Équipe IRN

Transfert radiatif et propriétés optiques des particules atmosphériques

Animateur : Philippe Dubuisson

L’objectif de ce thème est le développement et l’amélioration des codes numériques de transfert radiatif 1D et 3D, qui décrivent l’interaction du rayonnement électromagnétique avec les composants gazeux ou particulaires de l’atmosphère. Ces codes sont indispensables pour simuler le signal que reçoit un capteur (aéroporté ou satellite) ou pour estimer le bilan radiatif atmosphérique. Ils permettent par exemple de réaliser des études de sensibilité aux paramètres atmosphériques et instrumentaux, ou d’élaborer, d’évaluer et d’améliorer des algorithmes de traitement des mesures des capteurs. Ce thème est, par définition, transversal au laboratoire, ces codes pouvant être utilisés pour des situations avec aérosols, nuages et vapeur d’eau. En particulier, les aspects tels que la prise en compte de la polarisation, de la multi-directionnalité, des effets 3D des constituants atmosphériques, en particulier les nuages (Figure 1), de la synergie spectrale ou de la haute résolution spectrale sont primordiaux afin d’accompagner les projets liés aux nouveaux instruments de télédétection. En complément, des méthodes et codes dédiés au calcul des propriétés optiques des particules atmosphériques sont également disponibles, notamment pour les particules non sphériques tels que les cristaux de glace.

Dans ce cadre, un objectif est de pérenniser et de mettre à disposition de la communauté l’ensemble de ces ressources en transfert radiatif via la banque de codes et données ARTDECO (Atmospheric Radiative Transfer Database for Earth and Climate Observation). ARTDECO est développé et maintenu par le LOA, financé par le CNES/TOSCA et sa diffusion est effectuée par le centre de données et services AERIS/ICARE. À titre d’exemple, un simulateur d’images satellites a été développé à partir d'ARTDECO afin de simuler de façon réaliste (orbites complètes) les mesures de capteurs spatiaux à partir de données géophysiques telles que le masque nuageux, les produits géophysiques, les propriétés des aérosols et nuages, et des paramètres instrumentaux. Ce simulateur est un atout pour l’exploitation de capteurs existants (OSIRIS, CLIMAT, POLDER, MODIS, SEVIRI, etc.) mais également pour la préparation de futures missions spatiales, en particulier 3MI (simulations d’images visibles sur cette vidéo).

Figure 1. Exemple d’un champ de réflectances totales (a) ou polarisées (b), exprimées en %, simulé à partir du code 3DMCPOL du LOA (basé sur une méthode de Monte Carlo) pour un nuage inhomogène de type stratocumulus dont les propriétés ont été calculées à l’aide d’un modèle nuageux stochastique.

Instrumentation

L'équipe IRN participe activement à de régulières campagnes de mesures aéroportées, en collaboration avec d'autres laboratoires français, européens ou américains. Par exemple voici les plus récentes :

  • La campagne FRENCH-DIRAC en 2001, qui était destinée à l'étude des propriétés optiques et radiatives des cirrus, en préparation de la campagne spatiale A-Train. Cette campagne a été menée en collaboration avec le Service d'Aéronomie (SA) et le Laboratoire de Météorologie Physique (LaMP), avec deux avions instrumentés volant en formation, l'un à l'intérieur du cirrus, l'autre à haute altitude au-dessus de la couche de cirrus. Le LOA a fourni les instruments CLIMAT, MiniMIR (voir plus bas pour ces deux instruments), POLDER (lien) et le lidar LEANDRE (lien).
  • La campagne CRYSTAL-FACE, en 2002, pilotée par la NASA. Le LOA a contribué à cette campagne avec l'instrument POLDER aéroporté. Il s'agissait de survoler et d'étudier des systèmes convectifs et des cirrus tropicaux issus de la convection profonde.
  • La campagne BBC2 en 2003 aux Pays-Bas entre Rotterdam et le site instrumenté de Cabaw. L'avion de mesure était équipé entre autres des instruments POLDER et MiniMIR et des mesures de fonds de ciel ont été effectuées depuis le sol. L'objectif était de réaliser des mesures au-dessus de couvertures nuageuses basses et peu fractionnée (strato-cumulus et cumulus).

Les futures expériences de validation de l'A-Train : deux campagnes aéroportées SAMUM (Saharan dUst experiMent) en 2005 et CIRCLE (CIRus Cloud Experiment) en 2006, en collaboration avec l'IPSL, le LaMP et le DLR. Le LOA participera à ces campagne en fournissant le radiomètre infrarouge tri-bande CLIMAT-AV.

De plus l'équipe travaille au développement de nouveaux radiomètres tels que MiniMIR (Middle Infrared Radiometer) et CLIMAT-AV (Conveyable Low-noise Infrared radiometer for Measurements of Atmosphere and ground surface Targets - Airborne Version). MiniMIR mesure les luminances spectrales et leur composante polarisée correspondant à la lumière solaire diffusée dans le domaine du proche et du moyen infrarouge du spectre solaire. Cet instrument est conçu pour compléter les mesures polarisées du radiomètre POLDER. CLIMAT est un radiomètre infrarouge prototype de nouvelle génération, entièrement numérique. Il a été étudié et réalisé par la société CIMEL Electronique en partenariat avec le laboratoire. A terme ce radiomètre fera partie de l'instrumentation de base des avions de recherche.


Télédétection

On parle de télédétection à propos des mesures d'instruments embarqués sur des satellites. Ces instruments mesurent des quantités liées à leur mode de fonctionnement : par exemple le radar émet une onde et mesure la quantité d'énergie qui revient c'est-à-dire qui est réfléchie par le milieu rencontré. Il faut ensuite inverser les équations propres à ces instruments pour déduire des mesures les propriétés du milieu étudié : pour cela des algorithmes d'inversion ont été (et sont) développés.

Une part importante du travail de l'équipe IRN porte sur la validation d'algorithmes de restitution de paramètres tels que le taux de couverture nuageuse, le contenu en vapeur d'eau de l'atmosphère, la phase thermodynamique, l'épaisseur optique des nuages, leur pression et sur la validation des produits satellitaires dérivés à l'aide de ces algorithmes. Cette validation scientifique est basée sur la vérification de la cohérence des produits, la comparaison avec des observations au sol, et la comparaison avec d'autres observations satellitaires.

Les missions POLDER-1 et POLDER-2 ont donné à l'équipe IRN une expertise dans ce domaine, qui sera exploitée au cours de la mission A-Train, particulièrement concernant les études menées à partir de synergies instrumentales multi-capteurs (PARASOL et MODIS). L'objectif est d'améliorer la compréhension de certaines propriétés des nuages à partir de la combinaison de mesures et/ou de produits géophysiques issus de différents capteurs passifs et actifs qui formeront l'A-Train (PARASOL, MODIS, CALIOP et IIR sur CALIPSO et le radar de Cloudsat), ainsi que les capteurs de Meteosat-8.


Modélisation

À PROPOS DU LABORATOIRE

Le Laboratoire d'Optique Atmosphérique est une Unité Mixte de Recherche du CNRS et de l'Université de Lille - Sciences et Technologies, spécialisée dans l'étude des nuages, des aérosols, de leurs précurseurs et de leurs impacts environnementaux (climat, pollution).

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