Modélisation de la diffusion de la lumière des éclairs par les nuages et applications aux observations photométriques

Modelling of lightning scattering by clouds and applications to photometric observations

• Auteur / Autrice : Antoine Rimboud
• Direction : Philippe Dubuisson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Terre, enveloppes fluides
• Date : Soutenance le 13/04/2022
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• 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)
• Jury : Président / Présidente : Céline Cornet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Bouniol, Éric Defer, Laurent Couillard-Labonnote, Thomas Farges
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rodolphe Marion, Serge Soula

Mots clés

Mots clés contrôlés

Monte-Carlo, Méthode de

Microphysique

Nuages -- Physique

Lumière -- Diffusion

Transfert radiatif

Propriétés optiques

Télédétection

Foudre

Mots clés libres

Arc en retour

Forme d’onde

Remote Sensing

Radiative Transfer

Optic

Résumé

Les orages, présents partout dans le monde, produisent des éclairs qui émettent des ondes électromagnétiques (optiques et radios). Au début des années 2000, les premières cartes mondiales de l'activité des éclairs ont été produites par des satellites en orbite basse. Actuellement, les satellites géostationnaires américains GOES-16 et GOES-17 sont équipés d'imageurs d’éclair, tout comme le sera le satellite MTG en 2022. Parallèlement à cela, la mission ASIM est équipée d'instruments qui permettent, entre autres, d'observer les éclairs. La thèse a pour objectif de comprendre les effets des propriétés du nuage sur la propagation du signal lumineux émis par les éclairs. Depuis l’espace, seule la lumière diffusée par le nuage est visible. La compréhension de la diffusion par les nuages de cette lumière, produite par les décharges orageuses, est donc fondamentale. Pour modéliser ce processus, on utilise le code de transfert radiatif 3DMCPOL (Cornet et al., 2010), développé au Laboratoire d'Optique Atmosphérique (LOA) et qui est largement utilisé dans la commuauté de la télédétection. Ce modèle permet de caractériser, par la méthode de Monte-Carlo, les effets radiatifs de nuages ​​hétérogènes en trois dimensions, pour une source solaire ou thermique. Une source de type éclair a été implémentée dans 3DMCPOL, et les images et signaux observables par des instruments embarqués, comme ceux de la mission ASIM, ont été simulés. La variabilité de ces images et signaux calculés a été analysée en fonction des paramètres d’entrée du modèle. Les propriétés microphysiques du nuage peuvent être déterminées grâce aux données du nuage d'orage supercellulaire référencé dans Klemp et al. (1978), et simulé par le modèle Méso-NH du Centre National de Recherche Météorologique (CNRM).

Thunderstorms, present all over the world, produce lightning which emit electromagnetic waves (optics and radios). In the early 2000s, the first world maps of lightning activity were produced by satellites in low orbit (OTD, LIS instruments). Currently, the GOES-16 and GOES-17 geostationary satellites are equipped with lightning imagers, as the MTG satellite will be in 2022. They will strongly contribute to the real-time alert of severe thunderstorms. At the same time, the ASIM mission, on board the ISS, is equipped with instruments allowing, among other things, to observe lightning. The aim of the thesis is to understand the effects of cloud properties on the propagation of the light signal emitted by lightning. From space, only the light scattered by the cloud is visible. Understanding the scattering by clouds of this light, produced by thunderstorm discharges, is therefore fundamental. To model this process, we use the 3DMCPOL radiative transfer code (Cornet et al., 2010) widely used in the remote sensing community, and developed at the Laboratoire d’Optique Atmosphérique (LOA). This model allows to characterize, by the Monte-Carlo method, the radiative effects of heterogeneous clouds in three dimensions, for a solar or thermal source. A lightning-type source was implemented in 3DMCPOL, and the images and signals observable by on-board instruments, such as those from the ASIM mission, were simulated. The variability of these images and signals was analyzed according to the input parameters of the model. The microphysical properties of the cloud can be determined using data from the supercell storm cloud referenced in Klemp et al. (1978), and simulated by the Meso-NH model of the Centre National de Recherche Météorologique (CNRM).