Dossier : Climat   
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POLDER : un concept original pour observer la Terre


Extrait de la Lettre n°8 du Programme International Géosphère Biosphère-Programme Mondial de Recherches sur le Climat (PIGB-PMRC)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 



1 - Grand champ et directionnalité de POLDER



2 - Couple d’images en lumière naturelle et en lumière en polarisée.




3 - Une couverture journalière quasi-globale

 

 

 

 

 

 

 

 

 



4 - Concentration en pigments chlorophylliens dans les eaux de surface déduite de la ‘Couleur de l’océan’ observée par POLDER




5 - Première carte mondiale de l’abondance (épaisseur optique) et des types (coefficient d’Ansgtröm) d’aérosols au dessus de la mer.




6 - Carte globale d’indice de végétation (NDVI) corrigé des effets d’anisotropie




7 - Première carte de la phase (eau-glace-mixte) des nuages obtenue par analyse de l’anisotropie des réflectances polarisées des nuages à 865 nm.




8 - Contenu intégré en vapeur d’eau estimé par POLDER au dessus des terres par la technique d’absorption différentielle.

 

 

POLDER (POLarization and Directionality of the Earth’s Reflectances) est un radiomètre imageur multispectral qui mesure de façon globale et systématique l'anisotropie et la polarisation du rayonnement solaire réfléchi par les surfaces terrestres et l'atmosphère. L'instrument POLDER a été développé par le Centre National d'Etudes Spatiales (Toulouse, France) et a volé sur la plateforme ADEOS1 de la NASDA entre août 96 et juin 97. POLDER fait également partie de la charge utile d’ADEOS2 dont le lancement est prévu en 2000.

Le programme POLDER est conduit en partenariat entre le CNES, le CEA et la communauté scientifique (INSU, CNRS, Université).
Les algorithmes scientifiques permettant d’élaborer les produits géophysiques POLDER sont définis et validés par plusieurs équipes dans les laboratoires suivants :
o Laboratoire d’Optique Atmosphérique (Lille),
o Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement (Saclay)
o Centre d’Etudes Spatiales de la Biosphère (Toulouse)
o Laboratoire de Météorologie Dynamique (Paris)
o Laboratoire de Physique et de Chimie Marines (Villefranche)


Le principe de mesure POLDER
Le concept instrumental POLDER est très simple: POLDER est une caméra composée d’une matrice de détecteurs CCD, d’une optique télécentrique à grand champ et d’une roue dont la rotation permet l’acquisition d’images à plusieurs longueurs d’ondes et suivant plusieurs directions de polarisation. Une séquence d’images est réalisée toutes les 20 secondes.

POLDER possède 8 bandes spectrales étroites dans le domaine visible et proche infra-rouge dont 3 (443, 670, 865 nm) sont associées à des filtres polarisés. Trois bandes sont plus spécialement dédiées à l’observation de la couleur de l’océan (443, 490, 565 nm). Les bandes 763 nm et 910 nm ont été choisies pour estimer l’absorption par l’oxygène et la vapeur d’eau et et en déduire l’altitude des nuages et le contenu en vapeur d’eau de la colonne atmosphérique.

Mesure des signatures directionnelles
Grâce à son grand champ de vue (2400 km X 1800 km ), l'instrument observe la même cible jusqu’à 14 fois successivement lors d'un passage du satellite (figure 1a). D'un jour à l'autre, les traces du satellite se décalant, la cible est vue sous d'autres angles (figure 1b). POLDER échantillonne ainsi de manière très complète la Fonction de Distribution des Réflectances Bidirectionnelles (FDRB) des cibles (figure 1b).

Mesure des signatures polarisées
POLDER est le premier instrument qui mesure de façon globale les réflectances polarisées. L'observation de la même scène en lumière polarisée et en lumière naturelle fournit deux images très dissemblables (figure 2). Le signal polarisé est dominé par la diffusion atmosphérique (qui augmente aux courtes longueurs d'onde), ce qui explique la dominante bleue et les structures géographiques estompées sur l'image de droite. L'information complémentaire apportée par la polarisation ouvre de nouvelles perspectives pour distinguer le rayonnement diffusé dans l’atmosphère du rayonnement réellement réfléchi par la surface.

Couverture quotidienne globale
Grâce au grand champ de vue de l’instrument la couverture journalière du globe est quasi complète avec une résolution moyenne de 6 km (figure 3). De plus, les multiples visées de POLDER permettent de sélectionner les géométries de prise de vue les plus favorables pour chaque application.

Un double bénéfice des signatures directionnelles et polarisées
L’analyse des premières images POLDER montre des effets directionnels très significatifs, particulièrement sur la végétation. Si l’on ne prend pas en compte (ou ne corrige pas) ces effets, ils risquent de causer des artefacts dans la comparaison de mesures acquises sous différentes géométries. D’autre part ces signatures directionnelles elles mêmes contiennent de l’information sur la structure des cibles et il semble possible d’extraire certains paramètres de l’étude de la réflectance, spécialement pour la végétation (indice foliaire, paramètres structuraux des couverts), les aérosols et les nuages.

De manière analogue l’observation des signatures polarisées présente aussi un double avantage. Une meilleure caractérisation du signal atmosphérique grâce à la polarisation va permettre, d’une part une amélioration des corrections atmosphériques et d’autre part de retrouver certaines caractéristiques intéressantes des constituants atmosphériques comme les aérosols ou les nuages.

Enfin les visées multiples de POLDER ont permis de développer des méthodes d’étalonnage tout à fait nouvelles et de réaliser l’étalonnage de l’instrument, avec une précision de 4%, en utilisant uniquement des cibles naturelles et sans recours à aucun dispositif à bord.

Les atouts de POLDER
La qualité des données spatiales est déterminante pour extraire de façon quantitative des paramètres géophysiques en vue d’étudier des tendances à long terme du système climatique. L’étalonnage des capteurs est le premier point critique. Les corrections atmosphériques constituent habituellement la deuxième difficulté. Pour les effets directionnels, ils ont été peu corrigés à ce jour, faute d’être mesurés. POLDER apporte donc de nouveaux atouts pour une meilleure restitution des réflectances et des caractéristiques des surfaces et de l’atmosphère.

Diversité et originalité des paramètres géophysiques fournis par POLDER
Le traitement scientifique des données POLDER est organisé en 3 filières: Terres, Mer et Nuages et selon 2 niveaux: traitement par orbite (niveau 2) et synthèses mensuelles (niveau 3). Les 6 chaînes scientifiques délivrent 12 types de produits (30 Goctets/mois) couvrant 4 thématiques : Couleur de l’Eau, Aérosols, Terres Emergées, Bilan Radiatif & Nuages.

Les principaux paramètres géophysiques sont les suivants:

 

  • concentration en pigments chlorophylliens (figure 4) et type d’eau
  • épaisseur optique et le coefficient d’Angström des aérosols marins (figure 5)
  • indice de végétation (NDVI) corrigé des effets d’anisotropie (figure 6) et albédo, modèle directionnel de surface
  • couverture nuageuse, épaisseur optique, pressions, phase des nuages (figure 7) , albédo
  • contenu intégré en vapeur d’eau (figure 8).

 

L’obtention à échelle globale depuis l’espace des fonctions de réflectances bidirectionnelles (FDRB), la caractérisation des types d’aérosol ou la détermination de caractéristiques des nuages sont des “premières” et offrent un potentiel de recherche à exploiter.

Ces paramètres permettent de mieux caractériser, suivre et modéliser certaines composantes essentielles du système climatique global:

 

  • par la quantification de la production primaire végétale (océanique et terrestre) et son rôle dans le cycle du carbone,
  • par la détermination des propriétés physico-optiques des aérosols afin de les classifier et d'étudier leur variabilité et leur cycle,
  • par la détermination plus précise du rôle des aérosols et des nuages sur le bilan
  • par l’amélioration de la description climatologique de certaines propriétés physiques, optiques et radiatives des nuages.

 

L’étalonnage et la validation des produits POLDER a représenté un travail considérable qui se poursuit au-delà de la Revue de Validation tenue le 2 Juillet 1998.
La perte prématurée d’ADEOS le 30 juin 1997 réduit à 8 mois l’archive des données POLDER et prive de la longue série temporelle attendue des missions successives ADEOS 1 et ADEOS 2 (lancement prévu par la NASDA fin 2000). Toutefois ces 8 mois de mesures démontrent l’intérêt scientifique de POLDER, et permettent dès à présent de préparer une deuxième génération d’algorithmes plus sophistiqués pour POLDER sur ADEOS 2.

Distribution des données POLDER
Les mesures quotidiennes de POLDER sont traitées de manière opérationnelle par le Centre de Production POLDER (CPP) situé au CNES à Toulouse. Les produits POLDER sont diffusés par le CPP pour les applications scientifiques, au coût de reproduction. Suite à la Revue de Validation un retraitement de l’archive POLDER démarrera en août 98.

Pour plus de renseignements ou pour commander des produits consultez le site POLDER:
http://smsc.cnes.fr/POLDER/Fr/
Un symposium intitulé “ Aérosols, Nuages et rayonnement, Terres Emergées, Couleur de l’Océan: la contribution de POLDER et des capteurs de nouvelle génération à létude du changement global ” a été organisé par le CNES du 18 au 22 Janvier 99 à Méribel. Il a réuni les différentes thématiques scientifiques pour 2 journées en séance plénière suivies par 3 ateliers :

 

  • “ Réduction des erreurs dans l ’évaluation du forçage radiatif des aérosols combinant les simulations, les observations satellite les réseaux et les mesures in-situ ”
  • “ Nuages et bilan radiatif de la terre ”
  • “ Télédetection et productivité des couverts végétaux ”

 


Contact :
Anne Lifermann
Responsable scientifique du projet POLDER
CNES/Direction des programmes
Anne.Lifermann@cnes.fr



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