Les rendez-vous de l'urgence environnementale #2

30/11/2023 14:30

Cap sur Jupiter et ses lunes

30/11/2023 14:00

Université Paris Cité lance CinéScience

27/11/2023 19:00

À l'origine des fleuves dans les Andes semi-arides : le rôle hydrologique des glaciers rocheux et des tourbières vu par les méthodes hydrogéophysiques et isotopiques

07/05/2021 12:00

Dans les Andes semi-aride du Chili, les glaciers rocheux sont d’une importance majeure, car ils délivrent de l’eau aux saisons les plus critiques. Ils sont de plus prépondérants par rapport aux glaciers blancs dans cette région des Andes.

Le spectromètre VenSpec-U sur EnVision : modélisation instrumentale pour la caractérisation des performances scientifiques

15/12/2025 14:00

Bien que Vénus ait été étudiée par de nombreuses missions spatiales, les processus chimiques et dynamiques complexes à l’œuvre dans son atmosphère et les interactions entre les différentes parties de la planète ne sont pas encore totalement compris. L’histoire de Vénus, son activité interne actuelle ainsi que son climat sont donc des sujets importants pour l’étude des mécanismes de formation et d’évolution des planètes telluriques. Ces trois thèmes sont les objectifs scientifiques principaux de la prochaine mission de l’ESA à destination de Vénus, EnVision, dont le lancement est prévu pour fin 2031. La mission vise à apporter une vue d’ensemble de la planète grâce aux divers instruments embarqués, qui seront dédiés à l’étude de la planète dans son ensemble : la croûte avec un radar de sous-surface, la surface avec un radar à synthèse d’ouverture, l’atmosphère avec une suite de trois spectromètres, ainsi que ses caractéristiques atmosphériques et internes globales avec une étude de radio-science.

Parmi la charge utile, le spectromètre VenSpec-U sera dédié à l’étude de l’atmosphère située au-dessus de la couche de nuages. L’instrument étudiera les propriétés chimiques et dynamiques de cette couche de l’atmosphère, en observant notamment le dioxyde de soufre SO₂ et le monoxyde de soufre SO tous deux présents à l’état de gaz traces, l’absorbant UV de nature encore inconnue ainsi que les processus dynamiques à petite échelle spatiale au sommet des nuages tels que les ondes de gravité ou les cellules de convection. Il observera la lumière solaire rétrodiffusée par les nuages de Vénus du côté jour. Pour ce faire, l’instrument comportera deux canaux. L’un effectuera des observations sur une bande de longueurs d’onde étendue, de 190 à 380 nm, avec une résolution spectrale modérée de 2 à 5 nm, permettant notamment le suivi de l’absorbant UV et les observations avec haute résolution spatiale. L’autre opérera sur une bande de longueurs d’onde plus réduite, entre 205 et 235 nm, et sera dédié à l’identification séparée de SO et SO2 grâce à la résolution spectrale plus fine de 0,3 nm, qui permettra la distinction des raies d’absorption de chacune de ces deux espèces au sein de leur bande commune.

Cependant, les différents composants optiques ou électroniques de l’instrument introduiront inévitablement des perturbations sur les images et spectres acquis, qui entraîneront à leur tour des imprécisions et des biais sur les mesures des propriétés de l’atmosphère de Vénus. Des spécifications ont été définies en amont du projet afin de garantir le respect des objectifs scientifiques. À travers cette thèse, nous cherchons donc à mettre en place des méthodes permettant d’estimer l’impact de ces diverses sources d’erreurs sur la qualité des mesures, et plus particulièrement de vérifier l’adéquation entre la conception instrumentale et les spécifications. Pour cela, des modèles numériques ont été utilisés, dont deux pré-existants : un modèle de transfert radiatif pour simuler les spectres reçus en fonction des caractéristiques de l’atmosphère de Vénus, ainsi qu’un premier modèle radiométrique de l’instrument. L’un des objectifs de cette thèse a notamment été de mettre en place un modèle instrumental permettant de simuler les images et spectres mesurés par l’instrument jusqu’au niveau du détecteur inclus, en tenant compte des diverses perturbations introduisant des erreurs sur les spectres. Diverses études de performances et de sensibilités ont alors été réalisées à partir de ces modèles, vis-à-vis des erreurs aléatoires ou systématiques, des niveaux de signal et de bruit dans les différents cas d’observation prévus, concernant Vénus ou le Soleil pour les calibrations en vol, ou encore des capacités d’imagerie de l’instrument. À ce stade, les résultats obtenus montrent que l’instrument devrait être capable de satisfaire ses spécifications scientifiques.

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English version

Although Venus has been studied by numerous space missions, the complex chemical and dynamical processes taking place in its atmosphere, as well as the interactions between the different parts of the planet, are not yet fully understood. The history of Venus, its current internal activity, and its climate are therefore of paramount importance to understand the formation and evolution mechanisms of terrestrial planets. These three topics are the main scientific objectives of ESA’s next mission to Venus, EnVision, whose launch is planned for the end of 2031. The mission aims to provide a holistic view of the planet thanks to various instruments, dedicated to the study of the planet as a whole: the crust with a subsurface radar sounder, the surface with a synthetic aperture radar, the atmosphere with a suite of three spectrometers, as well as its global atmospheric and internal characteristics through a radio-science experiment.

As a part of the payload, the VenSpec-U spectrometer will be dedicated to the study of the upper atmosphere, located above the cloud layer. The instrument will investigate the chemical and dynamical properties of this part of the atmosphere, by observing in particular two gaseous trace species, namely the sulphur dioxide SO2 and sulphur monoxide SO, as well as the yet unknown UV absorber, and the dynamical processes at small spatial scales at the cloud top such as gravity waves and/or convection cells. It will observe the solar light backscattered by Venus’ clouds on the dayside. For this purpose, the instrument will be composed of two channels. One will perform observations using a wide wavelength range, from 190 to 380 nm, with a moderate spectral resolution of 2 to 5 nm, allowing the monitoring of the UV absorber and high spatial resolution observations. The other will operate on a narrower wavelength range, between 205 and 235 nm, and will be dedicated to the separate identification of SO and SO₂, thanks to its high spectral resolution of 0.3 nm, which will allow the distinction of the absorption lines of each of these two species within their common band.

However, the optical and electronical components of the instrument will inevitably introduce perturbations on the acquired images and spectra, which in turn will cause errors in the measurements of the targeted atmospheric properties of Venus. Requirements were therefore defined in the early stages of the project to ensure that the scientific objectives are achieved. In this thesis, we therefore aim to develop methods allowing to estimate the impact of these various sources of error on the quality of the measurements, and more specifically to assess the compliance between the instrument design and the specifications. To that end, numerical models have been used, including two pre-existing ones: a radiative transfer model to simulate incoming spectra depending on the characteristics of Venus atmosphere, and a first radiometric model of the instrument up to (and including) the detector. One of the objectives of this thesis was in particular to implement an instrumental model that aims to simulate the images and spectra as they would be provided by the instrument, by taking into account the various perturbations that introduce errors on the spectra. Various performance and sensitivity studies have then been carried out using these models, regarding random or systematic errors, signal and noise levels in the different foreseen observation cases, either Venus or the Sun for in-flight calibrations, as well as the imaging capabilities of the instrument. At this stage, the obtained results show that the instrument should be able to meet its science requirements.

Vortex et panaches d’aérosols (feux et volcans) dans la stratosphère

11/12/2025 14:00

Les éruptions volcaniques majeures et les mégafeux de forêt peuvent injecter dans la stratosphère – une couche de l’atmosphère située entre environ 8-18 km et 50 km d’altitude – d’importantes quantités de gaz, d’aérosols et de vapeur d’eau. Ces panaches peuvent atteindre des altitudes où ils modifient la composition et la dynamique de l’air, influençant ainsi le climat mondial pendant plusieurs mois, voire plusieurs années. Cette thèse exploite des observations satellitaires multi-instrumentales pour caractériser l’évolution, la dispersion et les propriétés optiques de ces panaches. En s’appuyant sur deux événements récents exceptionnels, l’éruption du Hunga (2022) et les feux australiens (2019-2020), ce travail contribue à une meilleure compréhension des processus physiques et chimiques stratosphériques et de leur rôle dans la variabilité du climat et de l’atmosphère terrestre.

 

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L’éruption du Hunga du 15 janvier 2022, d’une explosivité extrême (indice d’explosivité volcanique proche de 6), a battu plusieurs records de l’ère satellitaire, avec une altitude maximale du panache atteignant environ 58 km et une injection exceptionnelle de vapeur d’eau estimée à 150 Tg dans la stratosphère habituellement sèche (soit près de 10 % de son contenu global). L’analyse combinée de plusieurs instruments a permis de retracer les phases de conversion rapide du SO2 en aérosols sulfatés accélérée par la forte humidité, ainsi que l’évolution d’abord conjointe, puis séparée, des panaches d’aérosols et de vapeur d’eau dans la stratosphère. Les propriétés microphysiques des aérosols (rayon effectif ~ 0.4 µm, déviation standard géométrique ~ 1.25), différentes des conditions de fond et d’autres éruptions stratosphériques récentes, ont été restituées à partir des mesures spectrales de SAGE III/ISS, permettant une estimation précise de la masse d’aérosols sulfatés (0.66 ± 0.1 Tg H2SO4). Les propriétés optiques (extinction et rapport lidar) dérivées des mesures CALIOP montrent une excellente cohérence avec les calculs de Mie et les observations de SAGE III/ISS, tout en soulignant les limites des produits d’extinction au limbe dans le cas de distributions d’aérosols atypiques.

Les mégafeux australiens de décembre 2019–janvier 2020 ont quant à eux démontré la capacité des pyrocumulonimbus à injecter des masses considérables de fumées dans la stratosphère, engendrant la formation de vortex stratosphériques anticycloniques. Le vortex principal a présenté une auto-élévation remarquable de 15 à 36 km sur trois mois. Nous montrons que les zones de forte vorticité coïncident avec les régions de confinement maximal des aérosols de fumée. L’analyse des rapports de mélange met en évidence un appauvrissement en ozone, une vapeur d’eau stable mais élevée, et une diminution progressive des traceurs de combustion, suggérant une évolution chimique propre au vortex et un faible impact de la dilution ou du mélange avec les masses d’air environnantes.

L’ensemble des travaux présentés contribue à améliorer la compréhension des processus physico-chimiques qui régissent l’évolution des panaches stratosphériques issus d’événements extrêmes. Ils soulignent également les défis persistants liés à la caractérisation des aérosols non sphériques et à la variabilité croissante du fond stratosphérique, dans un contexte de multiplication des événements extrêmes et de réchauffement global.

The ocean fine-scale circulation as revealed by high-resolution field observations and SWOT altimetry

02/12/2025 14:00

The surface of the ocean is filled with small vortices, fronts, meanders and filaments embedded within the larger-scale circulation. Described as the ocean ‘fine-scales’, they are suspected to affect the ocean circulation and the marine biome up to the climate scale by redistributing energy between scales and providing dynamical conduits connecting the ocean mixed layer to the interior. Yet, a fuller contemporary understanding of these processes, including accurate assessments of their impacts on the vertical transport and transfer of energy, has been lacking due to the scarcity of observations made at the required time-space scales.

In this work, we focus on the observation and characterization of ocean dynamics at high spatio-temporal scales in two different dynamical regions of the world ocean: the northwestern tropical Atlantic and the Agulhas Current Retroflection. This is undertaken using novel high-resolution observations from two different disconnected research experiments, including both in situ data collected by autonomous platforms and sea surface height measurements from the novel Surface Water and Ocean Topography (SWOT) satellite altimeter.