Comparaison avec les épaisseurs optiques visibles AVHRR et Mé-

Peu d’instruments satellitaux fournissent des produits aérosols à l’échelle globale pour la période, relativement ancienne, que nous traitons ici. C’est heureusement le cas de AVHRR, pour lequel [Mishchenko et al.(1999), Liu et al.(2004)] ont développé un algorithme permettant de retrouver les épaisseurs optiques visibles au-dessus des océans. Les données des années 1983 à 2001 ont été traitées et sont disponibles sur le site http ://gacp.giss.nasa.gov/retrievals/. Le produit épaisseur optique AVHRR incluant les aérosols stratosphériques, nous limitons la comparaison aux années pré-cédent l’éruption du Pinatubo (juin 1991). Nous utilisons également dans cette partie les épaisseurs optiques visibles de Météosat de [Moulin et al.(1997)], disponibles de 1987 à 1994 sur l’Atlantique nord et la Méditerranée.

Les cartes de la figure 5.19 permettent de comparer les AOD visibles AVHRR et les AOD infrarouges HIRS, pour l’année 1988. Nous avons choisi de nous focaliser dans un premier temps plus particulièrement sur cette année qui est caractérisée par le maximum d’AOD pour la période dont nous disposons (voir les cartes de l’annexe III). L’essentiel des différences vient de zones où l’espèce dominante d’aérosols n’est pas l’aérosol désertique mais les aérosols liés aux feux de biomasse (par exemple au sud du continent africain, ou en Afrique équatoriale l’hiver), ou les aérosols anthropogé-niques liés à la pollution (aux marges des continents asiatiques ou nord-américains). Cela vient du fait que les AOD AVHRR prennent en compte non seulement les pous-sières désertiques mais aussi les aérosols liés aux feux de biomasse ou anthropogé-niques, alors que HIRS est avant tout sensible aux poussières désertiques.

Concentrons nous maintenant sur le panache de l’Atlantique Nord. L’accord est bon pour les mois d’été : présence d’un panache d’aérosols sahariens sur l’Atlantique nord, avec un maximum en juillet, poussières autour de la péninsule arabique. Par contre, on observe d’importantes différences l’hiver. En effet, les mois d’hiver, les feux ont lieu dans toute la région au sud du Sahel, et une partie des aérosols qu’ils pro-duisent sont transportés au-dessus de l’océan. Il n’est pas possible de discriminer les contributions des deux types d’aérosols dans les produits Météosat. Par contre, cela nous amène à une conclusion intéressante : la comparaison des AOD visibles et des AOD infrarouges permet de discriminer le type d’aérosol, en séparant les poussières des autres composants. Cette idée est poussée un peu plus loin dans l’annexe V.

Dans un deuxième temps, nous avons comparé les variations mensuelles sur plu-sieurs années des AOD infrarouges HIRS d’une part et les AOD visibles AVHRR et Météosat d’autre part au-dessus de l’Atlantique Nord (zone 10˚-40˚N,10˚-40˚W) (fi-gure 5.20). On observe une différence très nette entre ces séries temporelles : celle résultant de HIRS met en évidence très clairement un cycle saisonnier avec maximum en juillet/août et minimum en janvier, même s’il est beaucoup moins marqué que les cycles obtenus précédemment sur terre (figure 5.17). Les séries temporelles résultant

FIG. 5.19 – Epaisseur optique des aérosols : visible (AVHRR - poussières, feux, pollution- à gauche, échelle de 0 à 0.8) et infrarouge (HIRS -poussières seulement- à droite, échelle de 0 à 0.6). De haut en bas : mois de janvier à décembre 1988.

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 91 90 89 88 AOT annee infrarouge (HIRS) visible (AVHRR) visible (Meteosat)

FIG. 5.20 –Variations mensuelles de l’AOD infrarouge (HIRS - poussières seulement - ) et visible (AVHRR et Météosat - poussières, feux, pollution - ), pour la zone 10˚-40˚N,10˚-40˚W (Atlantique nord) (mai 1987 à décembre 1990).

d’AVHRR et de Météosat sont très différentes, parce que l’épaisseur optique visible mélange à la fois les poussières désertiques au cycle saisonnier marqué et d’autres types d’aérosols au cycle saisonnier différent ou un peu moins prononcé. Pour cette même raison, la valeur minimale de l’épaisseur optique visible est supérieure à la valeur minimale de l’épaisseur optique infrarouge.

Par contre, il est surprenant que l’AOD infrarouge dépasse parfois l’AOD visible : cela pourrait s’expliquer par la présence, peu probable aussi loin des sources, de très grosses particules (de l’ordre de 5 microns), ou plus probablement par les incertitudes sur les produits retrouvés, qui demeurent importantes quel que soit l’instrument uti-lisé, comme le montre par exemple la différence entre les séries issues de AVHRR et Météosat. Enfin, l’échantillonage spatio-temporel différent entre les différents instru-ments entraîne aussi des différences entre les produits.

Grâce à l’utilisation des produits température de surface et contenu en vapeur d’eau colocalisés avec les températures de brillance des canaux 8, 10 et 18, l’épais-seur optique et l’altitude des poussières désertiques peuvent être retrouvées par une procédure basée sur des régressions linéaires. L’existence de cartes d’émissivités cor-respondant aux longueurs d’onde de ces mêmes canaux permet d’étendre l’inversion sur Terre. L’intérêt majeur de cette méthode est de permettre la détection des pous-sières au-dessus des déserts. Une étude de cas sur quelques jours basée sur la com-paraison avec les épaisseurs optiques provenant du canal visible de Météosat prouve la capacité de HIRS à détecter les poussières désertiques. Une contamination des inversions en vapeur d’eau par les aérosols est illustrée par cette étude de cas.

L’analyse de la climatologie 1987-1991, sur toute la bande 40˚S-40˚N, montre les principales caractéristiques attendues : le Sahara et la péninsule Arabique comme sources majeures, des sources secondaires en Australie et en Amérique du Nord... L’altitude du nuage de poussières retrouvée au-dessus de l’Atlantique nord montre bien un transport plus haut l’été que l’hiver et influencé par la présence de l’ITCZ. Les variations saisonnières de l’activité des sources ont été étudiées pour 5 grandes zones (Sahara, Sahel, Arabie, Australie, ouest de l’Amérique du nord) et montrent toutes un cycle très marqué. Les produits retrouvés méritent sans doute d’être analysés plus en détail, notamment dans la perspective d’une meilleure compréhension des processus d’émission, de transport, de dépôt des poussières désertiques et leurs interactions avec les autres composantes de la machine climatique.

optique infrarouge et altitude des

poussières désertiques sur mer

Comparé au sondeur de première génération HIRS, l’instrument AIRS, lancé en mai 2002 à bord du satellite Aqua, offre un nombre de canaux incomparablement plus élevé (2378 au lieu de 20 !) et sa résolution spectrale est beaucoup plus fine. Ce qu’apporte la très haute résolution spectrale, ce n’est pas tant un plus grand nombre de canaux (car aucun algorithme ne prend en entrée autant de mesures, et cela né-cessite d’ailleurs une sélection plus méthodique), mais avant tout la possibilité d’avoir des signatures très propres des composants atmosphériques pour certains canaux, ou la possibilité d’avoir deux canaux répondant exactement aux variations atmosphé-riques, excepté pour une unique variable (nuage, gaz, aérosol...) qu’il est alors plus facile d’isoler. Autrement dit, la finesse spectrale des canaux facilite la déconvolution des signaux, et le grand nombre de canaux permet de faire une sélection adaptée à chaque application.

Concernant l’étude des aérosols, [Sokolik (2002)] avait déjà suggéré, avant le lan-cement d’AIRS, que les instruments à très haute résolution spectrale semblaient plus prometteurs que les radiomètres à bande large comme MODIS pour retrouver les propriétés des aérosols depuis l’espace. Des études plus récentes ont montré les ca-pacités d’AIRS dans la détection des nuages et des panaches de cendres volcaniques [Ackerman et al.(2004)]. Dans ce chapitre, nous montrons que l’instrument AIRS per-met d’aller beaucoup plus loin et, en particulier, de déterminer les principales carac-téristiques des aérosols de poussières : épaisseur optique et altitude moyenne, et leur évolution dans le temps et dans l’espace.

Si en effet AIRS s’avérait très prometteur pour l’étude des aérosols, il faut aussi souligner une différence importante par rapport à HIRS. Alors que la base TOVS-PathB fournit pour chaque observation HIRS une estimation de nombreux paramètres atmosphériques (masque nuageux, température et vapeur d’eau notamment), et que

des cartes d’émissivité de surface sont disponibles pour toute la période NOAA-10-NOAA-12, comme nous l’avons vu au chapitre 5, nous ne disposons pour AIRS que des radiances de niveau 1B. C’est pourquoi nous verrons d’abord quel a été le trai-tement préalable des données. Nous traiterons ensuite de la sélection des canaux AIRS pour l’étude des poussières désertiques, puis de l’algorithme d’inversion. Enfin, nous présenterons les résultats obtenus et les validations effectuées. Une partie de ce chapitre a été publiée dans [Pierangelo et al.(2004b)].

6.1 Le traitement préalable des données

Précisons dès à présent que nous ne considérons dans ce chapitre que les ob-servations réalisées par AIRS de nuit, afin de ne pas avoir à prendre en compte la contribution du rayonnement solaire sur les températures de brillances des canaux situés dans l’infrarouge proche, notamment dans la bande à 4 microns. De plus, nous simplifions également le problème en ne traitant que les observations au-dessus de la mer, et en considérant que l’émissivité y est constante, égale à 0.98. Tous les cal-culs sont réalisés pour un angle de visée du satellite nul (situation nadir) et seules les observations pour lesquelles l’angle de visée est inférieur à 36˚ sont analysées, ce qui correspond aux 10 valeurs de la sécante les plus faibles pour les champs de vue AMSU .