Infrared remote sensing of atmospheric aerosols
Apports du sondage infrarouge à l'étude des aérosols atmosphériques
Résumé
The 2001 report from the Intergovernmental Panel on Climate Change emphasized the very low level
of understanding of atmospheric aerosol effects on climate. These particles originate either from
natural sources (dust, volcanic aerosols...) or from anthropogenic sources (sulfates, soot...). They are
one of the main sources of uncertainty on climate change, partly because they show a very high
spatio-temporal variability. Observation from space, being global and quasi-continuous, is therefore a
first importance tool for aerosol studies.
Remote sensing in the visible domain has been widely used to obtain a better characterization of these
particles and their effect on solar radiation. On the opposite, remote sensing of aerosols in the infrared
domain still remains marginal. Yet, not only the knowledge of the effect of aerosols on terrestrial
radiation is needed for the evaluation of their total radiative forcing, but also infrared remote sensing
provides a way to retrieve other aerosol characteristics (observations are possible at night and day,
over land and sea).
In this PhD dissertation, we show that aerosol optical depth, altitude and size can be retrieved from
infrared sounder observations. We first study the sensitivity of aerosol optical properties to their
microphysical properties, we then develop a radiative transfer code for scattering medium adapted to
the very high spectral resolution of the new generation sounder NASA-Aqua/AIRS, and we finally
focus on the inverse problem. The applications shown here deal with Pinatubo stratospheric volcanic
aerosol, observed with NOAA/HIRS, and with the building of an 8 year climatology of dust over sea
and land from this sounder. Finally, from AIRS observations, we retrieve the optical depth at 10 μm,
the average altitude and the coarse mode effective radius of mineral dust over sea.
of understanding of atmospheric aerosol effects on climate. These particles originate either from
natural sources (dust, volcanic aerosols...) or from anthropogenic sources (sulfates, soot...). They are
one of the main sources of uncertainty on climate change, partly because they show a very high
spatio-temporal variability. Observation from space, being global and quasi-continuous, is therefore a
first importance tool for aerosol studies.
Remote sensing in the visible domain has been widely used to obtain a better characterization of these
particles and their effect on solar radiation. On the opposite, remote sensing of aerosols in the infrared
domain still remains marginal. Yet, not only the knowledge of the effect of aerosols on terrestrial
radiation is needed for the evaluation of their total radiative forcing, but also infrared remote sensing
provides a way to retrieve other aerosol characteristics (observations are possible at night and day,
over land and sea).
In this PhD dissertation, we show that aerosol optical depth, altitude and size can be retrieved from
infrared sounder observations. We first study the sensitivity of aerosol optical properties to their
microphysical properties, we then develop a radiative transfer code for scattering medium adapted to
the very high spectral resolution of the new generation sounder NASA-Aqua/AIRS, and we finally
focus on the inverse problem. The applications shown here deal with Pinatubo stratospheric volcanic
aerosol, observed with NOAA/HIRS, and with the building of an 8 year climatology of dust over sea
and land from this sounder. Finally, from AIRS observations, we retrieve the optical depth at 10 μm,
the average altitude and the coarse mode effective radius of mineral dust over sea.
Le rapport du Groupe Intergouvernemental d'experts sur l'Evolution du Climat de 2001 soulignait le
niveau très imparfait de notre compréhension de l'effet des aérosols atmosphériques sur le climat. Ces
particules d'origines naturelles (poussières, aérosols volcaniques...) ou anthropiques (sulfates,
suies...) sont une des principales sources d'incertitude sur le changement climatique. Une des raisons
à cela est leur très grande variabilité spatio-temporelle. Par nature globale et quasi-continue,
l'observation spatiale des aérosols est donc un outil indispensable à leur étude.
Si la télédétection dans le domaine visible s'est beaucoup développée pour permettre de mieux
caractériser ces particules et leur effet sur le rayonnement solaire, l'utilisation de la télédétection dans
le domaine infrarouge est encore sous-exploitée. Or, non seulement la connaissance de l'effet des
aérosols sur le rayonnement terrestre est indispensable à l'évaluation de leur forçage radiatif total,
mais la télédétection infrarouge permet aussi la mesure de grandeurs inaccessibles à la télédétection
visible (observations possibles de nuit comme de jour, sur terre comme sur mer).
Dans cette thèse, nous montrons que les observations des sondeurs infrarouges permettent de
caractériser les aérosols en épaisseur optique infrarouge, en altitude, et en taille. Après une étude de la
sensibilité des propriétés optiques des aérosols à leur microphysique, et le développement d'un code
de transfert radiatif pour un milieu diffusant adapté à la haute résolution spectrale du sondeur de
nouvelle génération NASA-Aqua/AIRS, nous abordons le problème inverse. Les applications
présentées ici couvrent entre autres les aérosols stratosphériques volcaniques du Pinatubo, observés
avec le sondeur NOAA/HIRS, et la construction d'une climatologie de 8 ans des poussières
désertiques sur mer et sur terre avec ce même instrument. L'inversion des observations AIRS nous a
permis ensuite de déterminer l'épaisseur optique à 10 μm, l'altitude moyenne et le rayon effectif du
mode grossier des poussières au-dessus des mers.
niveau très imparfait de notre compréhension de l'effet des aérosols atmosphériques sur le climat. Ces
particules d'origines naturelles (poussières, aérosols volcaniques...) ou anthropiques (sulfates,
suies...) sont une des principales sources d'incertitude sur le changement climatique. Une des raisons
à cela est leur très grande variabilité spatio-temporelle. Par nature globale et quasi-continue,
l'observation spatiale des aérosols est donc un outil indispensable à leur étude.
Si la télédétection dans le domaine visible s'est beaucoup développée pour permettre de mieux
caractériser ces particules et leur effet sur le rayonnement solaire, l'utilisation de la télédétection dans
le domaine infrarouge est encore sous-exploitée. Or, non seulement la connaissance de l'effet des
aérosols sur le rayonnement terrestre est indispensable à l'évaluation de leur forçage radiatif total,
mais la télédétection infrarouge permet aussi la mesure de grandeurs inaccessibles à la télédétection
visible (observations possibles de nuit comme de jour, sur terre comme sur mer).
Dans cette thèse, nous montrons que les observations des sondeurs infrarouges permettent de
caractériser les aérosols en épaisseur optique infrarouge, en altitude, et en taille. Après une étude de la
sensibilité des propriétés optiques des aérosols à leur microphysique, et le développement d'un code
de transfert radiatif pour un milieu diffusant adapté à la haute résolution spectrale du sondeur de
nouvelle génération NASA-Aqua/AIRS, nous abordons le problème inverse. Les applications
présentées ici couvrent entre autres les aérosols stratosphériques volcaniques du Pinatubo, observés
avec le sondeur NOAA/HIRS, et la construction d'une climatologie de 8 ans des poussières
désertiques sur mer et sur terre avec ce même instrument. L'inversion des observations AIRS nous a
permis ensuite de déterminer l'épaisseur optique à 10 μm, l'altitude moyenne et le rayon effectif du
mode grossier des poussières au-dessus des mers.