Tran The Trung Service d’Aéronomie

1. 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

2. Plan de la présentation • Atmosphère martienne et ODS • Calculs de transfert radiatif pour ODS • Simulation du signal de ODS • Validation en Afrique • Conclusions

3. 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

4. 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).

5. 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

6. 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

7. 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).

8. 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.

9. 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

10. 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

11. Calculs de transfert radiatif • Inter-comparaison Monte-Carlo & SHDOM Observation depuis le sol I/F Angle zénital (°)

12. 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.

13. SHDOM Monte-Carlo f V Signal ODS simulé Champ d’intensité Simulation des signaux de ODS • Étapes de la simulation: Propriété optique (Poussière & gaz)

14. Simulation : Mesure de Poussière • Sensibilité à l’opacité des poussières midi Sortie ODS (V) Temps local Martien (h)

15. Simulation : Mesure de Poussière • Sensibilité à la distribution en taille des poussières

16. Simulation : Mesure de Poussière • Inversion : minimum de • Indépendant de la calibration. τ=0.5

17. Simulation : Mesure de Poussière • Inversion sur les observations simulées

18. Simulation : Mesure de Nuage • Sensibilité à l’altitude et à l’opacité des nuages Rouge Rouge Bleu Bleu

19. Simulation : Mesure de Nuage • Inversion sur les observations simulées

20. 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.

21. 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

22. 6 15 9 18 12 Validation ODS en Afrique journée claire (τ≈ 0,1) • Mesure typique : 0,86V = 1 magnitude

23. Validation ODS en Afrique • Journée chargée en poussière (τ≈ 3)

24. Validation ODS en Afrique • Mesure typique: Indice de couleur Rouge Bleu

25. 18 6 21 3 24 Validation ODS en Afrique • Mesure typique: Lune

26. 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°

27. 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

28. Validation ODS : Poussière • Épaisseur optique des aérosols • Comparaison ODS/AERONET à 870nm avec barres d’erreur

29. 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

30. Log(flux) Temps Validation ODS : Poussière • 2 mesures par jour: matin et après-midi • Rapport matin/soir

31. Validation ODS : Nuages Préliminaire τ=τréel×α α< 1 • Cirrus terrestres • Simulation τréel Sans poussière Rouge Bleu

32. 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

33. 17,5 km 16 km Histogramme des altitudes des cirrus Validation ODS : Nuages Préliminaire • Altitude des cirrus terrestres en km

34. Validation ODS : Nuages Préliminaire • Opacité des cirrus Subvisible Ultrasubvisible Nombre de nuage Épaisseur optique (τ= τréel × α)

35. 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