Observation satellitaire de la pollution à l’ozone par synergie multispectrale à trois bandes Ultraviolet+Visible+Infrarouge

Satellite observation of ozone pollution by a 3-band mutispectral synergism Ultraviolet+Visible+Infrared

• Auteur / Autrice : Yohann Chailleux
• Direction : Juan Eduardo Cuesta
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'Univers et Environnement
• Date : Soutenance le 17/07/2018
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire interuniversitaire des systèmes atmosphériques (Créteil ; 1997-....) - Laboratoire inter-universitaire des systèmes atmosphèriques / LISA
• Jury : Président / Présidente : Matthias Beekmann
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Juan Eduardo Cuesta, Ha Tran, Cyrille Flamant
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hélène Brogniez, Jean-Luc Attié

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie ultraviolette

Spectroscopie infrarouge

Mesure

Ozone atmosphérique

Mots clés libres

Ozone

Couplage multispectral

Mesures statelitaires

Ozone

Multispectral coupling

Satellite measurements

Résumé

La qualité de l’air est un enjeu environnemental majeur de notre société. Cette thèse se focalise sur l’observation depuis l’espace du polluant gazeux majeur, l’ozone troposphérique. Les instruments satellitaires de nouvelle génération permettent de le mesurer journalièrement aux échelles régionales à globale. Cependant, les mesures d’un seul domaine spectral n’amène pas d’information suffisante pour quantifier les concentrations de l’ozone dans la couche limite atmosphérique, où se situe l’air que nous respirons. Le couplage des mesures de multiples domaines spectraux offre un fort potentiel pour mieux caractériser la pollution à l’ozone. La première approche multispectrale à 2 bandes combinant les mesures de l’infrarouge (IR) de IASI et l’ultraviolet (UV) de GOME-2 a été développée au laboratoire LISA, que j’ai intégré dans le cadre de ma thèse. L’objectif de mon travail de thèse est de franchir un pas supplémentaire dans la quantification de la pollution à l’ozone en incluant la bande visible (VIS) de Chappuis, afin de développer un couplage multispectral inédit à trois bandes spectrales UV+VIS+IR. Premièrement, j’ai mis au point une approche pour extraire l’information sur l’ozone des spectres VIS de GOME-2, en sélectionnant les longueurs d’onde affectées majoritairement par l’absorption à l’ozone et rejetant celles avec des absorptions d’autres gaz, ainsi que déterminant les variables d’ajustement conjoint de l’approche (profil vertical d’ozone, albédo de surface, shifts spectraux, etc) et les bases de données nécessaires pour simuler les spectres VIS (albédo de surface, spectroscopie).Ensuite, j’ai mis en œuvre la méthode multispectrale à trois bandes UV+VIS+IR, premièrement sur des observations simulées défilantes de IASI et GOME-2 et géostationnaires de MAGEAQ afin d’estimer l’amélioration en terme de sensibilité et précision, par rapport aux méthodes existantes. Dernièrement, j’ai appliqué l’approche multispectrale à 3 bandes à des observations satellitaires réelles de IASI et GOME-2. Des comparaisons avec d’autres données montrent des meilleures performances des nouvelles observations UV+VIS+IR pour caractériser des évènements de pollution à l’ozone, par rapport à l’approche à 2 bandes

Air quality is a major environmental issue for our society. This PhD thesis focuses on space borne observation of the major gaseous pollutant. Tropospheric ozone. New generation satellite instruments allow measuring it daily at regional to global scales. However, single spectral domain measurements do not provide enough information for quantifying ozone concentrations at the atmospheric boundary layer, where the air we breathe is located. Synergism of measurements from multiple spectral domains offers a great potential for better characterizing ozone pollution. The first 2-band multispectral approach combining infrared (IR) measurements of IASI and the ultraviolet (UV) of GOME-2 was developed at LISA laboratory, where I conducted my thesis. The goal of my thesis is to go a step further in the quantification of ozone pollution by including the visible (VIS) Chappuis band, in order to develop an unprecedented 3-band multispectral synergism UV+VIS+IR. First, I developed a approach for extracting ozone information from GOME-2 VIS spectra, by selecting the wavelengths mostly affected by ozone absorption and rejecting those with absorptions from other gases, as well as determining the joint adjustment variables of the approach (vertical ozone profile, surface albedo, spectral shifts, etc) and the databases needed to simulate the spectra VIS (surface albedo, spectroscopy).Then, I implemented the multispectral method with three bands UV+VIS+IR, first on simulated low-orbit and geostationary observations from respectively IASI and GOME-2 and MAGEAQ to estimate the improvement in terms of sensitivity and precision, as compared to existing methods. Last, I applied the 3-band multispectral approach to real satellite observations of IASI and GOME-2. Comparisons with other data shows enhanced performances of the new UV+VIS+IR observations to characterize ozone pollution events, with respect to the 2-band approach