Soutenance d'HDR de Fabien WAQUET

Laboratoire d'Optique Atmosphérique (LOA)

12 décembre 2018, 14h00, Amphithéâtre 1A14, IUT-A, Université de Lille

 

Résumé (FR)

Résumé des travaux de recherche
Fabien Waquet

      Les aérosols ont un effet direct sur le climat en interagissant avec les rayonnements solaire et tellurique. Ces particules affectent également le climat de façon indirecte en modifiant les propriétés des nuages, leur cycle de vie et les précipitations. Malgré l’amélioration de notre connaissance de leurs effets, la quantification de l’impact des aérosols reste une problématique majeure pour les sciences du climat. Ces particules ont également des effets sur la santé, la pollution atmosphérique, la visibilité et l’environnement. Il est nécessaire de caractériser leur forte variabilité spatio-temporelle et leur cycle de vie afin de quantifier  ces différents impacts.

      Les méthodes de télédétection spatiale permettent une observation globale et journalière des aérosols et constituent donc un outil privilégié pour leur surveillance. Ces méthodes se sont développées depuis plus d’une quarantaine d’années. Les premiers instruments spatiaux s’intéressaient uniquement à la caractérisation de l’aspect énergétique du rayonnement. Le paramètre aérosol obtenu était principalement l’épaisseur optique qui caractérise la charge en aérosols sur la colonne atmosphérique. Une seconde génération d’instruments, et les méthodes associées, ont permis de fournir un paramètre supplémentaire indicatif de la taille de ces particules. Jusqu’à récemment, ces paramètres étaient restitués uniquement pour des situations en ciel clair (« sans nuage ») et avec une meilleure précision au-dessus des océans qu’au-dessus des terres.

         Mes travaux de recherche portent principalement sur le développement de méthodes de télédétection des aérosols s’appuyant sur des mesures de luminances spectrales, directionnelles et polarisées acquises depuis l’espace ou depuis un avion. Ces nouvelles capacités d’observation permettent de restituer de nouveaux paramètres tel que l’absorption au-dessus des océans en ciel clair et d’étudier certaines propriétés radiatives des surfaces. Une contribution novatrice a porté sur le développement d’une méthode de télédétection passive permettant de caractériser les aérosols transportés au-dessus des nuages. Les résultats obtenus au niveau global montrent que des aérosols absorbants sont présents en quantité au-dessus des nuages et sont susceptibles d’exercer un forçage radiatif direct positif (réchauffement). Cette méthode permet également de restituer plus précisément les propriétés de nuages sous-jacents. Ces activités se poursuivent avec l’analyse des mesures d’une campagne de aéroportée menée en Namibie. L’instrument aéroporté OSIRIS, prototype du futur instrument spatial 3MI de l’ESA, a participé à cette campagne. Cette région du monde présente des couches d’aérosols de brûlis co-localisées avec des nuages bas persistants et constitue un laboratoire naturel d’étude des interactions aérosols-nuage.

        Les derniers développements réalisés sur les méthodes spatiales de détection des aérosols en ciel clair et nuageux seront exposés ainsi que les aspects portant sur l’instrumentation, le transfert radiatif et le développement d’algorithmes d’inversion. Je présenterai ensuite les principales perspectives de ces recherches en termes de synergie instrumentale et de validation, dans le cadre de la préparation de la future mission spatiale 3MI, ainsi que les objectifs scientifiques associés portant sur l’étude des effets des aérosols sur les nuages et le climat.


 

Abstract (EN)

Research Summary
Fabien Waquet

      Aerosols directly impact the Earth climate by interacting with solar and telluric radiations. These atmospheric particles also indirectly affect the climate by modifying the clouds properties, cloud formation and precipitation. Despite recent progress in our understanding of the aerosol-radiation interactions, the quantification of their effect remains one of the main sources of uncertainty in climate studies. These particles also have effects on human health, atmospheric pollution, visibility and environment. It is therefore necessary to characterize their strong spatial and temporal variability and their life cycle, in order to quantify their different impacts.

       Satellite observations provide global and daily observations and constitute a dedicated tool for monitoring aerosol properties. Satellite aerosol remote sensing methods have been developed for over 40 years. The first spaceborne sensors only measured the intensity of the radiation reflected by the Earth-atmosphere system. The aerosol optical thickness, which corresponds to the aerosol extinction integrated over the atmospheric column, was the only parameter to be retrieved. The next generation of instruments, and the related retrieval methods, mainly allowed to retrieve one additional parameter, characterizing the particles size. Until recently, these parameters were only retrieved under clear-sky conditions (cloud free scenes) and with a better accuracy over ocean than over land.

      My research work mainly focuses on the development of remote sensing techniques for aerosol retrieval based on the use of spectral, directional and polarized radiance acquired from satellite or airborne instruments. These new possibilities of observations allowed to retrieve new aerosol parameters such that the aerosol absorption over ocean in clear sky conditions and to study some peculiar radiative properties of the surface. One innovative contribution is the development of a new remote sensing method allowing the characterization of aerosols above clouds. The results show that significant amounts of absorbing aerosols are transported above clouds at global scale and that these particles may exert a positive radiative forcing (warming). This method also allows to retrieve the properties of the below cloud layer in a more accurate way. These activities are supplemented by the analysis of measurements acquired during an airborne field campaign performed in Namibia. The OSIRIS instrument, which is the airborne prototype of the future 3MI satellite of ESA, participated to this field campaign. This region of the world shows layers of biomass-burning aerosols collocated with persistent low-level clouds and constitute a natural laboratory for the study of aerosol-cloud interactions.

       The last improvements in satellite aerosol remote sensing techniques achieved for both cloud free and cloudy conditions will be presented. The different aspects of this work will be discussed including instrumentation, radiative transfer and development of retrieval algorithms. Next, I will present the main perspectives of this work in terms of instrumental synergy and validation, in the frame of the preparation of the spaceborne 3MI mission, as well as the related scientific objectives on the study of the effects of aerosols on clouds and climate.

 

date: 
Mercredi, 12 Décembre, 2018 - 14:00
descriptif etiquette: 
LOA Université de Lille