Observations spatiales

De nombreuses études utilisant des indices du contenu atmosphérique en aérosols dérivés des observations spatiales passives (comme l’Aerosol Index (AI) d’OMI (Torres et al., 1998)) ont permit la détermination des principales zones sources d’émissions d’aérosols désertiques (Brooks et Legrand, 2000; Prospero et al., 2002; Washington et al., 2003). Plus récemment, les observations de SEVIRI/MSG dans l’infrarouge ont permis d’établir une nouvelle carte d’activation des zones sources d’aérosols désertiques en Afrique de l’Ouest (Schepanski et al., 2007). Koren et Kaufman, [2004] utilisent l’imagerie MODIS pour déterminer les vitesses de déplacement des panaches de poussières désertiques durant leur transport transatlantique. Les données satellitaires issues de ces trois instruments seront utilisées dans le cadre de notre étude, en voici une brève description.

3.2.1 OMI

Les AI (Aerosol Index) dérivés des observations passives dans l’UV issues d’OMI (Ozone Monitoring Instrument) embarqué sur le satellite Aura, sont calculés à partir de l’atténuation spectrale de la diffusion de Rayleigh due à l’absorption des aérosols. Les valeurs positives de cet indice correspondent généralement aux aérosols absorbant dans l’UV (comme l’aérosol minéral, ou l’aérosol carboné). Les valeurs négatives correspondent aux aérosols non absorbant dans l’UV (comme l’aérosol sulfaté).

Ces données présentent l’avantage de fournir des données journalières et d’avoir une bonne couverture spatiale. Cependant, elles présentent certaines limites pour l’étude des aérosols désertiques. Tout d’abord elles correspondent à la contribution des différents types d’aérosols absorbants qui sont présents dans l’atmosphère. De plus, elles dépendent de l’altitude à laquelle se trouvent les aérosols en d’autre terme le signal change avec l’altitude du panache pour un même contenu en aérosols (Chiapello et al., 1999; Hsu et al., 1999, Laurent, 2005). On utilisera des observations OMI dans le chapitre 4 dans le cadre de notre étude sur les soulèvements des aérosols désertiques dans la région de Bodélé.

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3.2.2 SEVIRI

En Aout 2002, un nouvel instrument est devenu disponible pour l’étude des aérosols désertiques, il s’agit de l’instrument SEVIRI (Spinning Enhanced Visible and Infra Red Imager, Schmetz et al., 2002) embarqué sur le satellite géostationnaire METEOSAT (MSG1 et MSG2 depuis Décembre 2005) positionné à 3.5°W au dessus de l’équateur. SEVIRI est doté de 12 canaux répartis entre les longueurs d’ondes visibles et infrarouges, il fournit une résolution spatiale de 1km (au mieux) et temporelle d’une image toutes les 15 minutes. Les aérosols désertiques sont détectés par MSG-SEVIRI jour et nuit par imagerie IR. Les produits de détection des aérosols désertiques fournis par EUMETSAT (www.eumetsat.int) à partir des images acquises par SEVIRI, sont des composites basés sur le calcul de la différence de la température de brillance (Brightness Temperature Differences, BTD) dans les bandes spectrales 12.0 µm-10.8 µm et 10.8 µm-8.7 µm (Ackerman, 1997; Sokolik, 2002 ;

Chaboureau et al., 2007). En effet, la présence des aérosols désertiques dans l’atmosphère

diminue la BTD dans les bandes (10.8, 12.0) et (8.7, 10.8) en comparaison avec des conditions de ciel clair (Ackerman, 1997; Sokolik, 2002). Ces observations offrent l’avantage d’une bonne couverture spatiale de l’Afrique et d’une résolution temporelle très fine. Elles seront déployées pour la visualisation des soulèvements d’aérosols liés au front de mousson discutés dans le chapitre 5.

3.2.3 MODIS

L’instrument MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) embarqué sur les deux satellites Aqua et Terra acquit les données dans 36 bandes spectrales. Le satellite Terra orbite autour de la Terre du nord au sud en passant au dessus de l’équateur dans la matinée alors que Aqua passe au dessus de l’équateur dans l’après midi. Ceci permet une couverture complète du globe à peu près tous les 2 jours. Les données satellitaires MODIS à haute résolution dans le visible contribuent, mais de façon plus qualitative, à la détermination des zones d’émission et à la visualisation des panaches d’aérosols désertiques même si l’imagerie visible est surtout efficace pour l’étude des aérosols au dessus des surfaces foncées i.e. l’océan. On utilisera des observations MODIS dans le chapitre 4 dans le cadre de notre étude sur les soulèvements des aérosols désertiques dans la région de Bodélé.

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Les produits satellitaires offrent donc aujourd’hui de nouveaux moyens permettant une étude qualitative et quantitative de la variabilité spatiale et temporelle des émissions d’aérosols. Cependant, l’accès à la distribution verticale des aérosols dans l’atmosphère depuis l’espace n’a pas été possible avant l’arrivée des instruments spatiaux à base de lidar avec notamment la mission spatiale LITE (Lidar In-space Technology Experiment, Winker et al., 1996) en 1994, l’instrument GLAS (Geoscience Laser Altimeter System, Schutz, 1998) en 2003 et plus récemment la mission CALIPSO (Cloud Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations, Winker et al., 2003, 2007) lancée en 2006 fruit d’une collaboration entre le CNES et la NASA.

3.2.4 CALIPSO

CALIPSO fait partie de la constellation de satellites du train spatial A-train [Stephens et al., 2002], le premier observatoire franco-américain en orbite dédié à l'observation des nuages, des aérosols et du cycle de l'eau.

Le satellite CALIPSO embarque:

1) Un instrument Lidar à rétrodiffusion CALIOP (Cloud-Aerosol LIdar with Orthogonal Polarization) taillé pour détecter les aérosols et les fins nuages type cirrus. CALIOP a été conçu pour acquérir des profils verticaux, à 30m de résolution, des deux composantes orthogonales qui résultent de la dépolarisation d’un signal laser à 532 nm rétrodiffusé et des profils verticaux d’un signal laser total à 1064 nm rétrodiffusé au nadir. Chaque relevé du Lidar permet d'obtenir un profil de 90 mètres de large. En rassemblant les clichés pris au cours d'une orbite, on obtient une « tranche » de l'atmosphère.

Les profils CALIOP à 532 nm couvrent la couche de l’atmosphère située entre 2km et 40 km d’altitude, ceux à 1064 nm couvre la tranche de l’atmosphère située entre 2 km et 30 km. La résolution verticale et horizontale varie par tranches d’altitudes. Ainsi, les plus fines résolutions sont employées dans les basses couches de l’atmosphère là où généralement les aérosols et les nuages sont présents et ont une plus large variabilité spatiale. Plus précisément, les mesures à 532 nm ont une résolution de 30 m verticalement et de 1/3 km horizontalement entre 0.5 km à 8.2 km d’altitude. Elles passent respectivement à 60 m et 1 km entre 8.2 km et 20.2 km. Pour les altitudes comprises entre 20.2 km et 30.1 km les résolutions sont de 180 m

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et 5/3 km, respectivement. Au-delà de 30.1 km la résolution est réduite à 300 m verticalement et 5 km sur horizontalement.

2) Un radiomètre imageur (Infrared Imager Radiometer, IIR) à 3 canaux dans l'infrarouge thermique à 8.65 µm, 10.6 µm et 12.05 µm. Il fournit le contexte de la mesure lidar de nuit. Utilisé en synergie avec le lidar il permet de restituer les caractéristiques microphysiques des nuages.

3) Un imageur monocanal (Wide Field of view Camera, WFC) à 645nm destiné à fournir, de jour, le contexte de la mesure lidar.

Les observations CALIPSO seront utilisées pour visualiser la structure verticale des panaches d’aérosols dans la région de l’ITD (cf. Chapitre 6). Une exploitation plus profonde des observations CALIPSO est envisagée durant mon Postdoc CNES en 2009.