Simulation de la signature infrarouge des phénomènes lumineux transitoires en moyenne atmosphère - Archive ouverte HAL Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2018

Simulation of the infrared signature of transient luminous events in the middle atmosphere

Simulation de la signature infrarouge des phénomènes lumineux transitoires en moyenne atmosphère

Résumé

Les sprites sont les plus communs des phénomènes lumineux transitoires (TLEs, transient luminous events). Leurs émissions radiatives, dans la gamme du visible, du proche infrarouge et du proche ultraviolet, ont principalement été attribuées à l’excitation des états électroniques de N2 et N2+. Même s’il n’a encore jamais été observé, l’existence de rayonnement infrarouge moyen et lointain a également été prédite et serait liée aux états vibrationnels de CO2. L’intérêt de l’étude du rayonnement infrarouge des sprites est dual. Dans les sciences de l’atmosphère, la composition chimique du milieu peut être retrouvée à travers différentes méthodes de télédétection infrarouge. Pour la Défense, l’émission infrarouge des sprites peut être la cause d’une fausse alarme pour les systèmes de veille optronique satellitaires ou aéroportés. C’est pourquoi il est important de pouvoir caractériser le rayonnement infrarouge des sprites. Le premier objectif de ce travail est de caractériser la chimie vibrationnelle consécutive à ces phénomènes, car, dans ce contexte, celle-ci constitue un mode de production de rayonnement infrarouge encore partiellement expliqué. Le second est de quantifier les émissions radiatives associées, et de les propager à travers l’atmosphère, vers différents types d’observateurs (au sol, en vol, en orbite). Pour cela, nous avons développé un modèle de cinétique plasma-vibrationnelle, couplé à un modèle de transfert radiatif atmosphérique. Celui-ci permet de simuler les effets énergétiques et chimiques consécutifs à la perturbation électrique des streamers, principaux éléments constitutifs des sprites. Grâce à cet outil, nous avons montré que les streamers peuvent affecter les concentrations des états vibrationnels de CO2, et conduire à de fortes signatures dans l’infrarouge moyen et lointain. Ces signatures devraient être détectables pour un observateur situé dans la stratosphère et dans l’espace. Les effets des incertitudes associées aux principaux paramètres du modèle sur les signatures de sortie ont été hiérarchisés et quantifiés à travers une étude de sensibilité. Ces travaux ont permis de définir des spécifications instrumentales (fréquence d’acquisition, résolution spatiale et spectrale, bandes spectrales…) pour le futur spectro-imageur de la mission HALESIS (High Altitude Luminous Events Studied by Infrared Spectro-imagery), qui aura pour but d’acquérir des images hyperspectrales infrarouges de l’atmosphère localement perturbée par des TLEs.
Sprites are the most common type of transient luminous events (TLEs). In the visible, near infrared and near ultraviolet, their emissions have been related to the excitation of electronic states of N2 and N2+. Even if it hasn’t been observed yet, the existence of emissions in the middle and far infrared is suspected and could be related to vibrational excitation of CO2. There is a dual interest in the study of infrared emissions following a sprite. In atmospheric sciences, the chemical composition can be retrieved through different remote sensing methods. For the Defense, infrared emissions of sprites could cause false alarms through airborne and spaceborne optronic detection systems. This is why it is necessary to explain infrared emissions of sprites. The first objective of this work is to characterize the vibrational chemistry consecutive to this phenomenon, which is a partially understood way to produce infrared emissions. The second objective is to quantify these emissions and to propagate them through the atmosphere, toward different kinds of observers (ground based, in flight, in orbit). To do so, we have developed a model of plasma-vibrational kinetics, coupled to an atmospheric radiative transfer model. We used this model to evaluate the energetic and chemical effects following the electrical perturbation caused by the propagation of streamers, main constituent elements of sprites. Thanks to this tool, we showed that streamers can affect the concentrations of vibrational CO2 and lead to strong emissions in the middle and far infrared. These signatures could be detectable for an observer situated in the stratosphere and in space. The effects of the uncertainties of the principal parameters of the model on the output infrared signatures have been ranked and quantified through a sensitivity analysis. This work allowed defining instrumental specifications (acquisition frequency, spectral and spatial resolution, spectral bands…) for the future spectro-imager of the HALESIS (High Altitude Luminous Events Studied by Infrared Spectro-imagery) mission, which will record hyperspectral infrared images of the atmosphere locally disturbed by TLEs.
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Dates et versions

tel-01969510 , version 1 (04-01-2019)
tel-01969510 , version 2 (15-10-2019)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01969510 , version 1

Citer

Frédéric Romand. Simulation de la signature infrarouge des phénomènes lumineux transitoires en moyenne atmosphère. Optique / photonique. SORBONNE UNIVERSITE, 2018. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01969510v1⟩
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