Résultats Scientifiques Odin en Aéronomie
Validation des observations spatiales d'Odin
Validation des profils d'ozone mesurés par les instruments SMR et OSIRIS
Un des objectifs prioritaires du satellite Odin est d'observer la couche d'ozone stratosphérique et son évolution tant temporelle que géographique. Des mesures par satellite nécessitent toujours une validation pour être certain que les résultats sont valables. En général cette validation se fait par comparaison entre les mesures satellitaires et des mesures simultanées effectuées à partir du sol. Dans le cas d'Odin, comme on dispose de deux instruments qui observent simultanément et de façon indépendante les mêmes quantités, on s'est intéressé à comparer les résultats respectifs de SMR et d'OSIRIS.
De plus, les mesures SMR sont analysées en parallèle par une équipe du Radio and Space Science Department de l'Université Technologique Chalmers de Göteborg, Suède et une équipe du Laboratoire d'Astrodynamique, d'Astrophysique et d'Aéronomie de Bordeaux de l'Observatoire Aquitain des Sciences de l'Univers. On dispose ainsi de trois résultats différents à comparer. La figure ci-jointe donne le résultat moyen de la comparaison de près de 35 000 profils de concentration verticale de l'ozone, entre 20 et 65 km obtenus entre septembre 2002 et mars 2004. On constate que les profils SMR de Bordeaux et Chalmers sont très proches avec des écarts de 2 à 7% selon l'altitude alors que les écarts entre les profils OSIRIS et Chalmers montrent des écarts de 7 à 18%. Cette différence systématique a permis de s'apercevoir de problèmes dans le pré-traitement des données d'OSIRIS qui sont en cours de re-traitement.
Ces travaux de comparaison sont complétés par des comparaisons avec des mesures à partir du sol (techniques lidar ou micro-ondes, sondes ozone), de vols ballons ou d'autres satellites comme POAM. Les résultats sont confirmés et font l'objet d'une publication en préparation. (Jégou et al. , 2005)
Validation des profils de dioxyde d'azote mesurés par OSIRIS
Comme pour l'ozone, les mesures de dioxyde d'azote NO2 obtenues par l'instrument OSIRIS nécessitent également une validation par comparaison, uniquement dans ce cas, avec des mesures obtenues à partir du sol. La figure jointe montre une comparaison de mesures OSIRIS (en jaune) avec celles obtenues par un instrument SAOZ à bord d'un ballon stratosphérique lancé par le CNES le 16 mars 2003. Les mesures rouges correspondent à l'ascension du ballon, l'instrument visant le soleil, alors que les mesures noires sont effectuées quand le ballon est au plafond et que le soleil se couche. On voit que les deux profils SAOZ ne coincident pas parfaitement car le ballon se déplace à cause des vents et que la répartition géographique n'est pas homogène. Par contre, dans l'ensemble ces deux profils correspondent bien aux mesures effectuées par OSIRIS, y compris la couche laminaire observée vers 22 km d'altitude.
Validation des profils de vapeur d'eau mesurés par l'instrument SMR
Les observations de la vapeur d'eau stratosphérique sont effectuées par l'instrument SMR à deux fréquences différentes, l'une à 489 GHz, l'autre à 557 GHz. A l'occasion du lancement d'une fusée suédoise de Kiruna, Suède qui transportait un hygrosonde, les deux récepteurs micro-ondes ont observé en batterie. Cette figure montre la comparaison des profils SMR à 489 GHz (orange) et à 557 GHz (bleu) avec le profil obtenu à partir de la fusée qui dispose donc d'une meilleure résolution verticale. Le profil à 489 GHz donne des résultats très proches de l'hygrosonde jusqu'à 45 km puis s'en éloigne alors que le profil à 557 GHz montre de fortes oscillations qui, malgré tout, restent proches des mesures de l'hygrosonde jusqu'à près de 80 km d'altitude.
Validation des observations SMR du protoxyde d'azote
La première figure montre la comparaison de deux profils de protoxyde d'azote N2O, l'un obtenu par le groupe de Bordeaux, l'autre par le groupe de Chalmers (Suède) à partir des mêmes données de l'instrument SMR avec un profil mesuré à partir d'un vol de ballon stratosphérique à Kiruna en Suède par un spectromètre à transformée de Fourier du Laboratoire de Physique Atmosphériques et Applications (LPMA). On peut constater l'excellente concordance des trois profils.
La seconde figure montre également une comparaison de différents profils SMR mesurés au dessus de Bauru (Brésil), dont la moyenne est représentéée par la courbe rouge en trait gras avec des mesures effectuées à partir d'un ballon par un instrument britannique DIRAC (ronds noirs), ainsi qu'un profil obtenu par le modèle REPROBUS. Malgré la dispersion des mesures, on peut constater un accord raisonnable qui permet d'exploiter les profils de N2O obtenus par Odin.
Résultats scientifiques obtenus à partir des observations d'Odin
Comparaison des répartitions géographiques des isotopes de la vapeur d'eau H216O et H218O
En décembre 2001, l'instrument SMR a observé la vapeur d'eau dans deux isotopes simultanément H216O et H218O. La figure ci-jointe montre les répartitions observées simultanément en fonction de la latitude (axe horizontal) et de la latitude (axe vertical). Elles laissent apparaître clairement le niveau maximum de vapeur d'eau, situé en général autour de 50 km d'altitude. Un résultat intéressant est visible aux hautes latitudes de l'hémisphère nord, où ce maximum apparaît plutôt aux altitudes de 30 - 35 km pour H216O et de 30 - 40 km pour H218O. C'est la conséquence directe du vortex présent en hiver au-dessus du pôle. En effet, des phénomènes de subsidence ont lieu au sein du vortex : le maximum de concentration de vapeur d'eau se retrouve alors à des altitudes inférieures.
Répartition géographique du monoxyde de carbone
Représentation globale de mesures de monoxyde de carbone (CO) du pôle sud (à gauche) au pôle nord (à droite) et de 100 à 0,005 hPa (approximativement de 20 à 100 km d'altitude) le 18 novembre 2001. Les quantités élevées de CO dans la haute atmosphère (thermosphère/mésosphère) proviennent de la photodissociation du gaz carbonique et descendent en hiver à l'intérieur du vortex (pôle nord) jusque vers les couches les plus basses de la stratosphère autour de 1 hPa (approximativement 30 km). Les couleurs bleu-violet représentent de faibles valeurs ; les couleurs rouge-orangé représentent des valeurs élevées. [tiré de Dupuy et al., Geophys. Res. Lett., 2004.]
Evolution temporelle de la séparation du vortex polaire au-dessus de l'Antarctique
Evolution des constituants chimiques stratosphériques à 20 km d'altitude lors de la séparation du vortex polaire au-dessus de l'Antarctique en septembre-octobre 2002. Les différentes lignes représentent les constituants mesurés par Odin : l'ozone (O3), le monoxyde de chlore (ClO), le protoxyde d'azote (N2O), l'acide nitrique (HNO3) et de dioxyde d'azote (NO2) au lever de soleil (SR) et au coucher de soleil (SS), pour différentes dates successives de haut en bas : 19-20 septembre, 25-26 septembre, 1-2 octobre et 4-5 octobre 2002. Associé à l'augmentation du ClO (constituant destructeur de l'ozone) et à la diminution de constituants azotés (HNO3 et NO2) dans les deux lobes du vortex (matérialisés par les faibles valeurs de N2O), l'ozone décroît (trou d'ozone). La ligne rouge représente la bordure du vortex. Les couleurs bleu-violet sont associées à de faibles valeurs et les couleurs rouge-orangé à des valeurs élevées. [tiré de Ricaud et al., J. Geophys. Res., 2005.]
Comparaison des observations d'ozone, de monoxyde de chlore et de protoxyde d'azote mesurées par Odin avec les résultats du modèle REPROBUS
Le modèle REPROBUS est développé par F. Lefèvre au Service d'Aéronomie de l'Institut Pierre Simon Laplace (IPSL). On peut constater que le modèle reproduit d'une façon très fidèle les observations spatiales, sauf pour l'oxyde de chlore qui pourrait nécessiter une étude complémentaire en particulier pour les faibles concentrations bien que l'on soit dans les limites d'incertitude des observations comme du modèle. Ces résultats sont importants car ils permettent de valider les hypothèses qui sont à la base du modèle pour l'évolution dynamique comme pour les concentrations moléculaires.
Comparaison observation Odin et Résultat du modèle REPROBUS
Evolution des constituants chimiques stratosphériques à 20 km d'altitude lors de la séparation du vortex polaire au-dessus de l'Antarctique en septembre 2002. La ligne du haut représente les constituants mesurés par Odin : l'ozone (O3), le monoxyde de chlore (ClO), le protoxyde d'azote (N2O), l'acide nitrique (HNO3) et de dioxyde d'azote (NO2) au lever de soleil (SR) et au coucher de soleil (SS). La ligne du bas représente les mêmes constituants calculés par le modèle global de chimie transport REPROBUS. Associé à l'augmentation du ClO (constituant destructeur de l'ozone) et à la diminution de constituants azotés (HNO3 et NO2) dans les deux lobes du vortex (matérialisés par les faibles valeurs de N2O), l'ozone décroît (trou d'ozone). La ligne rouge représente la bordure du vortex. Les couleurs bleu-violet sont associées à de faibles valeurs et les couleurs rouge-orangé à des valeurs élevées. [tiré de Ricaud et al., J. Geophys. Res., 2005.]
Comparaison des distributions géographiques de l'isotope HDO de la vapeur d'eau observée par SMR et calculée par un modèle à deux dimensions
La figure de gauche montre la variation relative de la distribution de l'isotope HDO de la vapeur d'eau observée par l'instrument SMR de pôle à pôle entre 20 et 60 km d'altitude le 11 septembre 2002, tandis que la figure de droite représente la même quantité calculée par un modèle à deux dimensions mis au point par Dr. Martin RIDAL, du Département de Météorologie de l'Université de Stockholm. Cette comparaison montre cependant que le modèle nécessite encore des améliorations par rapport à la qualité des observations obtenue par Odin.
