Méthodes de mesures de la SSS

Mesures in situ

Aujourd’hui la plupart des mesures in situ de la salinité repose sur la mesure de la conductivité de l’eau de mer. De nouvelles méthodes basées sur la diffraction de l’eau existent [Malardé et al., 2009] mais ne sont pas largement utilisées. Je m’intéresserai dans cette section uniquement à la salinité de surface acquise entre 0 m et 10 m de profondeur. [Henocq, 2009] présente une étude détaillée des différentes mesures in situ de la salinité de surface ainsi que de la stratification verticale de la salinité dans les 10 premiers mètres. Ces mesures peuvent se scinder en plusieurs catégories que je regroupe en fonction de l’échantillonnage spatio-temporel.

CTD, XCTD et prélèvement fournissent des données ponctuelles de salinités et de températures à différentes profondeurs. CTD (Conductivity, Temperature, Depth), les sondes jetables XCTD (eXpendable CTD) fournissent des profils en fonction de la profondeur. Ces instruments sont utilisés par des navires océanographiques (CTD, XCTD et prélèvement) ou par des navires d’opportunités (XCTD, prélèvement).

Gliders et Wave-Gliders fournissent des données le long d’une trajectoire prédéfinie. Les gliders oscillent entre la surface et une certaine profondeur à l’aide d’une vessie gonflable. Les wave-gliders restent en surface et tirent leur énergie de celle des vagues. Ce sont des instruments autonomes qui sont déployés pour des périodes allant jusqu’à plusieurs mois. À chaque remonté en surface la trajectoire du glider peut être reprogrammée.

Bouées, profileurs dérivants et éléphants de mer fournissent des données selon leur dérive/trajectoire pour des périodes allant du mois à plus d’une année. Les bouées sont conçues pour mesurer une salinité à une profondeur donnée (environ 50 cm pour les Pacificgyre et Meteocean, 28 cm, 17 cm et 4 cm pour respectivement les Surfact, Surplas et Surpact [Reverdin et al., 2010, Reverdin et al., 2013b]). Les profileurs (réseau ARGO [Riser et al., 2008]) échantillonnent la surface tous les 10 jours et lors de leurs remontés arrêtent de pomper l’eau dans la cellule de conductivité vers 5 m. Récemment des profileurs ARGO-STS (Surface Temperature Salinity) permettant d’échantillonner les premiers cm de la surface océanique ont été développés (31 déploiements au printemps 2012, [Riser, workshop Aquarius 2012]). Les éléphants de mer fournissent des données essentiellement sur les zones de prédations (front, plateau antarctique, . . . ).

TSG fournissent des données le long des trajectoires des navires océanographiques ou marchands. Les TSG (ThermoSalinoGraph) mesurent la salinité d’une eau pompée généralement entre 3 m et 5 m. Les TSG placés sur les navires marchands permettent d’acquérir des données régulières sur de longues périodes (annuelles) le long de traversées régulières.

Mouillages et bouées fixes fournissent des données d’un point fixe sur de longues périodes (mensuelles à multi-annuelles par exemple pour les réseaux TAO, PIRATA, RAMA) avec une haute résolution temporelle (généralement horaire).

En introduction, j’ai précisé que malgré la diversité de ces plateformes de mesures, la couverture spatio-temporelle des mesures de salinité reste souséchantillonnée et inégalement répartie à la surface des océans (Figure 2.1 page suivante [Antonov et al., 2010]). Malgré une nette amélioration de la couverture spatiale par rapport au World Ocean Atlas 2005 [Antonov et al., 2006] (non montrée), l’Atlantique Sud et le Pacifique Sud restent peu échantillonnés particulièrement dans les subtropiques. On remarque également une asymétrie dans la distribution spatiale des observations entre le mois de Janvier et Juillet particulièrement pour les hautes latitudes.

Principe de la mesure en radiométrie

Un radiomètre est un instrument passif qui mesure le flux électromagnétique reçu par une antenne. Le flux mesuré provient, dans notre cas, du rayonnement (émission) du milieu naturel (atmosphère, surface de l’océan), du rayonnement extra-terrestre (soleil, galaxie), mais aussi de sources anthropiques que l’on appelle interférence radiofréquence (RFI — RadioFrequency Interference) ˚ . Dans cette section, je commencerai par introduire deux grandeurs courantes en radiométrie hyperfréquence, la température de brillance, notée Tb et la température d’antenne, notée TA. Ces grandeurs représentent malgré leur dénomination des “puissances”, s’expriment en Kelvin K et sont des grandeurs extensives : . Je poursuivrai avec l’introduction des notions de polarisation et de paramètres de Stokes et terminerai avec une description des particularités de la bande-L.

Notion de polarisation et paramètres de Stokes 

La polarisation des ondes électromagnétiques est décrite par l’orientation du champ électrique à un point de l’espace sur une période d’oscillation. L’onde se propage dans la direction du vecteur de Poynting et oscille perpendiculairement à ce vecteur. Le champ électrique peut être orienté dans une seule direction de l’espace (polarisation linéaire) ou peut tourner le long de sa propagation (polarisation elliptique ou circulaire). Dans le cas de la polarisation linéaire, deux orientations orthogonales sont privilégiées, la verticale et l’horizontale . La polarisation verticale (V) est dans le plan défini par le vecteur de Poynting et la verticale locale (plan d’élévation ou plan d’incidence). La polarisation horizontale (H) est dans le plan défini par le vecteur de Poynting et l’horizontal local (plan azimutal).

Constante diélectrique de l’eau de mer 

La constante diélectrique de l’eau de mer aux fréquences micro-ondes eu un grand intérêt dans les années 70 avec les premières mesures de la télédétection de la salinité. Ces années voient l’émergence du modèle semi-empirique de Klein and Swift (KS) [Klein and Swift, 1977] basé sur les mesures effectuées à 1.43GHz et 2.65GHz [Ho and Hall, 1973, Ho et al., 1974]. Le modèle KS repose sur la fonction de relaxation de Debye qui comprend plusieurs paramètres et permet de dériver εr sur une gamme de fréquence. Les paramètres sont ajustés sur des mesures de constante diélectrique à différentes températures et salinités. C’est ce modèle qui est utilisé pour le traitement des données SMOS. Un renouveau d’intérêt pour la constante diélectrique de l’eau de mer apparait vers les années 2000. Ce renouveau est dû à l’augmentation des missions spatiales utilisant des radiomètres. Ces radiomètres fonctionnent à des fréquences jusqu’à 89GHz (SSM/I) où le modèle de KS n’est plus très bon. [Ellison et al., 1998] (EL) effectua de nouvelles mesures pour de l’eau de mer à des fréquences allant de 3GHz à 89GHz et proposa un nouveau modèle basé sur une fonction à double relaxation de Debye. [Dinnat et al., 2002] effectue une comparaison entre le modèle de KS et EL pour la bande-L et conclut que pour une eau supérieure à 10 ˝C les différences sont au maximum de 0.2 K pour une large gamme de SSS et SST à angles d’incidence modérés.

Le lancement des missions spatiales SMOS et Aquarius amena un nouvel intérêt sur la précision des mesures effectuées par [Ho et al., 1974] en bande-L. En Europe une équipe développa un nouveau modèle de constante diélectrique en bande-L pour des salinités allant de 0 à 40 psu et des températures allant de 0 à 38°C [Blanch and Aguasca, 2004] (BA). La méthode consiste à mesurer les coefficients de transmission et de réflexion d’une ligne de transmission contenant l’eau de mer. Ce papier de conférence ne précise pas l’origine des échantillons d’eau de mer et surtout n’estime pas l’erreur sur la mesure. Aux États-Unis, une équipe de l’université de George Washington (GW) s’est également penchée sur la mesure. Cette équipe [Lang et al., 2010] utilise la même méthode que celle utilisée par [Ho et al., 1974] à savoir l’utilisation d’une cavité résonante. L’équipe publie dans plusieurs conférences sur ce sujet depuis 2003 et fournit dans le papier de 2010 les coefficients du modèle de constante diélectrique. Ce modèle a été développé pour des salinités d’eau de mer de 30 pss, 35 pss et 38.3 pss avec des températures allant de 10 ˝C à 35 ˝C par incréments de 5 ˝C. Les articles de cette équipe suggèrent que la différence de la valeur imaginaire de la constante diélectrique proviendrait d’un réchauffement des échantillons de [Ho and Hall, 1973, Ho et al., 1974].

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Table des matières

1 Introduction
2 Méthodes de mesures de la SSS
2.1 Mesures in situ
2.2 Principe de la mesure en radiométrie
2.2.1 Température de Brillance (Tb)
2.2.2 Température d’Antenne (TA)
2.2.3 Notion de polarisation et paramètres de Stokes
2.2.4 Particularité de la bande-L
2.3 Modèle direct de la Tb en bande-L
2.3.1 Tb d’une mer plate
2.3.2 Tb induit par la rugosité de la surface de la mer
2.3.3 Émission et atténuation de l’atmosphère
2.3.4 Influence de la diffusion du signal céleste sur l’océan
2.3.5 TRAP (Terrestrial Radiometry Analysis Package)
2.4 Autres sources non modélisées
2.4.1 Impact et traitement des RFI
2.5 État de l’art de la mesure radiométrique en bande-L
2.6 Revue des études du liens actif/passif en microondes
2.6.1 Introduction
2.6.2 Théorie du lien actif/passif
3 Le radiomètre en bande-L CAROLS
3.1 Caractéristiques générales
3.2 Description du système
3.2.1 Antennes
3.2.2 Pertes : Antennes et Câbles
3.2.3 Calibration interne
3.2.4 Échantillonnage sous-harmonique
3.2.5 Performance de l’instrument
3.3 Traitement des données
3.3.1 Traitement des RFI et première moyenne
3.3.2 Sélection des données et moyenne finale
3.3.3 Bruit radiométrique
3.4 Modèles directs appliqués à CAROLS
3.4.1 Modèle de Tb d’une mer plate
3.4.2 Modèle de Tb induit par la rugosité
4 Le diffusiomètre en bande-C STORM
4.1 Présentation de l’instrument
4.2 Principe de la mesure
4.2.1 Coefficient de rétrodiffusion ou SERN
4.2.2 Modélisation du signal électromagnétique diffusé par la surface
4.3 Paramètres géophysiques
4.3.1 Étalonnage du diffusiomètre
4.3.2 Paramètres géophysiques après étalonnage
4.3.3 Décomposition des petites et grandes échelles
5 Conclusion

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