Observation et quantification du bilan radiatif terrestre à partir du satellite UVSQ-SAT

Observing and quantifying Earth's radiation budget from UVSQ-SAT satellite

• Auteur / Autrice : Adrien Finance
• Direction : Mustapha Meftah
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 31/03/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Atmosphères, observations spatiales (Guyancourt, Yvelines ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Richard Dahoo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Steven Dewitte, Karina Von Schuckmann, Nathalie Brun-Huret, Thierry Dudok De Wit, Benoit Meyssignac, Didier Fussen
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Steven Dewitte, Karina Von Schuckmann

Mots clés

Mots clés contrôlés

Orientation spatiale

Apprentissage profond

Télédétection

Nanosatellites

Changements climatiques -- Détection

Bilan énergétique (géophysique)

Mots clés libres

Bilan radiatif terrestre

Observation et suivi du climat

Nanosatellite

Télédétection

Détermination de l'attitude

Méthode d'apprentissage profond

Earth radiation budget

Climate observation and monitoring

Nanosatellite

Remote sensors

Attitude determination

Deep Learning method

Résumé

Cette thèse a pour objectif d'apporter un regard nouveau sur l'observation depuis l'espace des composants du bilan radiatif de la Terre (ERB). Le climat est contrôlé par la quantité de flux solaire absorbé par la Terre et la quantité de flux infrarouge émis vers l'espace. Ces quantités, ainsi que leur différence, définissent l'ERB. Différentes techniques existent pour quantifier cette variable telles que l'observation par satellite, les mesures in situ, les réanalyses ou les modèles. Le projet UVSQ-SAT fournit des observations par satellite de l'ERB. Les produits UVSQ-SAT comprennent le rayonnement solaire réfléchi et le rayonnement émis par la Terre depuis le sommet de l'atmosphère (TOA). Le CubeSat UVSQ-SAT a été lancé en Janvier 2021. Cette thèse traite de la détermination des flux terrestres émis à courtes et longues longueurs d'ondes, en se basant sur deux ans d'observation d'UVSQ-SAT. Un des objectifs est de déterminer précisément l'attitude du satellite pour obtenir l'ERB. Les méthodes de reconstruction des cartes de flux et les résultats de la mission sont présentés et expliqués. Les résultats de cette première approche fournissent des indications précieuses qui peuvent éclairer la conception et la mise en œuvre de futures missions spatiales. L'observation de l'ERB au TOA avec une précision inégalée (1.00 W/m-2), en temps quasi réel (3 h) et en tout point du globe (quelques kms), requiert la mise en oeuvre d'une mégaconstellation de satellites. Les résultats obtenus lors de cette thèse montre l'intérêt d'avoir une constellation d'un minimum de 512 satellites pour atteindre des performances inégalées présentant d'excellentes périodes de revisite et résolution spatio-temporelle.

The objective of this thesis is to highlight a new vision of the observation from space of the components of the Earth's radiation budget (ERB). Climate is controlled by the amount of sunlight absorbed by Earth and the amount of infrared energy emitted to space. These quantities together with their difference define the ERB. Different techniques exist to quantify this variable such as satellite observation, in-situ measurements, reanalysis, or models. UVSQ-SAT project provides satellite-based observations of the ERB. UVSQ-SAT products include both solar-reflected and Earth-emitted radiation from the top of the atmosphere (TOA). One of the goals is to determine accurately the in-orbit attitude determination of the satellite for obtaining the ERB. The methods to reconstruct flux maps and results from the mission are shown and explained. The results from this initial approach provide valuable insights that can inform the design and implementation of future satellite missions. Observation of the ERB at the TOA with a unique accuracy (1.00 W/m-2), in near-real time (3 h) and at any point on the globe (few kms), requires the implementation of a mega-constellation of satellites. The results obtained during this thesis demonstrate the advantage to have a constellation of a minimum of 512 satellites for having unequaled performances presenting an excellent revisit, and spatiotemporal resolution.