DOGNIAUX
13 décembre 2021
Suivi de la concentration atmosphérique de CO2 par satellite : performances et sensibilités des prochains concepts d’observation dans le proche infrarouge.
Hervé
Herbin – LOA (Rapporteur)
Frédéric Chevallier – CEA LSCE (Rapporteur)
Thomas Lauvaux – CNRS LSCE (Examinateur)
Clémence Pierangelo – CNES (Examinatrice)
Cyril Crevoisier – CNRS LMD (Directeur de thèse)
Laure Brooker – Airbus Defence and Space (Invitée)
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, and it is applied on real measurements performed by the currently flying American Orbiting Carbon Observatory-2 mission. 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 in atmospheric CO2 retrieval results. 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.