Polarimètre imageur OSIRIS

OSIRIS, conçu et fabriqué au LOA (Université de Lille/CNRS) est le prototype aéroporté de l’instrument spatial européen 3MI de l’Agence Spatiale Européenne (ESA), qui sera lancé fin 2025 pour le compte de l’agence météorologique spatiale européenne (EUMETSAT). Les mesures aéroportées acquises par OSIRIS pendant AERO-HdF sont ainsi essentielles pour faire progresser en termes technologiques et méthodologiques les futures observations atmosphériques qui seront produites par le satellite européen. Il s’agit par exemple d’évaluer les performances d’une nouvelle méthode d’étalonnage en vol pour le capteur satellitaire, ou de tester différents algorithmes de restitution innovants des propriétés des aérosols (comme GRASP-Chimie) avant leur application à 3MI.

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Figure T1 : (a) Image de type composition colorée obtenue à partir des mesures de luminances acquises par l’instrument OSIRIS à 490, 550 et 670 nm, au-dessus de Lille le 18 juillet 2023. (b) Le polarimètre imageur OSIRIS installé avant un vol. (c) Image acquise au-dessus de Dunkerque lors du vol effectué le 24 juillet 2023. Taille de l’image OSIRIS : environ 20 par 15 km, résolution du pixel : 20 mètres. Altitude de l’avion : 6 km environ. Les images révèlent la diversité des scènes survolées (agricoles, urbaines, océaniques avec quelques nuages). On notera que le recalage des images spectrales est réalisé avec le sol pris comme référence ce qui facilite l’observation des surfaces terrestres mais ne convient pas à l’observation de certaines cibles (exemple : nuages hauts) qui apparaissent ici légèrement colorées sur les images composites. Trajectoire de l’avion lors du vol du 21 juillet 2023 et images OSIRIS (Source : LOA)

Cet instrument, à l’instar du futur instrument 3MI de l’ESA, est composé de deux capteurs (visible et infrarouge courtes longueurs d’onde) coordonnés : deux optiques télécentriques à large champ, de deux roues, qui portent respectivement les filtres (pour la sélection des longueurs d’ondes) et les analyseurs (pour la mesure de la polarisation), et deux détecteurs à deux dimensions. Le tableau 1 résume les canaux spectraux disponibles sur OSIRIS et sur le futur 3MI.

	VIS-NIR											MIR
3MI	410	443	490	555	670	763	754	865	910				1370	1650	2130
OSIRIS	/	440	490	550	670	763	765	870	910	940	1020	1240	1360	1620	2130

Tableau 1. Résumé des domaines spectraux des instruments satellitaux 3MI et de l’instrument aéroporté OSIRIS. Les longueurs d’ondes sont données en nanomètre. Les canaux disposant de mesures polarisées sont représentés en rouge. Nous avons reporté la configuration de la campagne Aero-HdF. En réalité pour OSIRIS, Il est possible d’effectuer des mesures polarisées sur l’ensemble des canaux spectraux indiqués selon la volonté du manipulateur.

Mesures photométriques mobiles : aéroportées, maritimes et terrestres

Le PLASMA (Photomètre Léger Aéroporté pour la Surveillance des Masses d’Air) est un photomètre aéroporté qui permet de mesurer l’épaisseur optique d’extinction des aérosols pour la colonne d’atmosphère situé au-dessus de l’avion ATR-42, et cela dans différentes longueurs d’onde (340, 380, 440, 500, 532, 670, 870 et 1640 nm). Le canal de PLASMA centré sur 940 nm est également sensible à l’absorption par la vapeur d’eau, ce canal peut être utilisé pour estimer l’épaisseur optique d’absorption de la vapeur d’eau et par suite le contenu intégré en vapeur d’eau pour la colonne d’atmosphère située au-dessus de l’avion.

Le même instrument a été placé sur une voiture instrumentée, appelé MAMS (MobileAerosol Monitoring System)qui aussi été utilisé pour effectuer des mesures avec un lidar des mesures par prélèvement pour obtenir les PMs. Des trajets ont été dans les Hauts-de-France comme entre Lille et Dunkerque et aussi le long des côtes de la Manche pendant les vols réalisés au-dessus de la Manche et de la mer du Nord. Des mesures photométriques ont également été réalisées depuis un ferry reliant Dieppe et South Hampton. 

Figure T2 : (a) Voiture instrumentée MAMS (Mobile Aerosol Measurements System) du Labex CaPPA à l’aéroport de Calais. (b) Exemple de mesures photométriques réalisées lors d’une traversé sur un Ferry sur la Manche en parallèle des vols de l’ATR-42.  (Source : LOA).

Figure T3 : Épaisseur optique des aérosols à 532 nm mesurée depuis avion à l’aide du photomètre PLASMA et depuis le Ferry reliant Dieppe et NewHeaven en Angleterre.

Mesures lidar mobiles et fixes depuis la surface

Les lidars de la station ATOLL du LOA ont permis de capturer la distribution verticale des aérosols et en particulier d’observer les aérosols de feux de biomasses canadiens transportés à hautes altitudes. Les mesures lidar mobiles (voiture MAMS) ont permis d’étendre spatialement ces observations.

Figure T4 : Distribution verticale des aérosols de feux de biomasse observée par lidar Lilas à Lille le 18 juillet 2023 entre 10h et 15h. Les mesures lidar révèlent la présence de panaches d’aérosols d’origine canadienne, principalement issus des feux de forêts. Lilas est un lidar Elastic & Raman multi-longueur d’onde. (Source : LOA). L’avion ATR-42 a permis d’obtenir des prélèvements dans ces panaches (voir Figure T1-a pour visualiser l’image d’OSIRIS obtenue lors du survol de Lille).

Mesures in situ et analyse de prélèvements

Pour compléter les observations par télédétection, des mesures in situ et des prélèvements ont été réalisées à l’aide de la plateforme AVIRAD du LISA. Ces échantillons sont analysés en laboratoire (microscopie électronique, spectroscopie Raman, etc.) afin de caractériser finement les propriétés physico-chimiques des particules, notamment leur composition chimique et leur état de mélange (noyau, enveloppe, mélange homogène). L’objectif est de comparer ces résultats détaillés avec les données de télédétection OSIRIS afin d’évaluer la capacité de nouvelles méthodes à estimer la composition des aérosols. En particulier, nous chercherons à déterminer si l’état de mélange des particules, un paramètre crucial pour l’interprétation des mesures polarimétriques (comme celles de 3MI), peut être caractérisé à partir des données AERO-HDF. Cette étude permettra d’affiner les modèles d’inversion utilisés pour estimer les propriétés optiques des aérosols à partir des mesures satellitales.

Figure P1 : (a) Substrat de bore utilisé pour réaliser les prélèvements avec les impacteurs (b) images obtenues au microscope électronique pour les particules de 1 à 10 microns observées pendant Aero-HdF dans les couches marines. (Source : LPCA)