Suivi de la composition chimique des aérosols par télédétection : vérification du concept et développement de la méthodologie

Monitoring of aerosol chemical composition by remote sensing : Verification of the concept and methodology development

• Auteur / Autrice : Lei Li
• Direction : Oleg Dubovik, Yevgeny Derimian
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et Lasers, Physico-Chimie, Atmosphère
• Date : Soutenance le 31/01/2018
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Lille ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Optique Atmosphérique (LOA)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Inversion (géophysique)

Photométrie

Imagerie satellitaire

Télédétection

Propriétés optiques

Composition chimique

Aérosols atmosphériques

Mots clés libres

Satellite POLDER/PARASOL

Résumé

La détermination de la composition chimique des aérosols atmosphériques est essentielle pour le climat terrestre et l’environnement. Néanmoins, les mesures in situ qui permettent d’accéder à cette composition sont limitées et les modèles de chimie-transport peuvent ne pas bien représenter la réalité. Notre travail de thèse a consisté à développer une nouvelle approche afin de remonter à la composition des aérosols à grande échelle par télédétection. Les modèles de mélange des composants des aérosols, soit par proportion en volume soit par l’approximation de Maxwell Garnett qui relient les propriétés optiques à la composition, ont été incorporés dans l’algorithme de restitution des propriétés atmosphériques (GRASP). La nouveauté du concept réside dans la restitution directe des composants chimiques de l’aérosol plutôt que dans une estimation indirecte à partir des propriétés optiques retrouvées. Les tests synthétiques ont montré une sensibilité des observations du satellite POLDER/PARASOL à la présence d’éléments chimiques clés des aérosols. La méthodologie a ensuite été appliquée aux mesures réelles. Les caractéristiques optiques dérivées de PARASOL en utilisant le module de composition chimique ont montré un bon accord (R de ~ 0,9 pour l’épaisseur optique) avec nos mesures de référence — le réseau AERONET. La méthodologie a aussi été appliquée aux mesures de AERONET. Les variabilités spatiale et temporelle de la composition de l’aérosol ainsi retrouvée correspondent bien à nos attentes. La composition obtenue a également été validée à l’aide de données de campagne de terrain et a pu être comparée avec les simulations réalisées avec le modèle chimie-transport GOCART.

Determination of atmospheric aerosol chemical composition has a great importance for Earth’s climate and environment. However, in situ measurements that enable determination of aerosol composition are limited in time and space, while simulations by chemical transport models may not accurately describe the reality. The current thesis presents a novel methodology for monitoring of aerosol composition by remote sensing on large spatial and temporal scale. Namely, the volume-weighted and Maxwell Garnett models, which link the aerosol optical properties and chemical composition, were incorporated into the first versatile algorithm (GRASP) that derives the atmospheric properties from remote sensing. The concept proposes the direct retrieval of fractions of aerosol chemical components instead of post-processing estimate of the aerosol composition from the retrieved optical properties (refractive index, aerosol sizes). The tests showed sufficient sensitivity of the POLDER/PARASOL satellite observations to presence of key aerosol chemical elements. Then, the methodology was applied for the real PARASOL measurements. The aerosol optical characteristics derived from PARASOL using the chemical composition module demonstrated a good agreement with our reference measurements – AERONET ground-based network (e.g., R of ~ 0.9 for aerosol optical thickness). The methodology was then applied to the AERONET measurements as well. The obtained spatial and temporal patterns of aerosol composition agree well with known physical expectations. The retried aerosol composition was validated using available field campaign data and inter-compared with GOCART chemical transport model simulations.