Thèse de doctorat ès sciences de l’ingénieur soutenue par
Jean-Christopher Lambert
A l’Ecole Polytechnique de la Faculté des Sciences appliquées de
l’Université Libre de Bruxelles pour l’obtention du grade de
Docteur en Sciences appliquées
Année académique 2005-2006
Promoteurs : Michel Herman, Réginald Colin et Paul Simon
T T é é l l é é d d é é t t e e c c t t i i o o n n s s p p a a t t i i a a l l e e u u l l t t r r a a v v i i o o l l e e t t t t e e e e t t v v i i s s i i b b l l e e d d e e l l ’ ’ o o z z o o n n e e e e t t d d u u d d i i o o x x y y d d e e d d ’ ’ a a z z o o t t e e
da d an ns s l l’ ’a at tm mo os sp ph hè èr re e g gl lo ob ba al le e
Couverture : Vol en tandem du satellite européen ERS-2 et de son successeur Envisat, dont les spectromètres ultraviolet-visible GOME et SCIAMACHY mesurent depuis 1995 la colonne de l’ozone et du dioxyde d’azote dans l’atmosphère globale
(photomontage à partir d’images réalisées par l’Agence Spatiale Européenne)
Thèse de doctorat ès sciences de l’ingénieur soutenue par
Jean-Christopher Lambert
A l’Ecole Polytechnique de la Faculté des Sciences appliquées de
l’Université Libre de Bruxelles pour l’obtention du grade de
Docteur en Sciences appliquées _______
Télédétection spatiale ultraviolette et visible de l’ozone et du dioxyde d’azote
dans l’atmosphère globale
_______
Année académique 2005-2006
Promoteurs : Michel Herman, Réginald Colin et Paul Simon Jury: Michael Tolley, Michel Carleer, Michel Godefroid, Michel Herman,
Jean-Pierre Pommereau, Paul Simon et Michel Van Roozendael
Institut d’Aéronomie Spatiale de Belgique Chemistry and Physics of Atmospheres Avenue Circulaire 3 • B-1180 Bruxelles Tél. +32-2-373.04.04 • Fax +32-2-374.84.23
http://www.aeronomie.be
Université Libre de Bruxelles
Faculté des Sciences appliquées/Ecole Polytechnique • CP 165/01 Avenue Franklin Delano Roosevelt 50 • B-1050 Bruxelles
Tél. +32-2-650.28.51 • Fax +32-2-650.27.81 http://www.ulb.ac.be/facs/polytech/
Service de Chimie quantique et Photophysique • CP 160/09 Tel. +32-2-650.24.15 • Fax +32-2-650.42.32
http://www.ulb.ac.be/cpm/
Remerciements
Les travaux rapportés dans ce manuscrit ont été entrepris à l’Institut d’Aéronomie Spatiale de Belgique (IASB), établissement scientifique sous tutelle du Service fédéral de programmation de la Politique scientifique, en collaboration avec le Service de Chimie quantique et de Photophysique (CPM) de l’Université libre de Bruxelles (ULB). J’exprime toute ma reconnaissance aux promoteurs de cette thèse, les Professeurs Paul Simon, Directeur honoraire de l’IASB, Réginald Colin, Directeur du CPM jusqu’en 2003, et Michel Herman, Directeur du CPM depuis 2003, pour leur soutien, leur confiance et leur bienveillance. Je remercie également MM. Michael Tolley et Michel Godefroid, Professeurs à l’Ecole Polytechnique de l’ULB, Michel Carleer, Chargé de cours en Faculté des Sciences à l’ULB, Michel Van Roozendael, Chef de travaux à l’IASB, et Jean-Pierre Pommereau, Directeur de recherche au CNRS, qui ont accepté de juger ce travail.
Depuis le début de cette entreprise, trois personnalités ne m’ont jamais ménagé ni leurs critiques, ni leurs suggestions, ni leur temps : il s’agit de Michel Van Roozendael, Paul Simon et Jean-Pierre Pommereau. Le regard sceptique, parfois déstabilisant, mais souvent passionné qu’ils posent sur tout nouveau résultat ou toute nouvelle idée, a certainement contribué au développement des méthodes consignées. Les discussions animées que j’ai eues avec eux ont été pour moi source d’enrichissement personnel et d’encouragement. Je garde aussi le meilleur souvenir de nos innombrables missions sous les latitudes et climats les plus variés.
José Granville et Pierre Gerard ont été associés au traitement et au dépouillement de quantités colossales de données informatisées et à la production de milliers de graphiques. Nul doute que sans leur contribution appuyée, qui ne laisse pas d’évoquer les douze travaux d’Hercule, sans leur amitié, et sans leur humour réputé au-delà des frontières du plat pays, ce travail n’aurait pas été mené dans les mêmes conditions.
Travailler avec les observations et simulations réalisées par d’autres que soi est une aventure pour le moins inconfortable, a fortiori lorsqu’on entreprend de coupler des données relevant de domaines aussi radicalement différents que la télédétection et la modélisation, la troposphère et la stratosphère. C’est pourquoi j’adresse de vifs remerciements à Jean-François Müller, Dominique Fonteyn et François Hendrick pour m’avoir fait profiter de leur expertise et de leurs données en modélisation l’atmosphère. En ce qui concerne la télédétection atmosphérique, je suis particulièrement reconnaissant envers Martine De Mazière, Florence Goutail, Paul Johnston, Andreas Richter, Howard Roscoe, PK Bhartia et Jim Russell, dont j’ai pu apprécier à maintes reprises le savoir et le savoir-faire. Les diverses discussions que j’ai eues avec Trisnanto Soebijanta et Coralie De Clercq ont nourri de précieuses remises en question l’élaboration du chapitre 4 sur les techniques d’intégration et de diagnostic.
Je tiens enfin à saluer certains de mes confrères du NDSC et des équipes GOME et SCIAMACHY pour l’enthousiasme ardent, la curiosité de tout et l’esprit de franche collaboration qui les animent.
Le développement des méthodes présentées dans ce manuscrit a été financé conjointement par le Service fédéral de programmation de la Politique scientifique1/Recherches et applications spatiales (BELSPO) et par l’Agence Spatiale Européenne (ESA) dans le cadre des programmes PRODEX GOME, Pré-ENVISAT et CINAMON. Certaines activités liées directement au développement du processeur GDP ont été commanditées par l’ESRIN2. Les travaux sur la distribution et la variabilité du dioxyde d’azote ont été financés par BELSPO dans le cadre des Projets de Recherche Pluriannuels en Réponse à l’Action 1 de l’Arrêté Ministériel MO/35/006 (2000-2004). La recherche liée au NDSC a bénéficié principalement du soutien de la Commission Européenne lors des campagnes européennes SESAME, THESEO, EURO-SOLVE et VINTERSOL. Les activités associant la Russie et le Kirghizstan ont été renforcées par des projets cofinancés par l’INTAS3, l’ESA et le CNES4.
Jean-Christopher Lambert Uccle, le 6 décembre 2005
1 Anciennement les Services du Premier Ministre – Affaires scientifiques, techniques et culturelles (SSTC)
2 ESA/European Space Research Institute
3 International Association for the Promotion of Co-operation with Scientists from the New Independent States (NIS) of the Former Soviet Union
4 Centre National d’Etudes Spatiales
Résumé
Mis sur orbite en avril 1995 par l’Agence Spatiale Européenne, l’instrument Global Ozone Monitoring Experiment (GOME) est le précurseur d’une nouvelle génération de satellites dédiés à la mesure globale de la composition atmosphérique. Ce spectromètre hyperspectral mesure, entre 240 et 790 nm, à la résolution de 0,2-0,4 nm, la radiance diffusée par l’atmosphère et réfléchie par la surface terrestre et les nuages au nadir du satellite. La technique de spectroscopie d’absorption optique différentielle (DOAS) permet d’en inverser la concentration columnaire de l’ozone et du dioxyde d’azote atmosphériques.
Les travaux décrits dans cette thèse portent d’une part sur la caractérisation du contenu en information géophysique accessible par ce type de sondage atmosphérique, et d’autre part sur la mise au point des méthodes et algorithmes d’inversion propres à la mission GOME.
Au cours des premiers chapitres, nous établissons les propriétés pluridimensionnelles de lissage et d’échantillonnage du champ atmosphérique associées à l’observation du rayonnement diffusé. Nous explorons ensuite les problèmes posés par le cycle diurne des oxydes d’azote, ainsi que l’effet des gradients atmosphériques interférant avec le chemin optique. Nous analysons enfin les capacités des réseaux de télédétection de l’Organisation Mondiale Météorologique (OMM) pour le diagnostic des algorithmes et données des systèmes satellitaires.
Deux chapitres sont ensuite consacrés à la mise au point des méthodes et algorithmes d’inversion DOAS pour le processeur GDP, qui traite de manière opérationnelle les données radiométriques acquises par GOME. Nous abordons successivement le problème de la dépendance en température des sections efficaces d’absorption, l’évaluation du facteur d’amplification géométrique du chemin optique, l’estimation de la colonne fantôme masquée par les nuages, les effets de l’anomalie sud-atlantique des ceintures de radiation, et l’incidence du dioxyde d’azote troposphérique. Suit un diagnostic systématique de la mise au point du processeur GDP sur base des données globales fournies par les réseaux de l’OMM.
Le dernier chapitre décrit la construction de la première climatologie globale du dioxyde d’azote stratosphérique et de ses variations harmoniques. Développée pour nos études du facteur d’amplification géométrique, cette climatologie composite est issue de l’analyse conjointe des jeux de données complémentaires acquis par différents satellites, par des réseaux au sol et par des ballons stratosphériques.
