Etude du spectre d’absorption de l’oxygène en infrarouge proche et application à la télédétection des gaz à effet de serre dans l’atmosphère

Study of the absorption spectrum of oxygen in the near infrared and application to greenhouse gases remote sensing in the atmosphere

• Auteur / Autrice : Duc Dung Tran
• Direction : Ha Tran, Raymond Armante
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'environnement
• Date : Soutenance le 16/12/2020
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de météorologie dynamique (Palaiseau ; 1968-....)
• Jury : Président / Présidente : François-Marie Bréon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Solène Turquety, Arnaud Cuisset
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Maud Rotger, Muriel Lepere

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fourier, Spectroscopie infrarouge à transformée de

Simulation, Méthodes de

Dynamique moléculaire

Oxygène

Spectroscopie d'absorption

Mots clés libres

Atmosphère

Télédétection

MicroCarb

Oxygène

Spectre d’absorption

Paramètres spectroscopiques

Atmosphere

Remote sensing

MicroCarb

Oxygen

Absorbtion spectra

Spectroscopic parameters

Résumé

Ce travail de thèse est dédié à l'étude du spectre d’absorption de l'oxygène à 1.27 μm, en soutien à la mission satellitaire MicroCarb. Dans la première partie, les spectres d'absorption des raies d'O2 élargies par air et auto-élargies ont d'abord été simulés. Leur ajustement à l'aide du modèle Nelkin-Ghatak dépendant en vitesse fournit des paramètres de forme de raies d'ordre élevé qui sont cohérents avec des valeurs déterminées expérimentalement. La deuxième partie est consacrée à la détermination des paramètres spectroscopiques de plus de quatre-vingts raies d'O2 élargies par air dans la bande 1.27 μm avec le même profil spectral, l’effet de mélange entre raies est également pris en compte. Des paramètres spectroscopiques obtenus mais aussi des coefficients d'absorption induite par collision (CIA) disponibles dans la littérature pour O2 ont ensuite été évalués en utilisant des spectres atmosphériques. Les résultats montrent une amélioration significative avec nos paramètres de raies, comparés à ceux des bases de données HITRAN et GEISA. Pour la CIA, les données existantes conduisent à des résultats similaires. Enfin, l’influence de l'élargissement des raies d’O2 par la vapeur d'eau dans la région de la bande A, et celle des nouvelles données spectroscopiques de l'oxygène dans la bande à 1.27 μm, sur la restitution des aérosols sont étudiées en utilisant des spectres simulés. Nous montrons que négliger l'élargissement des raies d’O2 par la vapeur d'eau mène à une très faible erreur sur les aérosols restitués. La sensibilité de la détermination des aérosols à la spectroscopie de l'oxygène est également relativement faible pour la bande de 1.27 μm.

This work is dedicated to the study of the spectroscopy of oxygen at 1.27 μm, in support of the satellite mission MicroCarb. Firstly, absorption spectra of air- and self-broadened O2 lines were first computed using requantized Classical Molecular Dynamics Simulations. Their fit using the quadratic speed-dependent Nelkin-Ghatak model provides high-order line-shape parameters that are consistent with experimentally determined values. The second part is devoted to the retrieval of the spectroscopic parameters of more than eighty lines of O2 broadened by air in the 1.27 μm band with the same model and the first-order line mixing. Validation of these line parameters, but also the Collision-Induced Absorption (CIA) coefficients available in literature for O2 were then performed and evaluated using the Spectroscopic Parameters And Radiative Transfer Evaluation calculation chain. The line parameters obtained in this thesis lead to much better agreement with measured spectra, compared to those obtained with the widely-used HITRAN and GEISA databases. The existing data of CIA coefficients lead to similar residuals, in rather good agreement with measurements. Finally, the first effects of line broadening by water vapor in the O2 A-band, and of the new oxygen spectroscopy data in the 1.27 μm band, on the retrievals of aerosols are studied using simulated spectra, for the same configurations of GOME-2 and MicroCarb measurements, respectively. The results show that neglecting the line broadening of O2 lines by H2O produces a very small error on the retrieval results using the O2 A-band. The sensitivity of the aerosol retrieval to O2 spectroscopy is relatively low for the 1.27 μm band.