Suivi de la concentration atmosphérique de CO2 par satellite : performances et sensibilités des prochains concepts d’observation dans le proche infrarouge

Monitoring CO2 atmospheric concentration from space : performance and sensitivities of the upcoming satellite observation concepts in the shortwave infrared

• Auteur / Autrice : Matthieu Dogniaux
• Direction : Cyril Crevoisier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'environnement
• Date : Soutenance le 13/12/2021
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de météorologie dynamique (Palaiseau ; 1968-....)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Chevallier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cyril Crevoisier, Hervé Herbin, Thomas Lauvaux, Clémence Pierangelo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Chevallier, Hervé Herbin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Télédétection

Dioxyde de carbone atmosphérique

Technique de l'environnement

Mots clés libres

Télédétection

Satellite

Co2

Proche infrarouge

Co2

Remote sensing

Satellite

Shortwave infrared

Résumé

Le suivi des émissions anthropiques de CO2 est crucial pour évaluer les progrès réalisés vers les objectifs de l’Accord de Paris signé en 2015, et les estimations de la concentration atmosphérique de CO2, réalisées à partir de mesures satellites du rayonnement proche infrarouge, peuvent y contribuer. Ainsi, de nombreux concepts d’observation satellite dédiés au suivi du CO2 ou à d’autres gaz à effet de serre sont planifiés ou en cours de développement pour la décennie qui s’ouvre. La nature même des mesures qu’ils feront, leurs résolutions spectrale, radiométrique et spatiale varient grandement selon qu’ils visent le suivi des flux naturels et/ou anthropiques de CO2. Ce travail de thèse propose d’étudier comment les caractéristiques de ces prochains concepts modifient les performances de l'estimation de la concentration atmosphérique de CO2 à partir de leurs mesures. Pour le mener à bien, le modèle de transfert radiatif inverse 5AI, reposant sur l’algorithme d’estimation optimale et la modélisation directe de 4A/OP est d’abord présenté, puis testé sur les mesures de la mission américaine Orbiting Carbon Observatory-2 actuellement en vol. Les sensibilités des résultats obtenus à prise en compte de l’effet parasite des aérosols ainsi qu’à la connaissance des coefficients d’absorption des gaz, apportée par la spectroscopie moléculaire, sont en particulier étudiées. Ce modèle inverse est ensuite utilisé pour évaluer les performances du concept Space CARBone Observatory (SCARBO) qui propose d’estimer la concentration atmosphérique de CO2 à partir d’interférogrammes tronqués, et non pas de spectres comme la majorité des concepts d’observation à l’étude. Ces interférogrammes tronqués seraient mesurés par l’instrument imageur miniaturisé NanoCarb qui serait embarqué sur de petits satellites volant en constellation, permettant d’augmenter la fréquence de survol des principales sources d’émissions anthropiques de CO2 par rapport aux missions spatiales à plateforme unique. L’approche de mesure originale proposée par SCARBO autorise par ailleurs une résolution spatiale des mesures suffisante pour distinguer les panaches d’émissions anthropiques de CO2. Les concepts reposant sur des mesures de spectres réalisent quant à eux un compromis entre résolutions spectrale et spatiale pour pouvoir observer les panaches. On étudie donc finalement l’impact de l’évolution de la résolution spectrale, du bruit radiométrique mais aussi de la méconnaissance de la spectroscopie et des aérosols sur les performances et sensibilités des différents concepts proposés pour le suivi de la concentration atmosphérique de CO2.

The monitoring of anthropogenic CO2 emissions is crucial to assess the progress made towards the 2015 Paris Agreement objectives, and estimations of CO2 atmospheric concentration from satellite observations in the near and shortwave infrared can help to reach this goal. Thus, many concepts of greenhouse gas observing satellites are planned or are currently being developed for this opening decade. The very nature of their measurements, their spectral, radiometric and spatial resolutions greatly vary depending on whether they are targeting natural and/or anthropogenic CO2 fluxes. This work aims to study how the characteristics of these upcoming concepts impact the performance and sensitivities of the CO2 atmospheric concentration estimations made from their measurements. For this purpose, we first present the 5AI inverse radiative transfer model that relies on the Optimal Estimation algorithm and the 4A/OP forward radiative transfer model. It is applied on real measurements performed by the currently flying American Orbiting Carbon Observatory-2 mission, and the sensitivities of the retrievals results to the accounting of the detrimental scattering effects by aerosols and to the knowledge of atmospheric gaseous absorption, brought by molecular spectroscopy, are especially studied. The 5AI inverse model is then applied to assess the performance of the concept proposed by the Space CARBon Observatory (SCARBO) which consists in estimating CO2 atmospheric concentration from truncated interferograms, instead of radiance spectra like most the CO2 observing concepts currently flying or being developed. These truncated interferograms would be measured by the NanoCarb instrument, a miniaturized imaging interferometer which could be carried on a constellation of small satellites, that would have an increased revisit frequency of anthropogenic CO2 emission hotspots compared to single-platform satellite missions. The original measurement approach proposed but the SCARBO concept allows for an increased spatial resolution that enables to distinguish anthropogenic CO2 emission plumes. On the other hand, a trade-off between spatial and spectral resolutions is performed in order to enable the observing concepts that rely on spectra measurements to observe CO2 emission plumes. Thus, we finally study how spectral resolution, radiometric noise and misknwoledge of scattering particles and other interfering geophysical variables, and of spectroscopic parameters impact the performance and/or sensitivities of these CO2 observing concepts.