Mesures ACE-FTS

Le traitement opérationnel des spectres ACE-FTS (version 2.2) est effectué à l’Université de Waterloo (Canada). Il fournit les profils verticaux d’environ 30 espèces atmosphériques en utilisant une méthode d’ajustements simultanés de plusieurs micro-fenêtres par moindres carrés avec la procédure de minimisation de Levenberg-Marquardt (Boone et al., 2005). Les profils de concentration en vmr sont donnés sur la grille verticale des observations (altitudes tangentes) ainsi que une grille verticale constante de 1km, en utilisant une procédure d’interpolation quadratique a posteriori.

4.1.1 Description des produits utilisés

La plupart des produits de niveaux 2 ACE-FTS ont récemment été validés. Cet exercice de validation inclut notamment les produits de la version 2.2 (V2.2) de HNO₃, O₃ et NO₂ mais se limitent principalement aux observations stratosphériques (Kerzenmacher et al., 2008; Wolff et al., 2008; Dupuy et al., 2009).

Le produit V2.2 HNO₃ est généré en combinant une série de micro-fenêtres dans les bandes d’absorption 5 et 2 9 (entre environ 865 et 910 cm^-1) et dans la bande 2 (de 1690 à 1730 cm^-1) qui varient avec l’altitude (Fig. 4.1). Les principales espèces qui interfèrent avec HNO3 dans ces régions spectrales incluent H₂O, O₃, N₂O, CH₄, CFC-12 et OCS. Notons que contrairement aux mesures effectuée au nadir (cf chapitre 2, figure 2.5) la structure spectrale rovibrationnelle de HNO3 est ici clairement observée.

Entre environ 18 et 35 km, le produit HNO₃ montre un bon accord avec une série de mesures provenant d’autres instruments (Wolff et al., 2008), avec des différences absolues moyennes entre -20% et 20%. Le sondage des plus basses couches est en revanche difficile en raison de l’opacité de l’atmosphère à ces altitudes et la validation montre des différences de plus de 50% entre 10-15 km. L’analyse des profils que nous avons effectuée révèlent de fortes oscillations avec, dans certains cas, des concentrations particulièrement élevées (Fig. 4.2). Pour ce travail de thèse, un autre produit HNO₃ optimisé pour mesurer un profil jusque dans la troposphère (jusque 6 km dans les meilleurs cas) a été généré par l’Université de Waterloo. Les produits O₃ et NO₂ utilisés dans la suite de ce travail proviennent quant à eux de la version opérationnelle. Le produit NO2 se base sur 21 micro-fenêtres entre 1581 et 1642 cm^-1, et la plus basse altitude sondée est 12km en raison des fortes interférences avec la vapeur d’eau. L’inversion de O₃ dans la V2.2 utilise un ensemble de 27 micro-fenêtres entre 985 et 1128 cm^-1 afin de limiter les interférences avec CFC-12. Le produit V2.2 O₃ troposphérique fait actuellement l’objet d’une validation (Cooper et al., in preparation). Les premiers

résultats qui ciblent la région intertropicale montrent une surestimation de l’ozone par rapport à des mesures sondes, avion ou encore des sorties de modèle avec des biais d’environ 15%. Version optimisée pour le sondage de HNO3 troposphérique

L’amélioration des inversions dans la troposphère a été réalisée en considérant un ensemble modifié de 11 micro-fenêtres uniquement dans les bandes 5 et 2 9. Ces micro-fenêtres sont rassemblées dans la table 6.1. La figure 4.2 fournit un exemple de comparaison entre un profil extrait de la version 2.2 et de cette version optimisée. Il met en évidence un bon accord entre les profils au-dessus de 20 km mais présente une large surestimation de la V2.2 dans la troposphère. Plus généralement, nous observons qu’à 10 km, environ 20% des occultations présentent plus de 20% de différences entre la version optimisée et la version V2.2 et environ 10% des occultations montrent plus de 50% de différences. Seule la version optimisée est considérée dans ce travail.

Fig. 4.1 - Spectres ACE-FTS d’une séquence d’occultation représentés en transmittance pour différentes altitudes tangentes. Les micro-fenêtres utilisées dans la version 2.2 varient avec l’altitude et sont représentée en gris. En-dessous de 22 km, l’information est principalement extraite des bandes 5

Tab. 4.1 - Micro-fenêtres utilisées dans la version optimisée pour l’inversion de HNO₃ entre 6 et 32 km. Les principales espèces qui interfèrent dans la région d’inversion de HNO₃ sont indiquées.

Fenêtres spectrales (cm^-1) Espèces interférentes HNO₃ 866.05-868.20 869.20-871.10 872.25-874.85 876.0-877.0 879.50-880.30 885.15-886.45 889.15-889.65 901.30-901.80 903.0-903.6 904.85-905.25 907.175-907.525 H₂O; N₂O₅; CFC-12; CFC-11 0 1 2 3 4 10 15 20 25 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 v2.2 reprocessed A lt it u d e [ k m ]

HNO₃ volumne mixing ratio [ppbv] Relative difference [%] ss11607 - 20051008 (-6.85° lat / 39.42° lon)

Fig. 4.2 - A gauche: comparaison d’un profil HNO₃ extrait de la version 2.2 (en noir) et de la version optimisée pour la troposphère (en bleu). A droite: différences relatives (en %) calculées comme [HNO₃ (version optimisée) – HNO₃ (v2.2)] / HNO₃ (v2.2)

4.1.2 Mesures de HO

NO

, N

O

et PAN dans la troposphère

La version 2.2 des produits ACE-FTS inclut les mesures d’HO₂NO₂ et de N₂O₅ dans la stratosphère (Boone et al., 2005; Wolff et al., 2008). Des mesures de PAN ont été observées dans un panache de feux de biomasse (Coheur et al., 2007) mais ne sont jusqu’à présent pas disponibles dans les produits opérationnels.

La restitution des concentrations de ces composés dans la troposphère est relativement difficile en raison de leur faible signature spectrale et des nombreuses espèces qui interférent. Elle peut seulement être réalisée pour des occultations particulières qui présentent de fortes concentrations. L’inversion de ces espèces implique généralement la bande 12 autour de 1240 cm^!1 pour N2O5 (Tsidu et al., 2004; Wolff et al., 2008), la bande 6 à 803 cm^-1 pour HO2NO2 (Stiller et al., 2007) et des microfenêtres, autour soit de 794 cm^-1 (Glatthor et al., 2007), soit de 1160 cm^-1 pour PAN (Coheur et al., 2007; Remedios et al., 2007).

Dans ce travail, nous avons utilisé des fenêtres similaires (Tab. 4.2) pour l’inversion d’un nombre restreint d’occultations, en utilisant Atmosphit (Clerbaux et al., 2005, Coheur et al., 2007), et en considérant l’algorithme de Levenberg-Marquardt dans la méthode des moindres carrés. Les profils de pression et température sont extraits de la version 2.2. Les vmr des différentes espèces qui interférent dans la région d’inversion sont également extraits de la version 2.2 et sont ajustés simultanément à l’espèce cible pour obtenir le plus faible résidu possible. Les sections efficaces de HO2NO2, N2O5 et PAN sont extraites de HITRAN 2004 (Rothman et al., 2005).

Tab. 4.2 - Fenêtres spectrales utilisées pour l’inversion des profils troposphériques de PAN, N2O5 et HO2NO2. Les principales espèces qui interférent dans les régions d’inversion sont également indiquées. Espèces chimiques Fenêtres spectrales (cm^-1) Espèces interférentes

PAN 1140.15–1180.45 H2O; CO2; O3; N2O;

CFC-12; HCFC-22

N2O5 1230 - 1260 H2O; CO2; O3; N2O; CH4

HO2NO2 795-810 H2O;CO2; CFC-12;

4.2 Distributions troposphériques