleu, plus il est pauvre en phytoplancton

16 Quantité de Photosynthèse

17 Signature spectrale du spectre solaire: Mesure de l'ozone Le rayonnement solaire UV est absorbé en fonction de la quantité d'ozone dans la stratosphère Plusieurs longueurs d'onde permettent de distinguer réflectance et absorption

18 Formation et destruction du trou d'ozone Août à Novembre Printemps austral :

19 La vapeur d eau POLDER possède une bande spectrale dédiée à la vapeur d eau à 0.91 µm. Polder-2, juin 2004

20 Rayons-gamma 10-6 Le spectre électromagnétique Rayons-X Ultra Violet Infrarouge Solaire 3. Infrarouge Thermique C B A Micro-ondes

21 Le spectre InfraRouge Thermique L'œil mesure le rayonnement solaire réfléchi Tous les corps émettent un rayonnement en fonction de leur température Sur terre, les objets ont une température de l'ordre de 300 K (contre 5700 K pour le soleil) Le rayonnement émis est essentiellement de longueur d'onde entre 4 et 30 microns. Energie émise Soleil 5700 K Terre 290 K Longueur d'onde

22 Mesure de la Température de surface de la mer Le Gulf Stream Choix d une bande spectrale dans l infra-rouge thermique pour laquelle l absorption est faible La "lumière" infrarouge mesurée est convertie en température Correction des effets liés à la traversée de l'atmosphère Cf cours 2

23 Séries temporelles. Exemple du El Niño Anomalies de la Température de Surface de la Mer sur le Pacifique équatorial. 97/98 : Evènement El Niño puis la Niña

24 Mesure de la température des nuages Même principe que pour la surface. Besoin d une bande spectrale peu absorbée par l atmosphère

25 La température de l'atmosphère vue par les satellites Basse atmosphère Haute atmosphère Bande spectrale dans l infrarouge thermique. Absorption modérée (bas de l atmosphère) à forte (haut de l atmosphère). Cf cours 1 I sat = % $ B(T) "# "z dz z sol

26 Mesure du CO 2 Absorption modérée. Connaissance du profil de température Cf cours 1!(z) 0 1!!/!z

27 Les micro-ondes: au bout du spectre tellurique La terre émet aussi dans les micro-ondes. Pas de contribution solaire significative. Mesure de la température de surface et de l atmosphère suivant le même principe que pour l infrarouge. Mesure moins précise, mais à travers les nuages!!

28 Mesure du bilan énergétique

29 Energie émise Transmission des filtres (cas idéal) 1 0 Transmission des filtres (cas réel) 1 0 Mesure directe du bilan radiatif: Concept instrumental Soleil 5700 K Terre 290 K SW band LW band λ (µm) λ (µm) SW band LW band λ (µm) Pour mesurer l énergie émergeant en haut de l atmosphère et voir comment chaque spectre évolu... Deux bandes spectrales suffisent... Mais le filtre parfait n existe pas! Estimer les incertitudes en fonction de la précision voulue Intégrer les contraintes technologiques (conception)

30 Mesure directe du bilan radiatif: De la luminance au flux Un capteur mesure sur une bande spectrale donnée une luminance en W.m-2.sr-1, alors qu on cherche à estimer un flux en W.m-2. Il faut soit plein de capteurs spatiaux soit estimer le flux à partir d une seule mesure. Identifier le type de cible (nuage, végétation, eau, désert,...) Modéliser la directionalité de la réflectance de la cible (solaire)

31 Mesure directe du bilan radiatif: De l instantanée à la journée Un capteur en orbite polaire permet d estimer le flux en un endroit donné en général deux fois par jour (jour et nuit). Il faut soit plein de capteurs spatiaux soit estimer le flux moyen sur 24h à partir de ces deux mesures. Prendre en compte le cycle diurne du flux de la cible Modéliser la directionalité de la réflectance de la cible Duvel et al., BAMS, 2001

32 Mesure directe du bilan radiatif: Exemple de ScaRaB (1) ScaRab (Scanner pour le Bilan Radiatif) est un instrument conçu et construit au LMD/IPSL suite à un accord CNRS-CNES dans le cadre d une coopération franco-russe. ScaRaB-1 et -2 ont fonctionné plusieurs mois en 1994 et en bandes spectrales: 1. Canal Visible: 0,5-0,7 µm filtre interférentiel 2. Canal Solaire(SW): 0,2-4 µm filtre en silice fondue 3. Canal Total(TW): 0,2-50 µm sans filtre 4. Canal fenêtre: 10,5-12,5 µm filtre interférentiel Résolution au sol: ~ 40 km

33 Mesure directe du bilan radiatif: Exemple de ScaRaB (2) Flux solaire absorbé Flux infrarouge sortant Flux net 240 W.m W.m -2 3 W.m W.m -2 W.m -2

34 Mesure directe du bilan radiatif: Validation des résultats La validation directe des mesures spatiales du bilan énergétique de la terre est impossible. D une manière générale, les mesures spatiales de paramètres géophysiques sont rarement directes et reposent sur des hypothèses et des modèles, comme on l a vu avec la mesure du bilan énergétique de la planète. Nécessité de valider les résultats obtenus par inversion des données spatiales.

35 Instruments actifs. Exemple du lidar Le lidar émet une lumière laser en direction de la Terre Il mesure ce qui est réfléchi par les nuages et les aérosols Le décalage en temps du signal reçu permet une mesure résolue sur la verticale Un millionième de seconde = 150 mètres

36 Nuages et aérosols vus par un lidar Nuages élevés (Cirrus) Semi transparents Aérosols Nuages bas Opaques Surface. Chaîne des Andes Signal saturé Surface non vue

37 La mesure altimétrique

38 Topographie de l'antarctique

39 Vitesse d'écoulement des glaciers Mètres/an

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