pendant, en l’absence de mesures effectu´ees aux pressions et temp´eratures rencontr´ees dans la r´egion de l’atmosph`ere sond´ee par la bande `a 2,3 µm (P ∼ 5 – 10 bar, T ∼ 400 – 450 K), la va- leur exacte et plus encore la d´ependance de cette absorption continue avec la longueur d’onde est tr`es mal connue. de Bergh et al. (1995) ont pu, en utilisant des spectres `a haute r´esolution, contraindre la valeur de cette absorption dans la fenˆetre infrarouge ´etudi´ee ici. Suivant leurs r´esultats, nous avons donc adopt´e, sauf mention explicite contraire, une valeur constante sur l’intervalle compris entre 2, 2 et 2, 5 µm ´egale `a 3, 5 · 10−8 cm−1/amagat2. Une telle estima- tion est de surcroˆıt compatible avec les mesures effectu´ees en laboratoire `a haute pression – mais `a temp´erature ambiante uniquement (Tonkov et al., 1996). La m´econnaissance de l’ab- sorption continue de CO2 est sans nul doute une des difficult´es majeures dans l’exploitation des spectres issus des fenˆetres infrarouges, et la n´ecessit´e de nouvelles mesures en laboratoire dans des conditions semblables `a celles recontr´ees sur V´enus est unanimement reconnue par la communaut´e scientifique.
Autres esp`eces gazeuses
Les positions et les intensit´es des raies des autres esp`eces consid´er´ees, `a savoir CO, H2O, HDO, OCS, SO2 et HF, proviennent de la base de donn´ees Geisa97 (Jacquinet-Husson et al., 1999). L’´elargissement dˆu `a CO2 des raies de CO a ´et´e calcul´e selon Hartmann et al. (1988). Une routine fournie de fa¸con informelle par R.H. Tipping nous a servi pour obtenir l’´elargissement analogue de H2O – les mˆemes r´esultats ont ´et´e appliqu´es `a HDO en supposant un rapport D/H d’environ 120 fois la valeur terrestre. Devant l’absence de telles mesures pour SO2 et OCS, les largeurs `a mi-hauteur `a 296 K ont ´et´e prises constantes et ´egales `a 0, 10 et 0, 09 cm−1/atm respectivement, avec un exposant en temp´erature de −0, 83. Enfin, un profil de Voigt a ´et´e utilis´e pour mod´eliser les raies de ces compos´es jusqu’`a une distance de 120 cm−1.
6.2
Mod`ele nominal de l’atmosph`ere V´enusienne
6.2.1 Param`etres physiques
Pression et temp´erature
Hormis la d´etermination des sources d’opacit´e, la connaissance du profil thermique est d´eterminante pour calculer l’´emission nocturne. Compte tenu des contrastes horizontaux re- lativement faibles de temp´erature aux altitudes sond´ees dans les fenˆetres infrarouges, il est raisonnable de ne consid´erer qu’un seul profil thermique et un seul profil de pression, `a savoir ceux cit´es dans Seiff (1983), qui prend en compte les donn´ees des atterisseurs Pioneer et Ve-
nera pour des latitudes comprises entre 0˚et 30˚. Comme les latitudes visibles sur nos spectres
ne s’´etendent pas au-del`a de 50˚, les ´ecarts entre les profils T et P r´eels d’une part, et les profils de r´ef´erence utilis´es d’autre part, restent suffisamment faibles pour ne pas compromettre la qualit´e des simulations.
G´eom´etrie de l’´emission
Les param`etres g´eom´etriques tels que l’angle d’´emission n’ont que peu de signification dans un mod`ele `a deux faisceaux tel que le nˆotre. En particulier, la d´ependance angulaire de l’´emission n’est pas calcul´ee. Heureusement, le processus d’´emission infrarouge ´etudi´e ici n’a qu’une d´ependance angulaire tr`es faible : la principale source d’´emission se situe bien en dessous des nuages, trop froids pour contribuer de fa¸con significative `a 2, 3 µm. Le rˆole de la couche nuageuse est alors surtout diffusif, si bien que la d´ependance angulaire initiale se trouve moyenn´e par les diffusions multiples entre 50 et 65 kilom`etres d’altitude. Enfin au-dessus des nuages, l`a o`u la diffusion redevient un processus marginal, l’atmosph`ere est suffisamment peu dense et les compos´es minoritaires suffisamment rar´efi´es pour que la diff´erence de puissance
58 CHAPITRE 6. DESCRIPTION DU MOD `ELE CO2 CO H2O OCS SO2 HF D/H 96, 5 % 20 (< 22 km) 30 (< 48 km) 16 (< 30 km) 130 (< 48 km) 0, 006 127 ⊕ 30 (42 km) 3 (> 65 km) 0, 5 (37 km) 0, 05 (70 km) 50 (64 km) 0, 005 (64 km) 2 (75 km) 1000 (100 km)
Tab. 6.1 – Composition atmosph´erique nominale utilis´ee par le mod`ele. L’unit´e est la partie par million en volume (ppmv) sauf mention contraire. Les altitudes ou intervalles d’altitude correspondants sont sp´ecifi´es entre parenth`eses.
re¸cue selon l’angle d’´emission n’exc`ede pas une dizaine de pourcents sur l’ensemble de la fenˆetre – ce qui est de l’ordre de grandeur de l’incertitude de notre proc´edure de calibration – et que la distorsion de la forme du spectre soit partout inf´erieure `a quelques pourcents.
6.2.2 Composition atmosph´erique
Forme g´en´erale des profils verticaux
Le caract`ere discret du mod`ele permet d’ajuster les rapports de m´elange des esp`eces choi- sies `a des valeurs diff´erentes pour chacune des 90 couches d’un kilom`etre d’´epaisseur. Cepen- dant, il n’est pas n´ecessaire de sp´ecifier explicitement toutes ces valeurs pour chacune des couches. Le contrˆole des profils verticaux s’effectue en pr´ecisant en entr´ee du programme in- formatique un tableau contenant les rapports de m´elange prescrits `a un niveau de pression donn´e. Ces tableaux peuvent ˆetre de taille variable selon les esp`eces consid´er´ees : une esp`ece dont seule l’abondance moyenne est connue peut ainsi se contenter d’un simple tableau de deux lignes, indiquant le mˆeme rapport de m´elange au sommet et `a la base de l’atmosph`ere.
`
A l’inverse, une esp`ece dont le profil est mieux connu peut se voir sp´ecifier un profil plus d´etaill´e. Entre les « points de contrˆole » ainsi fournis, le programme interpole les rapports de m´elange qi en fonction des pressions Pi aux couches i de fa¸con affine en log qi= α log Pi+ β ; les valeurs de α et de β ne d´ependant que des pressions et rapports de m´elanges aux deux points de contrˆole les plus proches.
Abondances des diff´erentes esp`eces
La composition nominale utilis´ee dans nos simulations est tir´ee des r´esultats obtenus avec ce mˆeme mod`ele par Pollack et al. (1993) sur des spectres `a haute r´esolution obtenus par B´ezard et al. (1990), ainsi que des valeurs recommand´ees dans (Taylor et al., 1997) `a partir de diff´erents vecteurs d’investigation. Le tableau 6.1 r´ecapitule les diff´erentes abondances aux altitudes de contrˆole. On peut ainsi y constater que les profils verticaux de CO et de OCS sont bien connus dans la zone d’altitude sond´ee, y compris leurs gradients verticaux qui sont ap- proximativement oppos´es autour de 36 km, l’abondance en CO croissant avec l’altitude tandis que celle du sulfure de carbonyle d´ecroˆıt. Ceci est expliqu´e par les ´equilibres thermochimiques reliant ces deux esp`eces (Krasnopolsky et Pollack, 1994). Parmi les autres compos´es, des pro- fils rudimentaires pour la vapeur d’eau et le dioxyde de soufre ont ´egalement ´et´e prescrits, reliant de fa¸con simplifi´ee leurs abondances respectives en-dessous et au-dessus des nuages. Notons au passage pour la vapeur d’eau son rapport isotopique notablement diff´erent de l’eau terrestre, environ 127 fois plus ´elev´e (de Bergh et al., 1991). Seuls les rapports de m´elange moyens des autres compos´es optiquement actifs dans la fenˆetre `a 2,3 µm sont pr´ecis´es dans cette composition de r´ef´erence, d´esign´ee dans la suite de ce m´emoire sous le nom de mod`ele
Chapitre 7
Effets simul´es de la variabilit´e
atmosph´erique
Le mod`ele d´ecrit au chapitre pr´ec´edent nous servira `a interpr´eter les spectres observ´es. Cependant, il est essentiel de connaˆıtre au pr´ealable l’effet pr´evisible de variations de la com- position atmosph´erque sur le spectre d’´emission thermique de V´enus avant de pouvoir mettre au point des m´ethodes efficaces destin´ees `a les d´etecter sur les spectres issus des observa- tions. Ce chapitre peut donc se lire comme une familiarisation empirique avec le contenu scientifiquement exploitable de l’information spectrale re¸cue de V´enus dans la fenˆetre `a 2, 3 µm.
7.1
Variation de l’opacit´e nuageuse
7.1.1 Discussion pr´eliminaire
Comme pr´ecis´e en introduction, les contrastes des nuages sup´erieurs d´etectables en lumi`ere visible ou ultra-violette sont bien plus faibles que ceux vus sur les images nocturnes infra- rouges1. La modulation spatiale de l’intensit´e du rayonnement thermique re¸cu est donc le fait de variations de l’´epaisseur optique des nuages inf´erieurs, dont les forts contrastes ´echappaient aux autres moyens d’observations. En effet, comme pr´ecis´e au chapitre pr´ec´edent, le grand nombre de diffusions au sein des nuages conduit `a une absorption significative du rayonne- ment, malgr´e le caract`ere quasi-conservatif d’une diffusion unique par les a´erosols des nuages de V´enus. En outre, le plus grand parcours du rayonnement au sein de l’atmosph`ere du fait de ces diffusions conduit `a une absorption plus importante par les compos´es gazeux pr´esents dans la zone des nuages. Les r´egions connaissant une opacit´e nuageuse plus importante doivent donc apparaˆıtre plus sombres que les autres, et l’absorption par les a´erosols des nuages et les compos´es gazeux pr´esents dans les nuages doit distordre les spectres en question.
7.1.2 R´esultat des simulations
Compte tenu des ces remarques, le param`etre d’ajustement choisi pour prendre en compte les diff´erences d’intensit´e entre les spectres est la profondeur optique de la couche nuageuse
inf´erieure, `a savoir en-dessous de 57 kilom`etres d’altitude. La distribution statistique relative des diff´erents modes des a´erosols au sein de cette couche inf´erieure est par contre laiss´ee inchang´ee. La figure 7.1 montre ainsi deux spectres simul´es diff´erant uniquement par cette profondeur optique. La diminution de la profondeur optique dans une des simulations se traduit par une ´emission plus intense quelle que soit la longueur d’onde, ce qui est conforme `
a nos pr´edictions. 1
Comparer par exemple la figure 2.1 `a la figure 1.1.
60 CHAPITRE 7. EFFETS SIMUL ´ES DE LA VARIABILIT ´E ATMOSPH ´ERIQUE
Fig. 7.1 – `A gauche : spectres simul´es ne diff´erant que par la profondeur optique de la couche
nuageuse inf´erieure (noir : profondeur optique moiti´e de la nominale, rouge : profondeur optique nominale) ; `a droite : rapport des deux spectres pr´ec´edents. Noter l’effet important
sur la puissance re¸cue `a toutes les longueurs d’onde.
Afin de mieux distinguer les effets de la variations d’opacit´e nuageuse sur la forme des spectres (et pas seulement sur la puissance totale), une bonne m´ethode de visualisation – que nous avons amplement utilis´ee par la suite – est d’effectuer le trac´e du rapport d’un spectre par un autre. Le r´esultat d’une telle op´eration sur les deux spectres pr´ec´edents est ´egalement montr´e sur la figure 7.1. Hormis la valeur strictement sup´erieure `a 1 de ce rapport, ce qui ´etait d´ej`a visible sur la figure 7.1, on peut distinguer d’autres ph´enom`enes d´ej`a ´evoqu´es `a la section 7.1.1. Tout d’abord, l’acroissement relatif du rapport jusque vers 2, 46 µm est bien imputable `a l’absorption des goutelettes des nuages, qui sont l´eg`erement plus opaques aux grandes longueurs d’onde. La diff´erence de chemin optique dans la zone nuageuse explique quant `a elle la pr´esence des signatures du monoxyde de carbone et de la vapeur d’eau – entre 2, 35 µm et 2, 45 µm. Toutefois, ces signatures restent d’importance modeste au regard de celles observ´ees lors d’un changement dans les rapports de m´elange `a plus basse altitude (voir section 7.2), car le pic des fonctions de contribution des esp`eces gazeuses se situe `a une quinzaine de kilom`etres sous la base de la couche nuageuse inf´erieure. Enfin, la diminution de ce rapport vers les grandes longueurs d’onde est `a mettre sur le compte de l’opacit´e croissante de CO2 aux grandes longueurs d’onde, ce qui a pour effet de ramener les altitudes sond´ees au sein des r´egions nuageuses si bien qu’un changement d’opacit´e de la couche nuageuse inf´erieure a alors un effet moindre sur l’intensit´e spectrale re¸cue.