CHAPITRE 2 SONDAGE A DISTANCE DE LA COMPOSITION DE
2.2 L’instrumentation spatiale
2.2.2 La mission IASI/MetOp
L’instrument IASI (Infrared Atmospheric Sounding Interferometer) est basé sur un spectromètre à transformée de Fourier embarqué à bord de la plateforme météorologique européenne en orbite polaire, MetOp (METeorology OPerationnal). Il a été conçu pour mesurer les spectres atmosphériques dans l’infrarouge thermique en visée au nadir. Il a été développé conjointement par le CNES (Centre National d’Etudes Spatiales) et Eumetsat
(European organization for the exploitation of METeorological SATellites) pour mesurer de
manière opérationelle dans la troposphère et la basse stratosphère, les paramètres météorologiques, température et humidité, avec un très haut niveau de précision (1K en température et 10% pour l’humidité) en vue d’améliorer les prévisions météorologiques. Le premier modèle IASI a été lancé en 2006 à bord de MetOp-A. Le CNES est responsable du développement technique de l’instrument, du développement de logiciels implémentés dans le segment-sol EPS (Eumetsat Polar System) et du centre d’expertise technique. Eutmetsat est chargé du lancement de l’instrument ainsi que du traitement des données et de leur distribution de manière opérationnelle aux utilisateurs.
Tab. 2.2 - Principales régions spectrales de l’instrument utilisées pour l’analyse de paramètres géophysiques mesurés par IASI (Cayla, 2001)
En plus des objectifs météorologiques, IASI a également été conçu pour mesurer toute une série de gaz traces atmosphériques, tels que O3, CH4 et CO (Tab. 2.2) à l’échelle globale pour contribuer à l’étude de l’effet de serre ou de la pollution atmosphérique. D’autres instruments se trouvent également à bord de MetOp (Fig. 2.8) et peuvent être utilisés en combinaison avec IASI. Parmi ces instruments, citons l’imageur AVHRR qui est utilisé pour détecter et caractériser les nuages présents dans le champ de visée de IASI et le spectromètre UV-VIS GOME-2 (Global Ozone Monitoring Experiment) utilisé pour mesurer des profils d’O3 ainsi que des colonnes totales NO2, SO2, BrO,…
La durée de vie de IASI est estimée à 5 ans. Le second et le troisième modèles IASI seront montés à bord des plateformes MetOp-B et MetOp-C, pour un lancement prévu respectivement en Avril 2012 et en Octobre 2016.
Fig. 2.8 - Configuration de la plate-forme MeOp avec IASI et les autres instruments à bord (http://smsc.cnes.fr/IASI)
Géométrie d’observation
IASI observe l’atmosphère à partir d’une orbite polaire héliosynchrone à une altitude d’environ 836 km. La mesure au nadir est complétée par un balayage perpendiculaire à la trace du satellite. Trente acquisitions sont effectuées le long de la ligne de visée et de manière symétrique par rapport au nadir avec un angle variant de –48,2° à +48,2°. La longueur au sol du balayage est d’environ 2400 km. Le champ de vue de l’instrument, IFOV (Instrumental
Field of View) est constitué de 2x2 pixels circulaires hors axe de 12 km de diamètre pour une
scène au nadir (Fig. 2.9). Ces quatre pixels sont inscrits dans un carré de 50 km x 50 km en projection au sol, ce qui correspond à un angle conique de 3,33° au sommet. Une séquence complète de visée (30 scènes d’acquisition) dure 8 secondes. Le miroir à balayage permet de viser la même scène pendant le temps d’acquisition. En plus des 30 visées au sol, la séquence de 8 secondes inclut aussi des visées vers les cibles de calibration ainsi que le retour à la position de départ.
Avec son mode de visée en balayage et son orbite héliosynchrone, IASI fournit une couverture globale (95.5%) bi-journalière (passage à 9h30 et 21h30 heure locale).
Spécifications techniques
L’instrument IASI est calibré en radiance à partir de deux sources connues : un corps noir chaud embarqué dans le satellite MetOp (CNC à 293 K) et l’espace froid (DS, Deep
Space, à 2,7 K) pour en déduire la réponse de l’instrument. Chacun des pixels IASI est imagé
sur trois détecteurs différents associés à trois bandes spectrales couvrant l’intervalle spectral de 645–2760 cm-1 avec un échantillonnage spectral constant de 0.25 cm-1. La première bande s’étend de 645 à 1210 cm-1, la deuxième de 1210 à 2000 cm-1 et la troisième bande de 2000 à 2760 cm-1.
Fig. 2.9 - Schéma du champ de vue de l’instrument IASI en orbite polaire héliosynchrone à 836 km d’altitude (http://smsc.cnes.fr/IASI)
La différence maximale de chemin optique choisie est de 2 cm de telle sorte que la résolution spectrale soit de 0.5 cm-1.
La simulation exacte de spectres IASI nécessite la connaissance de la fonction de réponse spectrale de l’instrument qui comprend la fonction théorique de l’instrument et la fonction d’apodisation. Avec des largeurs de raies variant avec l’auto-apodisation entre 0.35 cm-1 vers 650 cm-1 et 0.5 cm-1 à plus petites longueur d’onde, les spectres IASI sont apodisés par une gaussienne variable de sorte que la convolution des spectres calculés à résolution infinie par une gaussienne de largeur à mi-hauteur égale à 0.5 cm-1 permette de simuler les spectres IASI mesurés.
Le bruit radiométrique est couramment exprimé en terme de température de brillance.
La température de brillance est définie comme étant la température qu'aurait un corps noir émettant le même flux de rayonnement que la surface observée. L’application de la fonction de Planck (cf équation 2.25) permet donc d’extraire la température de brillance. L’incertitude en radiance en fonction de l’incertitude en température de brillance est donc donnée par la dérivée en température de la fonction de Planck:
2 ( ) ( ) 1 ex hc L T L T kT & & & - . E 1 2 3 4 1 p T hc kT & - . 1 2 1 2 E - . 1 ) ) 2 1 2 1 3 42 3 4 (2.47)
Ceci nous amène à la sensibilité radiométrique de l’instrument (Fig. 2.10 en bleu) qui est spécifiée comme l’écart de température qui donne une variation de luminance du corps noir équivalente au bruit de la mesure (Fig. 2.10 en noir). Elle dépend donc selon la relation 2.47 du nombre d’onde et de la température. On prend comme température de référence 280 K. Le bruit radiométrique évolue entre environ 2 10F )6W/m2.sr.m-1 dans la première bande
spectrale (650-1100 cm-1), où se situe la région spectrale d’intérêt pour l’analyse de l’acide nitrique (860-900 cm-1), et 1.5 10F )7 W/m2.sr.m-1 autour de 2100 cm-1.
Fig. 2.10 - Bruit radiométrique de IASI exprimé en radiance (W/(m2.sr.m!1) (noir) et en température de brillance (K) (bleu) pour une température de référence de 280K (Clerbaux et al., 2009)
La mission IASI génère environ 1300000 spectres par jour. Dans un premier temps, les données sont réduites à bord de 45 mégabits par seconde (interférogramme) à 1.5 mégabits par seconde (spectre). Ces données qui forment les données de niveau 0 sont ensuite envoyées au segment sol en temps quasi réel (environ 1h30 après l’acquisition) où elles sont traitées en trois niveaux : la première phase (niveau 1A) comprend le décodage et la calibration spectrale, le niveau 1B consiste au rééchantillonnage des spectres et le niveau 1C comprend l’apodisation et l’analyse des données AVHRR dans les pixels IASI. Les données de radiance de niveau 1C (radiances géolocalisées, calibrées et apodisées) sont opérationnellement distribuées depuis juin 2007 via le système de distribution des données d’Eumetsat (EumetCast).
Les principales caractéristiques de l’instrument IASI sont résumées dans la table suivante. Tab. 2.3 - Principales caractéristiques instrumentales et spectrales de l’instrument IASI.
Géométrie d’observation Orbite polaire (800 km d’altitude)-
Nadir
Couverture spatiale Globale bi-journalière (95.5% de la
surface)
Champ de vue 2F2 pixels de 12 km de diamètre
au nadir
Pixels/balayage 120 (30 champs de vue)
Balayage G48.3H
Intervalle spectral 645 – 2760 cm-1
Echantillonnage spectral 0.25 cm-1 (8400 canaux)
Résolution spectrale 0.5 cm-1
Durée de vie 5 ans
Produits géophysiques restitués
En plus des profils de température, les spectres enregistrés permettent la mesure de toute une série de variables géophysiques obtenues en utilisant une procédure d’inversion des spectres enregistrés. Les produits géophysiques (produits de niveau 2) tels que la température, les profils de vapeur d’eau, les propriétés de surface et des nuages sont distribués en temps réel par le segment sol de traitement des données depuis septembre 2007 et les colonnes totales et partielles de gaz traces (O3, CH4, N2O et CO) depuis mars 2008.
Différentes équipes scientifiques ont également déduit toute une série de produits «gaz traces » de niveau 2 à partir des données IASI. La table 2.4 reprend la liste des différents produits géophysiques, autres que les produits météorologiques, restitués à partir des spectres IASI.