Le Néphélomètre Polaire

II.2.2.1. Principe de mesure

Le Néphélomètre Polaire (Gayet et al., 1997) permet de mesurer la section efficace de diffusion volumique d’un ensemble de particules nuageuses, puis de déterminer les propriétés optiques des nuages (coefficient d’extinction, facteur d’asymétrie) afin de caractériser l’interaction entre les hydrométéores et le rayonnement.

Les particules nuageuses échantillonnées sont éclairées au foyer d’un miroir parabolique par un faisceau laser collimaté d’une longueur d’onde de 804 nm (figure II.2) généré par une diode laser d’une puissance de l’ordre de 1 Watt. Le rayonnement diffusé par les particules est ensuite réfléchi par le miroir parabolique jusqu’à une couronne circulaire composée de 56 photodiodes, couvrant ainsi les angles de diffusion de ± 3.49 ° à ± 172.5 °. L’énergie ainsi reçue pour chaque angle de diffusion déterminé par la position des détecteurs, permet de caractériser la fonction de phase des particules se trouvant dans le volume de mesure.

Figure II.2: Principe de mesure du Néphélomètre Polaire aéroporté.

La mesure du Néphélomètre Polaire s’adresse à des gouttelettes d’eau liquide, des cristaux de glace ou bien un mélange des deux (nuage en phase mixte). Les propriétés de la fonction de phase de diffusion dépendent des caractéristiques microphysiques des particules (concentration, diamètre, indice de réfraction), et de la forme de ces particules. Cette propriété

permet la discrimination précise de la phase thermodynamique des particules (gouttelettes d’eau et cristaux de glace). La gamme de mesure va de quelques micromètres à environ 1 mm (en diamètre). Par rapport au FSSP, le NP bénéficie d’un grand volume d’échantillonnage (déterminé par le produit de la surface d’échantillonnage, soit 10 mm de long par 5 mm de diamètre, par la vitesse de l’avion, à une fréquence d’acquisition définie par l’opérateur, soit 10 L pour une vitesse avion de 200 m s^-1 et une fréquence d’acquisition de 1Hz).

II.2.2.2. Détermination des paramètres optiques

Les mesures directes d’indicatrices de diffusion volumique issues du Néphélomètre Polaire permettent de déterminer deux propriétés optiques essentielles pour la caractérisation des particules nuageuses: le coefficient d’extinction σ et le facteur d’asymétrie g.

En faisant l’hypothèse de particules non absorbantes et orientées de façon aléatoire dans le volume de mesure, on peut déterminer le coefficient d’extinction (σ en km^-1) selon les équations suivantes (Auriol, 1998, Gayet et al., 2002) :

∫

∑

π θ θ θ

σ

ext (Equation II.10)

où Q_extⁱ représente l’efficacité d’extinction dans le visible et est égale à 2 dans la gamme de taille considérée (approximation des grandes particules, Van de Hulst, 1981), Ni est la concentration des particules de surface A_i,Ψ(θ) est la section efficace de diffusion volumique mesurée suivant l’angle de diffusion (θ) . L’examen de l’équation (II.10) montre que la détermination du coefficient d’extinction nécessite la connaissance de l’intégralité des indicatrices de diffusion sur les angles de 0 à 180°. Cette contrainte n’est pas assurée par le Néphélomètre Polaire puisqu’aucune mesure n’est réalisée pour les petits angles avants (de 0 à 3.49 °) et arrières (de 172.5 à 180 °). Ainsi, on fait l’hypothèse que l’intégrale de la fonction de phase entre les angles de mesures (~ 4 à 172 °) est proportionnelle à l’intégrale entre 0 et 180 °. L’équation (II.10) peut alors s’écrire :

∫

∑

πα θ θ θ

σ

ext (Equation II.11)

suppose (Gayet et al., 2002) que le coefficient α est identique dans des nuages de glace (cirrus).

Le paramètre d’asymétrie g est déterminé selon la méthode de Gerber et al. (2000) qui

fait l’hypothèse que les composantes de diffraction et de réfraction de la lumière diffusée aux petits angles (θ<15 °) peuvent être séparées.

sca d g σ θ θ θ π ) cos( ) ( cos ) ( 2 1 1

∫

où σ_sca est le coefficient de diffusion (en µm^-1).

g traduit la proportion d’énergie diffusée vers l’avant par rapport à celle diffusée vers

l’arrière. Les valeurs de g sont comprises entre -1 et 1, les valeurs positives caractérisant une diffusion prépondérante vers l’avant. Le facteur d’asymétrie permet de caractériser avec précision la phase thermodynamique (liquide ou glace) du volume échantillonné. Pour les nuages en phase mixte, très fréquemment rencontrés en région Arctique comme on le verra plus loin, le paramètre d’asymétrie sera utilisé pour discriminer les phases liquide et glacée des nuages rencontrés.

II.2.2.3. Précision

Les incertitudes sur les paramètres optiques restitués à partir des mesures du Néphélomètre Polaire sont détaillées dans (Gayet et al., 2002a) et sont respectivement de 25 % et 4 % sur le coefficient d’extinction et sur le paramètre d’asymétrie.

Chapitre III

La sonde CPI:

Traitement des mesures

et détermination du facteur de

réflectivité radar

L’imageur de particules à haute résolution CPI (Cloud Particle Imager) fait l’objet du troisième chapitre de ce travail. Cet instrument, qui fait également partie de la plate-forme aéroportée du LaMP, est le moyen central dans cette thèse pour la détermination in situ du facteur de réflectivité radar. On rappelle par ailleurs que le CPI a été utilisé au cours des trois campagnes de d’observation (ASTAR, POLARCAT et CIRCLE-2), ce qui assure l’homogénéité de nos mesures.

Dans ce chapitre, nous décrirons avec détails les améliorations qui ont été apportées dans le traitement des mesures par rapport aux travaux de la thèse de R. Lefèvre (2007). Il s’agit en particulier de l’évaluation de la méthode de reconnaissance de formes des cristaux de glace, d’une technique d’extrapolation des particules tronquées (i.e. partiellement échantillonnées dans le volume de mesure), et de la méthode de traitement des paramètres microphysiques. Nous présenterons ensuite en détails la méthode que nous avons développée pour déterminer le facteur de réflectivité radar à partir des mesures CPI, et nous discuterons sa

réflectivité radar à partir de mesures in situ. Nous décrirons ensuite la méthode utilisée pour le calcul de la réflectivité à partir des données CPI. Des comparaisons avec les données des sondes de type PMS seront présentées afin d’évaluer notre technique et une estimation des erreurs sera présentée.

III.1. Principe de mesure et méthode de traitement

Le Cloud Particle Imager (Lawson et al 1998, 2001) est une sonde microphysique développée par SPEC (Stratton Park Engineering Company, Incorporation). C’est un imageur à haute résolution de particules nuageuses dont le principe de mesure est le suivant (cf. figure III.1) : deux lasers de détection (Particle Detection System, ou PDS), d’une puissance de 30mW et d’une longueur d’onde de 788 nm, orientés à 45° et 90° par rapport au plan horizontal (PDS45 et PDS90) définissent le volume de détection. Lorsque ces deux capteurs détectent simultanément la présence d’une ou plusieurs particules dans ce volume, un laser imageur, d’une puissance réglable (jusqu’à 80W) et de longueur d’onde 850 nm, est déclenché avec une durée d’impulsion de 25 ns, capturant grâce à une caméra CCD, une image contenant une ou plusieurs particules nuageuses. La résolution de la caméra CCD est de 1024 x 1024 pixels, avec une taille de pixel de 2.3 µm, ce qui permet, en théorie, de capturer les images des particules jusqu’à 2.3 mm. La fréquence maximale d’acquisition du CPI est de 40Hz.