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Observations solaires pour l’étude de l’atmosphère terrestre

Équipe scientifique : G. Thuillier, M. Hersé, Service d'Aéronomie, IPSL/CNRS
J.-M. Perrin, Relations Terre-Soleil, Observatoire de Haute-Provence
Équipe technique : F. Huppert, Relations Terre-Soleil,
Observatoire de Haute-Provence


Présentation


Vue du ciel de jour prise par une caméra spéciale grand-champ. On distingue les traînées d’avion.
  Le Soleil fournit à l'environnement terrestre son énergie sous forme de photons et de particules. Photons et particules agissent de façon très différente selon la latitude. Les particules ont une action prépondérante à hautes latitudes en hiver.

L'instrument EPIS en cours de test à l'Observatoire a pour objet d'étudier ces régions. Il sera mis en place au Spitzberg en août 2001.

En revanche, à des latitudes plus basses, l'action des photons conditionnent les propriétés chimiques, la structure thermique, et les mouvements de notre atmosphère.

Le Soleil étant une étoile variable, sa variabilité induit des variations à court et long terme des propriétés de notre atmosphère. C'est l'objet des relations Soleil-Terre que d'étudier les conséquences de la variabilité solaire sur l'atmosphère de la Terre.


Les photons que nous recevons au sol, ont traversé tout l'atmosphère. De façon générale, ils subissent des absorptions, peuvent photodissocier des molécules, sont aussi dispersés par les molécules de l'air ou les aérosols et enfin peuvent être réfléchis vers l'espace.

Par exemple, la photodissociation de l'oxygène moléculaire conduit à la création d'oxygène atomique qui en se recombinant produit de l'ozone qui est à l'origine de la stratosphère terrestre. En étudiant l'énergie lumineuse reçue dans le domaine ultraviolet, on peut étudier la concentration de l'ozone et ses variations. Fondée sur le même principe, la concentration de la vapeur d'eau et des aérosols peut être évaluée.

Or, parmi les questions importantes qui relèvent des relations Soleil-Terre, l'étude de la nébulosité de l'atmosphère est essentielle, car cette dernière contribue majoritairement à l'effet de serre. Sous forme de nuages denses, la nébulosité augmente l'albédo planétaire, mais elle contribue aussi à l'effet de serre. En revanche, sous forme de nuage hauts et fins comme les cirrus, l'albédo planétaire n'est pas augmenté, mais leur effet de serre demeure. Pour étudier, ces phénomènes nous disposons d'un ensemble d'instruments :

  • l'énergie reçue du Soleil en fonction de la longueur d'onde à l’aide d’un spectromètre,

  • l'énergie de la lumière solaire diffusée en fonction de la longueur d'onde à l’aide d’un second spectromètre observant dans différentes directions,

  • la quantité totale d'énergie reçue dans deux domaines spectraux (300-3000 nm et 300-320 nm) à l'aide de deux instruments appelés pyranomètres,

  • la nébulosité à l'aide d'une caméra pour l'interprétation des mesures.



Illustrations


spectromètre SOSP
 
pyranomètres
Le spectromètre qui mesure au sol la distribution de l'énergie reçue du Soleil en fonction de la longueur d'onde de 300 nm à 2500 nm. L'instrument est placé sur un pointeur solaire de façon à pouvoir observer du lever au coucher.
Les résultats sont visibles sur les figures 1 et 2 .


  Le pyranomètre de gauche est destiné à mesurer au sol l'énergie reçue du Soleil dans le domaine de longueur d'onde de 300 (seuil du domaine visible) à 3000 nm. Celui de droite est destiné à mesurer au sol l'énergie reçue du Soleil dans le domaine de longueur d'onde de 300 à 320 nm (domaine de l'ultraviolet).
Les résultats sont présentés sur les figures 3 et 4 .


spectromètre DOAN
 
Pointeur

Spectromètre qui mesure la composante diffuse en fonction de la longueur d'onde de 300 à 850 nm.   Un pointeur permet de suivre le Soleil du lever au coucher ou d'observer n'importe quelle région du ciel selon un programme déterminé à l'avance.

Les mesures obtenues sont présentées sur les figures 5 et 6 .



Graphiques


 


Fig. 1 - Spectres du Soleil entre 1 et 2,400 mm mesurés hors atmosphère et au sol à la résolution de 20 nm. On notera les bandes d'absorption à 1125, 1375 et 1875 nm dues à la vapeur d'eau contenue dans l'atmosphère de la Terre.

 

 


  Fig. 2 - Spectres du Soleil entre 300 et 850 nm à la résolution de 1 nm. Les diminutions (raies de Fraunhofer) de l'intensité du rayonnement solaire à certaines longueurs d'onde par exemple à 656 nm, sont dues aux éléments chimiques présents dans l'atmosphère solaire. On notera la diminution de l'intensité reçue au sol avec celle mesurée hors atmosphère. L'atmosphère terrestre produit d'autres absorptions, par exemple celle à 760 nm due à l'oxygène moléculaire.

 

 
Fig. 3 - Variation du lever au coucher du Soleil de l'énergie reçue au sol dans le domaine ultraviolet pour un jour de beau temps et pour un jour nuageux. On remarquera l'effet de l'absorption par l'ozone atmosphérique au lever et au coucher.

 

  Fig. 4 - Variation du lever au coucher du Soleil de l'énergie reçue au sol dans le domaine 300 à 3000 nm pour un jour de beau temps et pour un jour nuageux.

 

 

 
Fig. 5 - Distribution en fonction du temps et de l'élévation de la composante diffuse dans un plan vertical suivant le Soleil, par beau temps (6 janvier 1999) à la longueur d'onde de 450 nm.

 

 

  Fig. 6 - Distribution en fonction du temps et de l'élévation de la composante diffuse dans un plan vertical suivant le Soleil, par mauvais temps (28 mai 1999) à la longueur d'onde de 450 nm.

 

 


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31 Janvier 2001