Aqua/AIRS

3.1.3.1 Le satellite Aqua/NASA et l’Aqua-Train

Lancé le 4 mai 2002, le satellite Aqua (figure 3.4) a été élaboré dans le cadre du projet Earth Observing System (EOS) de la NASA. Ce programme a pour but d’obtenir des mesures à long terme des caractéristiques atmosphériques afin d’améliorer notre compréhension des processus affectant le climat terrestre. La plate-forme est en orbite circulaire et héliosynchrone autour de la Terre, l’heure locale de passage à l’équateur est 01h30 et 13h30. L’inclinaison de l’orbite par rapport à l’équateur est de 98.2˚.

A bord d’Aqua, sont embarqués 6 instruments dédiés à l’étude de l’atmosphère : – AMSR-E (Advanced Microwave Radiometer for EOS) : un radiomètre micro-onde

passif comportant 12 canaux sur 6 fréquences dont le but est de mesurer cer-taines variables géophysiques atmosphériques (vapeur d’eau et précipitations) et de caractériser les surfaces (température, humidité...).

– CERES (Cloud’s and Earth Radiant Energy System) : un radiomètre de 3 canaux à bande très large dont le but est de caractériser le bilan radiatif de la Terre en ondes longues et ondes courtes.

– HSB (Humidity Sounder Brazil) : sondeur micro-onde "humidité"

– MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) : un radiomètre multi-spectral mesurant le flux solaire réfléchi et le flux infrarouge émis dans 36 ca-naux. Ses données sont utilisées pour l’étude de la végétation, de la couleur de l’océan, des nuages, mais aussi des aérosols.

FIG. 3.5 –L’A-train (source : http ://www.spacetoday.org/)

– AMSU (Advanced Microwave Sounding Unit) : sondeur micro-onde "température" – AIRS (Atmospheric Infrared Sounder) : sondeur infrarouge dont les observations

seront centrales dans cette étude.

Ces deux derniers instruments (et surtout AIRS) sont présentés plus en détail dans la partie suivante.

Aqua est également le premier d’une constellation de 6 satellites d’observation de la Terre : l’Aqua-Train (figure 3.5) ou A-train. Ce "train" est le premier du genre dédié à l’observation de la Terre, son avantage majeur est l’intervalle de temps très court entre le passage de chaque satellite au-dessus d’un même point, ce qui permet la combi-naison de plusieurs instruments quasi co-localisés pour développer des synergies de mesures. Les 5 autres satellites de l’Aqua-Train sont, dans l’ordre de passage :

– Cloudsat : dédiée à l’étude des nuages, cette plate-forme, dont le lancement est prévu fin 2005, embarquera un radar.

– Calipso (Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation) : Ca-lipso, qui devrait être lancé fin 2005, embarquera un radiomètre infrarouge et surtout, pour la première fois, un lidar dédié à l’étude des nuages et aérosols. L’intérêt de cette mission sera d’obtenir pour la première fois des profils verticaux des nuages et aérosols avec une résolution verticale inégalée depuis l’espace. Le lancement est prévu fin 2005.

– Parasol (Polarization and Anisotropy of Reflectances for Atmospheric Sciences coupled with observations from a Lidar) : pour l’étude des nuages et des aéro-sols, cette plate-forme embarque l’instrument Polder, dont la spécificité est de

FIG. 3.6 – Caractéristiques de l’instrument AIRS

(source : http ://airs.jpl.nasa.gov/press/AIRS_tech_factsheet.pdf)

mesurer la polarisation du rayonnement solaire réfléchi, et ce à différents angles et différentes longueurs d’onde. Parasol a été lancé en décembre 2004.

– Aura : ce satellite vole depuis juillet 2004. Il est destiné à l’étude de la chimie atmosphérique.

3.1.3.2 Les instruments AIRS et AMSU

AIRS

L’instrument AIRS (Atmospheric InfraRed Sounder) est un radiomètre à haute ré-solution spectrale de nouvelle génération. En effet, le rapport entre la largeur à mi-hauteur et la longueur d’onde d’un canal AIRS est de 1/1200, ce qui correspond à une résolution spectrale variant de 0.5 à 2 cm⁻¹. Les caractéristiques de cet instru-ment (orbite, résolution spatiale, bruit...) sont données figure 3.6. AIRS est, comme HIRS, un sondeur infrarouge, dont la mission principale est de fournir des profils verticaux de température et de vapeur d’eau destinés à améliorer les prévisions mé-téorologiques. Mais AIRS permet d’autres missions plus tournées vers l’observation de paramètres climatiques, comme les inversions en gaz à effet de serre, et notamment en CO₂.

Trois bandes spectrales (de 3.74 à 4.61µm, de 6.20 à 8.22 µm, de 8.8 à 15.4 µm) sont couvertes par les 2378 canaux d’AIRS. Un sous-ensemble constitué des mesures

FIG. 3.7 – Géométrie de balayage du système AIRS (source : site web AIRS).

de 324 canaux (radiances niveau 1B) dans la zone tropicale et les moyennes latitudes nord est distribué actuellement par la NOAA-NESDIS et archivé au Laboratoire de Météorologie Dynamique depuis le 1^er avril 2003. Dans la suite de cette étude, les canaux seront repérés par leur numéro dans cet ensemble, de 1 à 324.

Le balayage de l’instrument perpendiculairement à l’axe de déplacement du sa-tellite se fait par rotation complète de la tête de balayage. Cela permet d’observer la surface jusqu’à un angle de 49.5˚ de part et d’autre de la trace au sol, ce qui corres-pond à une fauchée de 2300 km environ, contenant 90 pixels AIRS (figure 3.7). Le champ de vue instantané (pixel AIRS) est de 1.1˚ ce qui correspond à un disque de 13.5 km de diamètre au nadir. La résolution spatiale est donc plus faible que pour un imageur visible. La Figure 3.8 représente les observations du canal 315 AIRS (canal "super-fenêtre", situé à 2616cm−1, le plus transparent) pour la nuit du 27 avril 2003, et pour la zone archivée au LMD (tropiques et moyennes latitudes de l’hémisphère nord). Les valeurs sont moyennées dans des boîtes de 1 degré par 1 degré (sans quoi la taille de cette image en format PostScript dépasserait 60 Mb !). On voit que les zones froides, près des pôles, et que les nuages correspondent à des températures de brillance froides, tandis que les zones tropicales en ciel clair correspondent à des TB plus chaudes. Les valeurs des TB plus élevées vers le pôle nord sont celles de pixels pour lesquels il ne fait pas nuit à la surface et sont sans doute dues à la contamina-tion du signal par le rayonnement solaire réfléchi par la surface (effet sensible jusqu’à des longueurs d’onde de l’ordre de 4 microns).

FIG. 3.8 – Couverture spatiale d’AIRS archivée au LMD d’avril 2003 à aujourd’hui : une demi-journée (nuit) d’observations du canal 315.

temps : à trois reprises après la mise en orbite de la plate-forme, de la glace s’est for-mée sur les instruments, ce qui a nécessité des réchauffements. Ces réchauffements ont entraîné deux modifications successives des caractéristiques spectrales (fonction d’appareil et fréquence de fonctionnement) et du bruit. Les dernières fonctions d’ap-pareil datent du 8 août 2002. Enfin, le 28 octobre 2003, une forte éruption solaire a entraîné l’arrêt d’AIRS pendant plus d’un mois, ce qui a provoqué une nouvelle modifi-cation des caractéristiques spectrales de l’instrument. Pour cette raison, le traitement des observations d’AIRS pour la période avril à octobre 2003 et la période suivante sont différents, et nous nous limiterons à cette première période.

AMSU

Embarqué dès mai 1998 à bord des satellites NOAA-15 puis NOAA-16, NOAA-17 et Aqua, le radiomètre AMSU est le successeur des instruments MSU et SSU embarqués à bord des satellites de la série TIROS-N de la NOAA. AMSU mesure le rayonnement émis par le système terrestre dans 15 fréquences micro-ondes, de 27 à 89 GHz. C’est un instrument à balayage transversal avec une couverture de 49.5˚ et un pas de 3.3˚, ce qui correspond à un champ de vue de 40km au nadir. Un champ de vue (appelé "golfball") AMSU contient 9 pixel AIRS, comme le montre la figure 3.7. La caracté-ristique principale des canaux AMSU est leur sensibilité très faible aux nuages non précipitants, c’est pour cela que nous serons amenés à les utiliser (voir partie 6.1.1).