LERMA UMR8112

Laboratoire d’Études du Rayonnement et de la Matière en Astrophysique et Atmosphères



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Groupe Télédétection

publié le , mis à jour le

La composante ’Télédétection de la Terre et des planètes’ au LERMA est centrée sur la radiométrie micro-onde par satellites. Différents aspects sont couverts, de l’analyse d’observations satellites au développement de méthodes d’inversion, en passant par la modélisation du transfert radiatif.

Un Groupement de Recherche a été créé en 2008 : « Radiométrie micro-ondes pour l’étude de l’atmosphère » ( http://aramis.obspm.fr/ GDR / RDA / home.html ) . Il est dirigé par notre groupe. Il renforce les liens entre les laboratoires français impliqués en télédétection microonde de l’atmosphère terrestre. Ce GdR a des connexions en Europe et aux États-Unis et il organise des tables rondes ou ateliers annuels.

Nous explorons deux domaines de recherche : l’ analyse des atmosphères claires et nuageuses et la caractérisation des surfaces terrestres et planétaires. L’objectif est d’abord de comprendre la physique de la mesure radiométrique pour ensuite estimer avec précision des informations atmosphériques et de surface à partir de satellites. La complexité des problèmes à résoudre nous a conduit à développer des méthodologies qui combinent l’analyse des observations satellites à différentes longueurs d’onde avec des résultats de modèles et des mesures in situ. La Terre est notre principal sujet d’étude, mais nous sommes également impliqués dans l’analyse d’autres objets du système solaire (par exemple Titan et les comètes), en utilisant des techniques et des méthodes d’observations similaires. Un transfert de savoir-faire a été effectué entre le CNRS et une start-up issue de ce groupe (voir Estellus http://www.estellus.fr/ ). Une partie des aspects opérationnels de notre activité est désormais effectuée par Estellus.

Malgré la main-d’oeuvre limitée, la composante ’Télédétection de la Terre et des planètes’ au LERMA bénéficie d’une reconnaissance internationale avec une forte collaboration avec de nombreux laboratoires en France (LMD, LEGOS, CESBIO, LA..) en Europe (l’Université de Kiruna, de Cologne, le UK Met Office...) et aux États-Unis (NASA / GISS, Columbia University, AER... ) et la participation active dans des comités internationaux (GEWEX, ITOVS).

I - Analyse des atmosphères terrestres claires, nuageuses et pluvieuses.

Par rapport aux observations visibles et infrarouges, les micro-ondes sont moins sensibles aux nuages et dans une certaine mesure les micro-ondes peuvent sonder à travers les nuages. Des observations micro-ondes jusqu’à 190 GHz sont maintenant disponibles depuis les satellites opérationnel pour la météorologie pour fournir des profils de température et de vapeur d’ eau, même par temps nuageux. Leur utilisation est encore limitée au-dessus des surfaces continentales, en raison de la contamination du signal par le rayonnement de surface. Grâce à notre estimation des émissivités microondes de la surface de la terre à l’échelle du globe (voir l’activité sur les surface terrestres), nous avons développé des méthodes d’inversion des profils atmosphériques par microondes au dessus des continents. Un exemple est l’algorithme pour l’instrument Saphir à bord de la mission franco-indienne Megha-Tropiques (Aires et al, QJRST , 2012 ; Bernardo et al, QJRMS, 2012 ). Notre estimation des émissivités microondes est aussi adoptée pour l’estimation des précipitation sur les continents, pour GPM (Global Precipitation Mission). Ces travaux ouvrent la voie à l’utilisation de observations à micro-ondes au-dessus des continents dans les centres de prévisions météorologiques opérationnelles.

La synergie des observations visibles, infrarouges et micro-ondes a aussi été rigoureusement quantifiée pour la récupération de la température et les profils d’humidité sur l’océan ( Aires et al . , JGR , 2012) . Ce travail a montré l’impact des microondes, même en ciel clair, au dessus des mer et des terres (Paul et al, JGR , 2012) .

En ce qui concerne les atmosphères nuageuses, nous nous sommes concentrés ces dernières années sur l’analyse de la phase glace dans les nuages et sur sa quantification. L’impact des nuages de glace sur le bilan energétique global est encore mal connu, avec des ordres de grandeurs de différences entre un modèle et un autre et les estimations satellites sont aussi très variables. Pour réduire ces incertitudes, des observations en millimètrique et sub-millimétrique ont été suggérés. Aujourd’hui, ces mesures ne sont pas disponibles et notre équipe a activement contribué à montrer le potentiel des observations millimètriques et sub-millimétriques depuis les satellites.
Tout d’abord, nous avons analysé la sensibilité de cette gamme de longueur d’onde à la phase de glace des nuages en utilisant des modèles de transfert radiatif (ATM, ARTS) couplé avec des simulations réalistes de nuages méso-échelle (Méso-NH, WRF). Les algorithmesd’inversion de la glace et des précipitations ont été développés sur la base de ces simulations et ont prouvé l’intérêt de cette gamme de fréquence (Meirold-Mautner et al, JAS, 2007 ; Mech et al, IEEE TGRS, 2007 ; Chaboureau et al, JAMC, 2007 ; Defer et al, JGR, 2008). Récemment, EUMETSAT a décidé que la prochaine génération de satellite météorologique européen (MetOp-SG) emporterait un instrument millimétrique- submillimétrique (Ice Cloud Imager). Pour préparer l’exploitation de cette gamme de longueur d’onde, l’ESA soutient le développement d’un démonstrateur aéroporté. ISMAR (International Sous- Millimètre Airborne Radiometer ) est actuellement en construction au Royaume-Uni pour être embarqué sur l’avion du UK Met Office (Charlton et al, 2009).
D’autre part, nous travaillons sur des simulations réalistes de transfert radiatif, à partir de sorties de modèles méso-échelles, avec pour objectif de quantifier les chutes de neige, une variable qui est encore très difficile à mesurer à partir du satellite .
Nous avons démontré dans le passé, le lien entre les observations microondes des nuages convectifs et la présence d’électricité atmosphérique.
Nous avons participé à l’analyse d’observations au sol et satellites de l’électricité atmosphérique. Notre groupe travaille à la stratégie de validation de l’instrument Foudre Imager ( LI ) qui sera à bord de Météosat Troisième Génération (MTG ).


Fig01. Titre

II - Caractérisation multi-satellites des surfaces continentales.

Notre activité sur les surfaces continentales est d’abord basée sur la radiométrie micro-onde.

Nous avons estimé les émissivités micro-ondes des surfaces continentales directement à partir des observations satellitaires, avec l’aide de données auxiliaires pour éliminer la contribution de l’atmosphère et la modulation par la température de la surface. Des atlas micro-ondes d’émissivité ont été produits, en mensuelle, sur plus de 15 ans. Ils sont distribués à la communauté et utilisés dans un grand nombre d’institutions internationales. Une paramétrisation des émissivités des surfaces continentales (TELSEM pour Tools to Estimate Land Surface Emissivity in Microwaves) est basé sur ces données et ce code est désormais distribué avec le modèle européen communautaire de transfert radiatif ( RTTOV ) ( Prigent et al , IEEE 2008 ; Aires et al, QJRMS, 2011). Une fois ces émissivités calculées, elles peuvent être utilisées pour une grande variété d’ applications. Tout d’abord, par inversion des observations micro-ondes sur la terre, les températures de surfaces peuvent être estimés, quelle que soit la couverture nuageuse. Une base de données de ces températures ’tous temp’ a été produite et évaluée (Catherinot et al, JGR, 2011) . Elle complète les observations infrarouges qui sont bloquées par les nuages.

Enfin , ces émissivité sont sensibles à une large gamme de propriétés de surface (humidité du sol, étendues d’eau, végétation, neige ... ) , et en conséquence, elles peuvent fournir des informations sur ces paramètres, en étant potentiellement associées à d’autres observations par satellite de sensibilités complémentaires. Nous avons développé des méthodes pour tirer profit de la synergie entre les différentes observations satellites et les avons appliquées à l’estimation de diverses propriétés de surface. Nous avons produit une estimation globale des étendues des zones humides pour les 15 dernières années.

L’analyse de cet ensemble de données montre que l’étendue des zones humides a diminué et la pression de la population sur ces zones sensibles a été mise en évidence ( Papa et al , JGR , 2010 ; Prigent et al, GRL, 2012) . Cette base de données a été distribuée à plus de 40 institutions dans le monde entier. Les zones humides sont une source importante de méthane dans l’atmosphère, un très puissant gaz effet de serre et notre jeu de données est une information unique pour la modélisation des émissions de méthane (par exemple, Ringeval et al, GBC, 2010 ; Petrescu et al, GBC, 2010 ; Hodson et al, GRL, 2011) . Il contribue également à évaluer la modélisation hydrologique (Decharme et al, JGR, 2008 ; JC, 2011) , ou est utilisé pour l’estimation de stockage de l’eau de la rivière ( Frappart et al, JGR, 2008 ; HESS, 2010).

En utilisant une combinaison d’observations satellitaires et des sorties de modèle de surface, les flux latents et sensibles la terre ont été estimés (Jimenez et al, JGR, 2010). Notre groupeco-dirige l’activité GEWEX LandFlux ( Jimenez et al, JGR, 2011 ; Mueller et al, GRL, 2012) . Nous avons également produit des estimations d’humidité du sol à l’échelle du globe, en combinant des observations satellite (micro-ondes passives et actives et infrarouge thermique).


Fig02. Titre

Le lancement de la mission SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity), un interféromètre à 1,4 GHz , offre à la communauté les premières observations directement consacrées à l’humidité du sol. Notre groupe analyse ces données et les combine avec les autres observations satellitaires disponibles pour améliorer la caractérisation hydrologique des surfaces. Nous participons également à la mission NASA/CNES SWOT (Surface Water and Ocean Topography) et nous nous investissons dans la préparation de l’analyse de ces observations, grâce à l’expertise que nous avons acquis dans la caractérisation des zones humides.

Notre expertise générale sur l’inversion des paramètres de surface à partir d’observations multi-satellite a également conduit à de fructueuses collaborations avec des océanographes, pour l’estimation de la vitesse des vent océaniques (Quilfen et al.
JGR, 2007) ou celle des températures de surface océanique (Prigent et al., JGR, 2012).

III - Analyse des observations planétaires.

La mission Cassini est en orbite autour de Saturne depuis 2004, et survole Titan toutes les 3 semaines.
L’analyse de la surface de Titan combine des observations micro-ondes actives et passives. La présence de dunes sur Titan a été mise en évidence, avec une distribution liée à la latitude et à l’altitude du terrain (Le Gall et al, Icare, 2012). De jeunes cratères, des lacs et des mers d’éthane et de méthane liquide ont également été découverts. Leurs comportements sont en cours d’explication. Ces études sont réalisées en collaboration avec JPL , l’Observatoire de Bordeaux Observatoire, Paris VII et l’IPGP .
La mission Rosetta de l’ESA effectuera pour la première fois une étude très détaillée des comètes. Pour préparer à l’analyse de ces observations, des mesures des propriétés diélectriques de matériaux granulaires poreux et des météorites ont été effectuées au laboratoire, sur une large gamme de fréquences englobant celles de MIRO et CONSERT, deux instruments à bord de Rosetta.

Séminaires à venir

Vendredi 21 décembre 2018, 14h00
Salle de l'atelier, Paris
Astrochemistry in star forming regions : new modeling approaches
Emeric BRON
LERMA
résumé :
Star-forming regions present rich infrared and millimeter spectra emitted by the gas exposed to the feedback of young stars. This emission is increasingly used to study the star formation cycle in other galaxies, but results from a complex interplay of physical and chemical processes : chemistry in the gas and on grain surfaces, (de)excitation processes of the atoms and molecules, heating and cooling balance,... Its understanding thus requires detailed astrochemical models that include the couplings between these processes. In this talk, I will present several examples where new modeling approaches of specific processes and their couplings proved crucial to solve persistent observational riddles : from the driving role of UV irradiation in the dynamics of photodissociation regions (PDR) to the efficient reformation of molecular hydrogen in these regions.
 
Mardi 15 janvier 2019, 11h00
Salle de l'atelier, Paris
ATTENTION jour ET heure inhabituels
Thresholds for Globular Cluster Formation and their Dominance of Star Formation in the Early-Universe
Bruce ELMEGREEN
IBM Research Division
résumé :
Young massive clusters (YMCs) are usually accompanied by lower-mass clusters and unbound stars with a total mass equal to several tens times the mass of the YMC. If this was also true when globular clusters (GCs) formed, then their cosmic density implies that most star formation before redshift ~2 made a GC that lasted until today. Star-forming regions had to change after this time for the modern universe to be making very few YMCs. Here we consider the conditions needed for the formation of a ~10^6 Msun cluster. These include a star formation rate inside each independent region that exceeds ~1 Msun/yr to sample the cluster mass function up to such a high mass, and a star formation rate per unit area of Sigma_SFR ~ 1 Msun/kpc^2/yr to get the required high gas surface density from the Kennicutt-Schmidt relation, and therefore the required high pressure from the weight of the gas. High pressures are implied by the virial theorem at cluster densities. The ratio of these two quantities gives the area of a GC-forming region, ~1 kpc^2, and the young stellar mass converted to a cloud mass gives the typical gas surface density of 500-1000 Msun/pc^2. Observations of star-forming clumps in young galaxies are consistent with these numbers, suggesting they formed today's GCs. Observations of the cluster cut-off mass in local galaxies agree with the maximum mass calculated from Sigma_SFR. Metal-poor stellar populations in local dwarf irregular galaxies confirm the dominant role of GC formation in building their young disks.
 
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