Implémentation du système global pour la mesure de la composition atmosphérique : concepts et méthodes pour une analyse intégrée des données satellitales

L'impact des activités anthropiques sur la composition atmosphérique est devenu évident depuis la découverte, dans les années quatre-vingt, de la formation d'un trou dans la couche d'ozone au-dessus de l'Antarctique. Depuis lors d'autres menaces environnementales liées aux changements de la composition atmosphérique ont été mises en évidence. Parmi celles-ci, le réchauffement climatique global et la pollution de l'air sont au coeur de l'actualité. Depuis les débuts de l'aéronomie, de nombreux instruments de mesure de la composition atmosphérique ont été développés et déployés au sol, sur ballon, sur avion et sur satellite. Chacun de ces instruments possède ses avantages et ses inconvénients et donne accès à différents aspects d'une atmosphère quadridimensionnelle variable et structurée. Les propriétés telles que la résolution, l'échantillonnage et la gamme accessible des signaux géophysiques mesurés par les systèmes opérationnels varient en fonction de paramètres techniques comme la source de rayonnement, la gamme spectrale, la géométrie de visée, le type d'orbite,... et en fonction des conditions de mesure. Les observations provenant de différents systèmes sont complémentaires. La stratégie internationale actuelle d'observation de notre environnement global vise justement à exploiter cette complémentarité via l'implémentation d'un système coordonné de systèmes d'observation globale de la Terre: le GEOSS. Ce système de systèmes réunira et combinera les données provenant de différents systèmes d'observation de la Terre dans différents domaines (surface, océans, atmosphère, cryosphère,...) pour fournir une information intégrée utile à la société. Concernant la composition de l'atmosphère, la stratégie internationale IGACO a identifié différents moyens pour l'intégration des données. Ils incluent, entre autres, l'amélioration des algorithmes d'inversion, la caractérisation du contenu d'information réel des mesures, le développement de techniques facilitant la comparaison des mesures, la validation continue des données satellitales, le développement d'outils pour faciliter et améliorer le couplage des séries temporelles et l'ingestion des observations dans les modèles numériques de chimie et de transport. Quoique nécessaire, l'intégration des données provenant de systèmes différents n'est pourtant pas évidente. En effet, l'utilisation intégrée des données se confronte à la présence d'erreur générées par les différences d'échantillonnage et de lissage existant entre les signaux géophysiques capturés par des instruments différents.Le travail présenté dans ce manuscrit s'axe autour de cette stratégie d'intégration. Nous développons différents concepts et méthodes utiles à une analyse intégrée des données satellitales. Nous tentons également d'estimer de manière systématique l'impact des différences de lissage et d'échantillonnage dans les quatre dimensions de l'atmosphère: latitude, longitude, altitude et temps. Dans un premier temps, nous étudions de manière séparée deux des principaux éléments du système d'observation globale de la composition atmosphérique: les instruments mesurant le rayonnement rétrodiffusé par l'atmosphère au nadir et les instruments mesurant l'émission infrarouge au limbe. Les mesures UV-visible au nadir ont débuté dans les années septante avec les instruments de type BUV et continuent actuellement avec les séries européennes GOME-2 et chinoise SBUS/TOU. La technique BUV permet de mesurer le profil de l'ozone avec une bonne résolution horizontale mais une faible résolution verticale et une sensibilité variant avec l'altitude. C'est pourquoi nous analysons en détail le contenu d'information et la résolution verticale du profil d'ozone tel que mesuré par GOME, le premier instrument européen de type BUV. La technique d'observation a visée au limbe offre quant à elle une meilleure résolution verticale que la technique BUV, de l'ordre de 1 à 3 km, mais une faible résolution horizontale. C'est pourquoi nous étudions ensuite la résolution et les propriétés de lissage horizontal des mesures de l'instrument européen MIPAS. La validation géophysique des données satellitales est une des étapes essentielles à leur intégration dans un système d'observation globale. Dans la suite de ce travail, nous mettons en pratique les outils développés dans un exercice de validation géophysique des profils d'ozone MIPAS. En tenant en compte l'erreur de lissage horizontal, nous éclairons d'un jour nouveau le bilan d'erreur d'une comparaison. Dans les deux chapitres suivants nous nous intéressons non plus de manière séparée aux éléments du système d'observation global de l'atmosphère mais à leurs possibilités de couplage. Nous étudions d'abord la consistance entre sept jeux de profils d'ozone obtenus à partir d'instruments à géométrie de visée au limbe. Nous étudions les structures méridiennes et temporelles de jeux de données couvrant des régions géographiques et des périodes de temps très différentes en utilisant les réseaux au sol comme référence. Enfin, nous étudions comment les propriétés respectives des systèmes étudiés dans les chapitres précédents se retrouvent dans un produit hybride généré par un réseau neuronal

TROPOSPHERIC OZONE INFORMATION IN GOME LONG-TERM DATA RECORD

Ozone Profile Retrieval Algorithm (OPERA) version R2 has generated a long-term, global record of atmospheric ozone profile data from backscattered ultraviolet spectra measured since 1996 by ESA’s ERS-2 Global Ozone Monitoring Experiment (GOME). The GOME/OPERA data record contains tropospheric ozone information that has been characterised by an ensemble of complementary diagnostic techniques. In addition to classical ground-based validations based on comparisons of the retrieved ozone data with correlative ozonesonde measurements, the tropospheric information content has been explored via an extensive analysis of the averaging kernels associated with the retrieval and an assessment of the vertical smoothing error. Results highlight geographical, seasonal and longer-term variations of the tropospheric information contributed by the GOME measurement and of its agreement with ozonesonde network observations. The impact of these findings on the geophysical usability of GOME OPERA R2 tropospheric ozone data is discussed for applications in the fields of tropospheric chemistry, air pollution monitoring and atmospheric dynamics. 1

The Roman to medieval landscape transformation at Aardenburg (southern The Netherlands) based on palynology and diatom analysis

Abstract: The region of Bruges (Flanders, Belgium) was an economic and cultural centre during the Late Middle Ages because it was connected to the North Sea via a large tidal inlet called the Zwin, along which smaller towns developed. One of these towns was Aardenburg (Zeeland, The Netherlands), which developed from a Roman castellum to become one of the important medieval towns in the hinterland of Bruges. Unfortunately, archaeological, historical and (palaeo)environmental data about the Roman to medieval evolution of the Zwin area are scarce. However, the continuous occupation of Aardenburg during the first millennium AD and its location on a Pleistocene sand ridge bordering the coastal plain provide a unique opportunity to investigate the natural dynamics of the coastal evolution and the interplay with the human impact that shaped the Zwin region before its heyday. The variable character of the depositional environments on the dynamic coastal plain makes local environmental studies essential for understanding larger patterns, which were previously reduced to a simplistic outdated model over the entire region. Palynological and diatom assemblages of two sequences in Aardenburg allow the reconstruction of the terrestrial and aquatic palaeoenvironments from the Middle Holocene to the high Middle Ages. The results reveal landscape evolution in relation to woodlands, peat bogs, coastal environments and human presence, consistent with previous regional landscape evolution. A distinct increase in marine influence during the Roman and early medieval periods, when human activities played a significant role, was followed by an increase in inland indicators from the high medieval period onwards. This evolution is in accordance with the expansion of the town and the reclamation of the coastal landscape as it evolved to become a cultural centre in the Late Middle Ages. Chronological evolution of the palaeolandscape from the Holocene to the high medieval time at Aardenburg.imag

Compact Hyperspectrals

Numerous Hyperspectral Imagers have been launched or are being built for resource management, monitoring anthropogenic effects on the troposphere gases, and for defense applications. Payloads such as Hyperion, EnMAP, HyspIRI, and SCHYAMACHY are instruments with mass in excess of 100 Kg. Technologies recently developed in precision manufacturing of aspherical mirrors, detectors, and spectral filters allow to shrink a hyperspectral instrument in an envelope that will fit on a small satellite, or even in a CubeSat. The reduction of mass, volume, and power is not the only problems to be solved to successfully use a hyperspectral on board of a small satellite. The amount of data acquired over one orbit can be as high as 1 TB (terabyte). To store and download the data can be unmanageable tasks for the resources of a small satellite. The reduced mass and volume of a compact hyperspectral comes at the expenses of a decreased signal to noise ratio. Can digital image processing and the knowledge acquired with the hyperspectral already in orbit help to compress the data to a manageable size? What type of information can be extracted from a compact hyperspectral? The paper describes the results obtained with the PhytoMapper, a technology demonstrator of a Compact Hyperspectral Instrument recently developed. The instrument fits in a volume of approximately 15 cm^3 (6 cubic inches) and has a mass of approximately 2 Kg. The instrument has a spectral resolution of 10nm, a field of view 34 degrees, and 2400 spectral bands. If flown on a 600km polar orbit, it will provide 100m spatial resolution and 3 days revisit time. The work presents the performance measured in the lab and the analyses performed to assess what type of mission objectives are achievable with this instrument. Further work has been done to push the envelope of a Hyperspectral within a CubeSat. A micro-telescope with a very aggressive optical design has been built and tested. The paper gives an overview of the performance that can be achieved with this extreme downscaled hyperspectral instrument and what, in the view of the Authors, can be the possible applications. A roadmap from the current technology status to the in-flight demonstration is finally presented

Coordinated activity for the geophysical validation of MIPAS-ENVISAT v4.61/ v4.62 Ozone data

International audienceLaunched on March 1st, 2002 on-board the polar orbiting ENVISAT satellite, the MIPAS (Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding) mid-infrared FT spectrometer performed limb emission measurements at high spectral resolution (0.025 cm-1) for about two years. Due to too frequent anomalies observed in the Interferometer Drive Unit, operations were suspended in March 2004 and finally resumed, in January 2005, in a new reduced resolution (0.01 cm-1) mode. Operational level 2 products for the complete set of target species (i.e. geo-located vertical profiles of Temperature and volume mixing ratio of H2O, O3, HNO3, CH4, N2O and NO2) were obtained during MIPAS full resolution mission, from July 6th, 2002 to March 26th, 2004. In this timeframe, several research groups involved in the ESA programme for geophysical validation of the ENVISAT Atmospheric Chemistry Instruments and in related national activities, carried out a variety of ground-based observations (ozone soundings, FT-IR, microwave radiometers, lidars) of the ozone vertical distribution and of in situ and remote sensing measurements from high altitude platforms, in close spatial and temporal coincidence with MIPAS overpasses. As a result, a comprehensive database of correlative measurements became available for a first inter-comparison of MIPAS O3 profiles with various datasets from coincident observations. A co-ordinated effort was finally conducted to bring together the individual outcomes of the different validation activities and to better exploit their redundant and complementary information. In the latter phase, special attention was paid to rigorous selection and use of correlative data, by adopting stringent coincidence criteria and by giving top priority to homogeneous and reliable validation data sources. Here we report a brief overview of the validation of MIPAS O3 data versions 4.61 and 4.62 (fully equivalent for validation purposes) by ground-based, balloon/aircraft and satellite measurements and discuss in details the resulting quality assessment of MIPAS O3 retrieved profiles