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Senseur d’ é paisseur optique (ODS) pour la mesure de la poussière et des nuages dans l’atmosphère de Mars. Tran The Trung Service d’Aéronomie. 20 d é cembre 2005. Plan de la présentation. Atmosphère martienne et ODS Calculs de transfert radiatif pour ODS Simulation du signal de ODS

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Presentation Transcript


Senseur d’ épaisseur optique (ODS) pour la mesure de la poussière et des nuages dans l’atmosphère de Mars

Tran The Trung

Service d’Aéronomie

20 décembre 2005


Plan de la présentation

  • Atmosphère martienne et ODS

  • Calculs de transfert radiatif pour ODS

  • Simulation du signal de ODS

  • Validation en Afrique

  • Conclusions


I0

I=I0e-τ

I

Atmosphère martienne et ODS

  • 2 facteurs contrôlent

    la structure thermique:

    • Pression

    • Poussières

    • Gaz

  • Vapeur d’eau:

    • Interaction avec

      • Calotte polaire Nord

      • Réservoirs en sous-sol

    • Contrainte pour modéliser la circulation globale

Profil de température en fonction de l’épaisseur optique des poussières


Atmosphère martienne et ODS

  • ODS – objectifs scientifiques:

    • Mesure d’épaisseur optique de poussières.

    • Mesure de la fréquence, de l’altitude & de l’épaisseur optique des nuages de glace d’eau.

    • Couverture globale, cycle météorologique complet.

  • ODS – contraintes techniques:

    • Peu de ressource d’énergie, de transmission de données, masse.

    • Conditions poussiéreuses (dégradation de mesures optiques).


Atmosphère martienne et ODS

Opacité des aérosols:

direct

diffusé

  • Flux solaire direct & diffusé = fonction de l’épaisseur optique

  • Rapport entre les 2 flux -> insensible à la mesure absolue

  • Observation passive au cours de la journée

    • Faible consommation d’énergie

    • Pas de mouvement mécanique

Ln( flux )

Épaisseur optique verticale

0%

Signal

100%

0%

Champ de vue

Temps


Atmosphère martienne et ODS

Nuages:

  • Les nuages changent la couleur du ciel au crépuscule et à l’aube.

  • Indice de couleur = flux rouge / flux bleu

  • Nuages plus opaques => le ciel est plus bleu à l’aube et au crépuscule.

  • Nuage plus hauts => le ciel devient bleu plus tôt avant le lever du soleil/plus tard après le coucher du soleil.

Image de nuage prise par

Imager for Mars Pathfinder, 100 min. avant le lever du soleil


Atmosphère martienne et ODS

  • Système à 2 miroirs focalisant l’image du ciel sur 1 photodiode silicium.

  • Mesures alternées du flux solaire direct et direct + diffus par un champ de vue annulaire.

  • Mesure de l’indice de couleur grâce aux 2 voies bleu (350-400nm) et rouge (800-900nm).


Calculs de transfert radiatif

  • Besoins:

    • Simuler les signaux de ODS

    • Base de données pour traitement des mesures

  • Géométrie 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


fi

fr

Calculs de transfert radiatif

Validation par des solutions analytiques de Chandrasekhar

Monte-Carlo

SHDOM

Albédo géometrique

AG=fr/fi

P(θ) = const.

P(θ) = 1+cos(θ)

Albédo de diffusion simple


Calculs de transfert radiatif

  • Inter-comparaison Monte-Carlo & SHDOM

Observation depuis le sol

I/F

Angle zénital (°)


Calculs de transfert radiatif

  • Conclusions:

    • 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.


SHDOM

Monte-Carlo

f

V

Signal ODS simulé

Champ d’intensité

Simulation des signaux de ODS

  • Étapes de la simulation:

Propriété optique

(Poussière & gaz)


Simulation : Mesure de Poussière

  • Sensibilité à l’opacité des poussières

midi

Sortie ODS (V)

Temps local Martien (h)


Simulation : Mesure de Poussière

  • Sensibilité à la distribution en taille des poussières


Simulation : Mesure de Poussière

  • Inversion : minimum de

  • Indépendant de la calibration.

τ=0.5


Simulation : Mesure de Poussière

  • Inversion sur les observations simulées


Simulation : Mesure de Nuage

  • Sensibilité à l’altitude et à l’opacité des nuages

Rouge

Rouge

Bleu

Bleu


Simulation : Mesure de Nuage

  • Inversion sur les observations simulées


Simulation des signaux de ODS

  • Conclusions:

    • 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.


AERONET

ODS

Validation ODS en Afrique

  • Où: IRSAT, Ouagadougou, Burkina Faso

  • Quand: Saison sèche 11-2004 à 2-2005 et après

  • Pourquoi:

    • Couche d’aérosols similaire au cas Martien

    • photomètre AERONET pour comparer


6

15

9

18

12

Validation ODS en Afrique

journée claire (τ≈ 0,1)

  • Mesure typique :

0,86V = 1 magnitude


Validation ODS en Afrique

  • Journée chargée en poussière (τ≈ 3)


Validation ODS en Afrique

  • Mesure typique: Indice de couleur

Rouge

Bleu


18

6

21

3

24

Validation ODS en Afrique

  • Mesure typique: Lune


Opérations en Afrique

  • Détermination de l’orientation de l’instrument:

    • Pourquoi? pour simuler correctement les signaux ODS

    • Comment? Recherche minimum χ2=Σ(sti-oti)2

  • Précision: 0,1°


Validation ODS : Poussière

  • Exemples de détermination d’épaisseur optique des aérosols 870 nm

Observation

Observation

Simulation τ=0,8±0,02

Simulation τ=0,94±0,03


Validation ODS : Poussière

  • Épaisseur optique des aérosols

    • Comparaison ODS/AERONET à 870nm avec barres d’erreur


Validation ODS : Poussière

  • Impact des nuages

    • ODS : la mesure intègre tout le ciel + toute la journée

    • AERONET : mesures localisées + temps court

Fit ODS = 0,05

+1,017*AERONET

Barres d’erreur 20%

Fit ODS = -0,001 + 0,984*AERONET

ODS = AERONET


Log(flux)

Temps

Validation ODS : Poussière

  • 2 mesures par jour: matin et après-midi

    • Rapport matin/soir


Validation ODS : Nuages

Préliminaire

τ=τréel×α

α< 1

  • Cirrus terrestres

  • Simulation

τréel

Sans poussière

Rouge

Bleu


Validation ODS : Nuages

Préliminaire

  • Exemples de détermination d’altitude & d’épaisseur optique des cirrus

23 décembre 2004

Observation

Simulation

h = 10 km ± 1.5 km

τ = 0.03 ± 0.006


17,5 km

16 km

Histogramme des altitudes des cirrus

Validation ODS : Nuages

Préliminaire

  • Altitude des cirrus terrestres en km


Validation ODS : Nuages

Préliminaire

  • Opacité des cirrus

Subvisible

Ultrasubvisible

Nombre de nuage

Épaisseur optique (τ= τréel × α)


Conclusions

  • On a fabriqué l’instrument ODS (phase B de NETLANDER).

  • On a développé des modèles de Monte-Carlo & SHDOM sphérique.

  • ODS est sensible à:

    • L’opacité & la distribution des aérosols

    • L’opacité & l’altitude des nuages

  • Inversion: test χ2

  • Test à Ouagadougou:

    • Aérosols: ODS ≈ AERONET

    • Nuages: fréquence et altitude des cirrus

  • Perspectives:

    • Améliorer la détection des cirrus à l’aube et au crépuscule

    • Améliorer la détection des aérosols dans la nuit avec la Lune

    • Développement ODS pour l’environnement terrestre (AMMA)

    • Embarquement sur des missions Martiennes: 135g, 30mW, 2kb/jour


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