1 Les propriétés optiques

La connaissance des propriétés des aérosols est essentielle pour la télédétection car leur effet sur le rayonnement solaire est présent sur tout le spectre électromagnétique utilisé pour l’acquisition des images optique. Ces propriétés sont calculées à l’aide de la théorie de Mie à partir des propriétés microphysiques des particules (distribution de taille et indice de réfraction), en supposant qu’elles sont de forme sphérique (voir annexe 2). Or, la composition chimique des aérosols est très variable et dépend à la fois de la répartition géographique des sources et de la dynamique atmosphérique. La détermination de la proportion des différents types d’aérosols à un endroit et à un moment donnés n’est donc pas aisée. On a le plus souvent recours à des modèles standard qui impliquent la présence d’un mélange des particules typiques d’aérosol (poussières, solubles dans l’eau, suie, etc.) dont les propriétés optiques sont supposées connues et stables. En supposant différents mélanges des ces particules typiques, différentes atmosphères typiques sont constituées : continentale, urbaine, maritime, etc., selon l’approche utilisée dans le 6S dont on fait mention dans la partie I.

Comme les propriétés des aérosols sont fonction de la taille des particules, il faut noter un fait important : il existe dans l’atmosphère un type d’aérosol appelé « water soluble » dont la taille des particules augmente lorsqu’elles sont en contact avec des molécules de vapeur d’eau. Ceci contribue à modifier considérablement l’indice de réfraction et la section efficace des particules et ainsi, toutes les propriétés optiques de ce type d’aérosol (Shettle et Fenn, 1979; Hess et al. 1998 ; Aubé, 2003). Cette modification a un impact sur la valeur de l’AOD. Ainsi, pour les types d’atmosphère riches en aérosol « water soluble », notamment les mélanges continental et urbain se trouvant dans les régions les plus ciblées par la télédétection, on s’attend à ce que l’AOD soit plus élevé pour les valeurs élevées de l’humidité relative de l’air.

Afin de vérifier cette hypothèse et de montrer l’influence (ou non) de l’humidité relative de l’air sur la valeur de l’AOD, nous avons examiné la relation entre l’AOD mesuré par le radiomètre Microtops en région montérégienne (tableau II-2; ici, seules les données des sites du CRDH et de St-Valentin sont utilisées) et les mesures d’humidité relative acquises par la station météorologique la plus proche (L’Acadie, Québec) aux mêmes dates et heures.

La figure V-1 montre qu’il existe une relation proportionnelle (corrélation de 0.622) entre l’AOD et l’humidité relative. Ainsi, nous pouvons supposer que cette relation est due à la proportion d’aérosols de type « water soluble » présents dans l’atmosphère continentale (environ 50% d’après OPAC, tableau V-1 et environ 30% d’après le 6S, tableau III-2) et dont l’épaisseur optique augmente en fonction de l’humidité.

Pour les raisons susmentionnées, nous avons actualisé le modèle d’aérosol qui se trouve dans le code 6S (modèle publié en 1983 par la World Meteorological Organization) par un modèle plus récent (OPAC : Optical Properties of Aerosols and Clouds), présenté par Hess et al. (1998) et qui tient compte de l’effet de l’humidité relative sur les propriétés des aérosols et ultimement sur les valeurs de l’AOD. L’intégration de ce modèle dans le logiciel REFLECT ainsi que des comparaisons avec le modèle inclus dans 6S sont décrites dans ce qui suit.

Figure V-1. Relation entre l’AOD à 550 nm mesuré par le radiomètre Microtops en région montérégienne, Québec, (St-Jean-sur-Richelieu et St-Valentin) et l’humidité relative de l’air donnée par une station météorologique proche (L’Acadie).

V-1-1 Le modèle OPAC

Le modèle OPAC (Hess et al. 1998) décrit les propriétés optiques et microphysiques de 10 aérosols considérés comme les plus typiques ainsi que des mélanges de ces particules qu’on retrouve habituellement dans l’atmosphère. Les propriétés optiques sont : le coefficient d’extinction (EX), le coefficient (ou albédo) de diffusion (SC), le paramètre d’asymétrie (ASY) et la fonction de phase (PH). Les données sont disponibles pour 61 longueurs d’onde entre 0.25 et 40 μm et 8 valeurs de l’humidité relative (pour le type « water soluble »). OPAC propose des modèles d’atmosphère (mélanges d’aérosols) plus nombreux que celui du 6S.

Les types de particules considérées dans le modèle OPAC sont :

- L’aérosol « water-insoluble » ou INSO, équivalent au « dust-like » du code 6S.

- Les aérosols de type « mineral », correspondant aux particules de poussière désertiques se trouvant dans les régions arides. Selon leur origine, ils sont au nombre de quatre : MINM (mineral nucleation mode), MIAM (mineral accumulation mode), MICM (mineral coagulation mode) et MITR (mineral-transported). Un seul type d’aérosol de ce type («desert »), est inclus dans 6S (Vermote et al. 1997-c).

- Les aérosols de type « water soluble » ou WASO, constitués de différentes particules solubles dans l’eau telles que les sulfates, les nitrates et autres matières d’origine organique. La taille de ces particules ainsi que leurs propriétés optiques sont fonction du taux d’humidité relative de l’air. Ces propriétés sont données à des taux de 0, 50, 70, 80 et 90 %. Les propriétés de ce type d’aérosol sont considérées stables dans le 6S.

- La suie (soot), identique à celle utilisé dans le code 6S. Ce sont les particules très absorbantes vu qu’elles sont constituées de carbone (noir). Le carbone n’étant pas soluble dans l’eau, les propriétés de ces particules ne sont pas liées à l’humidité relative de l’air.

- Deux types d’aérosols « sea salt », selon leur mode de formation, on distingue SSAM pour « sea salt, acc. mode » et SSCM pour « sea salt, coa. mode ».

- Les gouttelettes de sulfates (SULF) présentes dans l’atmosphère arctique.

OPAC propose dix mélanges de particules atmosphériques (table V-1) : continental propre (Cont. prop.), continental moyen (Cont. moy.), continental pollué (Cont. poll.), urbain, désertique, maritime propre (Marit. prop.), maritime pollué (Marit. Poll.), maritime tropical (Marit. trop.), arctique et antarctique. Pour chacune des combinaisons, les propriétés des aérosols sont calculées à l’aide d’une moyenne pondérée par les pourcentages de chaque aérosol dans le mélange.

Tableau V-1. Types d’atmosphères proposés dans le modèle OPAC.

WASO INSO Suie SSAM SSCM MINM MIAM MICM MITR SULF

Cont. prop. 0.591 0.409 0 0 0 0 0 0 0 0 Cont. moy. 0.583 0.396 0.021 0 0 0 0 0 0 0 Cont. poll. 0.658 0.298 0.044 0 0 0 0 0 0 0 Urbain 0.563 0.358 0.079 0 0 0 0 0 0 0 Désertique 0.018 0 0 0 0 0.033 0.747 0.202 0 0 Marit. prop. 0.071 0 0 0.908 0.021 0 0 0 0 0 Marit. poll. 0.16 0 0.006 0.814 0.019 0 0 0 0 0 Marit. trop. 0.058 0 0 0.928 0.014 0 0 0 0 0 Arctique 0.382 0.029 0.044 0.544 0 0 0 0 0 0 Antarctique 0 0 0 0.045 0 0 0 0 0.045 0.91

En comparant les propriétés optiques (EX, SC et ASY) des aérosols de type poussière (INSO et mineral) du modèle OPAC avec l’aérosol « dust » du code 6S (figures V-2 a à c), nous pouvons voir que les propriétés des particules INSO, qui remplacent les particules « dust » dans les types d’atmosphères communs (continental et urbain), possèdent un coefficient d’extinction, un albédo de diffusion et un coefficient d’asymétrie légèrement plus faibles que « dust ». Les courbes de ce dernier se situent entre celles d’INSO et MICM de OPAC. Les

l’humidité relative de l’aire est élevée plus ces coefficients le sont également puisque les particules sont plus grandes (captent plus de photons de par leur section efficace plus grande). Le paramètre d’asymétrie de WASO de OPAC est plus élevée pour les faibles longueurs d’onde et plus faible pour les longueurs d’onde supérieures à 1.5 μm (figure V-2-f). Les aérosols « soot » sont par contre identiques pour les deux modèles (figure V-2 g à i).

(a) (b) (c)

(d) (e) (f)

(g) (h) (i)

Figure V-2. Comparaison entre les propriétés (EX, SC et ASY) des aérosols du modèle OPAC et du code 6S.

Les fonctions de phase INSO de OPAC et « dust » du code 6S (figure V-3-a) sont assez proches et très directionnelles pour toutes les longueurs d’onde représentées (entre 0.4 et 3 μm). Les courbes de fonctions de phase des aérosols WASO du 6S se trouvent entre celles de OPAC pour les pourcentages d’humidité allant de 0% à 90% sauf pour les longueurs d’onde supérieures à 1.5 μm où les fonctions de phase du WASO du 6S sont plus accentuées vers

l’avant (figure V-3-b). Pour la suie, les fonctions de phase sont presque identiques pour les deux modèles, avec beaucoup de rétrodiffusion aux longueurs d’onde élevées (figure V-3-c).

Figure V-3-a. Fonctions de phase relatives ph/max(ph) des aérosols de type poussière « dust » du 6S et

MINM, MIAM, MICM MITR et INSO de OPAC.

Figure V-3-b. Fonctions de phase des aérosols solubles dans l’eau « WATE » de 6S et « WASO » de OPAC à différents taux d’humudité relative de l’air.

Figure V-3-c. Fonctions de phase des aérosols de type suie (soot) pour les modèles OPAC et 6S.

V-1-2 Adaptation des paramètres de aérosols de OPAC au code 6S

Les propriétés des aérosols (EX, SC et ASY) du modèle OPAC ne sont pas définies aux mêmes longueurs d’onde que celles du code 6S. Dans OPAC, 61 longueurs d’onde sont utilisées dont 17 se situent entre 0.4 et 3.0 μm (0.4, 0.45, 0.5, 0.55, 0.6, 0.65, 0.7, 0.75, 0.8, 0.9, 1.0, 1.25, 1.5, 1.75, 2.0, 2.5, 3.0). Dans le même intervalle, les longueurs d’onde considérées dans le code 6S sont au nombre de 10 (0.4, 0.488, 0.515 ,0.55, 0.633, 0.694, 0.86, 1.536 ,2.25, 3.0). Il a été alors nécessaire de calculer par interpolation les propriétés des aérosols de OPAC dans les longueurs d’onde de référence du code 6S (figure V-4). Le même problème se pose pour les fonctions de phase : les angles de définition ne sont pas les mêmes. Dans OPAC, 112 angles entre –π et π sont considérés alors le code 6S divise le cercle en 83 angles. Nous avons ainsi choisi parmi les 112 angles de OPAC ceux qui sont les plus proches des 83 angles du 6S et nous avons effectué des interpolations pour les longueurs d’onde (figure V-5 et V-6). Notons que seuls les aérosols de type INSO et WASO ont été intégrés dans le code 6S. L’aérosol « soot » de OPAC est identique à celui du 6S et les autres aérosols du 6S (mineral, SULF et sea salt) ne sont pas compris dans les atmosphères usuelles de type continental et urbain.

Figure V-4. Interpolation des propriétés (EX, SC et ASY) des aérosols INSO et WASO de OPAC aux longueurs d’onde du code 6S.

Figure V-5. Interpolation des fonctions de phase (PH) des aérosols INSO et WASO de OPAC aux longueurs d’onde du code 6S. Illustration pour des angles de phase (ang) entre 0 et 180º.

V-1-3 Calcul des profils d’humidité relative

L’utilisation de l’aérosol WASO de OPAC nécessite la connaissance de l’humidité relative de l’air dans la couche d’atmosphère où les propriétés de diffusion et d’absorption des aérosols sont calculées. Ainsi, le profil de l’humidité relative est reconstitué en utilisant la formule de Leckner (1978) (équations 14-a et b) rappelée ici :

a s r T P H w=0.493

où w est le contenu en vapeur d’eau, Hrest l’humidité relative (en fraction de 1), Ta est la température en Kelvin, et Ps la pression partielle de la vapeur d’eau dans l’air saturé donnée par l’équation semi empirique suivante :

⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = a s T P exp 26.23 5416

Les profils du contenu en vapeur d’eau dans l’atmosphère w (g/cm2) et celui de la température Ta sont connus (donnés dans le modèle MIDSUM), le profil de l’humidité relative H_r est calculé par l’équation :

s a r P T w H 493 . 0 = (15)

Le calcul des paramètres des aérosols de type « water soluble » pour les valeurs d’humidité relative calculées à différentes hauteurs est réalisé à l’aide d’une simple interpolation linéaire.

La figure V-7 illustre les profils de pression, température, contenu en vapeur d’eau et d’humidité relative dans une atmosphère de type MIDSUM (mid-latitude summer).

Figure V-7. Profil de pression, température, contenu en vapeur, pression partielle de saturation pour la vapeur d’eau et d’humidité relative pour une atmosphère de type « MIDSUM » (mid-latitude summer).

V-1-4 Calcul des paramètres atmosphériques pour les aérosols des modèles OPAC et 6S

Les paramètres atmosphériques d’une atmosphère de type « urbain » contenant 56.3% d’aérosols de type « Water Soluble » sont affectés par l’humidité de l’air. Les molécules d’eau gonflent les particules d’aérosols et les propriétés de diffusion ( ↓

diff t , ↑

diff

t , ρatm, Salb) sont plus élevées pour les valeurs plus élevées de l’humidité relative et ce pour la même valeur de l’AOD (tableau V-2).

71 Tableau V-2. Exemple de calcul des paramètres atmosphériques qui dépendent de l’AOD avec le modèle d’aérosols du code 6S et celui de OPAC pour une atmosphère de type « urbain ». Calculs pour 3valeurs AOD (ciel clair : 0.05, ciel moyen : 0.2 et ciel brumeux : 0.4) et deux valeurs de Hr (faible :50% et élevée 90%). Les autres paramètres sont fixés à : mois : 06, jour : 30, heure : 15.5 TU, H : 100 m, lieu : 45°N / 73°O et

capteur : ETM+.

AOD550=0.05 AOD550=0.2 AOD550=0.4

OPAC OPAC OPAC 6S Hr=50% Hr=90% 6S Hr=50% Hr=90% 6S Hr=50% Hr=90% t↓ dir 0.7270 0.6936 0.7988 0.5109 0.7729 0.7638 0.3193 0.7339 0.7236 t↓ diff 0.1222 0.1440 0.0737 0.2485 0.0914 0.0976 0.3181 0.1177 0.1245 t↑ dir 0.7545 0.7238 0.8199 0.5525 0.7964 0.7882 0.3647 0.7608 0.7514 t↑ diff 0.1123 0.1329 0.0671 0.2358 0.0835 0.0892 0.3140 0.1080 0.1145 Bande bleue ρatm 0.0727 0.0752 0.0685 0.0837 0.0708 0.0715 0.1182 0.0722 0.0729 t↓ dir 0.8099 0.7763 0.8815 0.5894 0.8558 0.8467 0.3859 0.8168 0.8065 t↓ diff 0.1082 0.1325 0.0548 0.2543 0.0742 0.0810 0.3507 0.1032 0.1107 t↑ dir 0.8300 0.7995 0.8946 0.6268 0.8714 0.8633 0.4311 0.8363 0.8269 t↑ diff 0.0982 0.1208 0.0493 0.2375 0.0670 0.0732 0.3389 0.0936 0.1006 Bande verte ρatm 0.0398 0.0418 0.0353 0.0511 0.0370 0.0375 0.0736 0.0393 0.0400 t↓ dir 0.8678 0.8376 0.9316 0.6653 0.9088 0.9007 0.4668 0.8740 0.8648 t↓ diff 0.0861 0.1091 0.0362 0.2299 0.0543 0.0606 0.3398 0.0813 0.0884 t↑ dir 0.8823 0.8551 0.9393 0.6977 0.9190 0.9118 0.5102 0.8878 0.8795 t↑ diff 0.0776 0.0986 0.0324 0.2122 0.0486 0.0543 0.3229 0.0732 0.0797 Bande rouge ρatm 0.0214 0.0230 0.0180 0.0318 0.0193 0.0198 0.0451 0.0211 0.0216 t↓ dir 0.9141 0.8894 0.9657 0.7442 0.9473 0.9408 0.5659 0.9192 0.9116 t↓ diff 0.0613 0.0807 0.0199 0.1877 0.0348 0.0400 0.3017 0.0573 0.0633 t↑ dir 0.9238 0.9016 0.9696 0.7703 0.9533 0.9476 0.6047 0.9282 0.9215 t↑ diff 0.0549 0.0725 0.0177 0.1714 0.0311 0.0357 0.2819 0.0513 0.0567 Bande PIR ρatm 0.0099 0.0110 0.0076 0.0181 0.0084 0.0087 0.0250 0.0097 0.0100