Des chercheurs créent un nouveau logiciel pour le nouveau satellite européen-japonais d’observation de la Terre EarthCARE

Les préparatifs pour le lancement fin mai du nouveau satellite d’observation de la Terre EarthCARE (Earth Cloud Aerosol and Radiation Explorer) battent leur plein. La mission conjointe de l’Agence spatiale européenne (ESA) et de l’Agence japonaise d’exploration aérospatiale (JAXA) mesurera les nuages, les aérosols et les rayonnements avec plus de précision que jamais. Cela sera rendu possible en reliant quatre instruments de pointe.

Trois processeurs, développés par l’Institut Leibniz pour la recherche troposphérique (TROPOS) en collaboration avec des partenaires, apportent une contribution importante à cette mission. Ces algorithmes ont maintenant été décrit en détail dans un numéro spécial de la revue Techniques de mesure atmosphérique.

Le nouveau logiciel permet de dériver les propriétés des nuages ​​à partir du spectromètre passif (MSI), les couches d’aérosols et de nuages ​​du lidar actif à haute résolution spectrale (ATLID), ainsi que les produits synergiques de nuages ​​et d’aérosols des deux instruments. Un modèle de classification des aérosols (HETEAC) a été développé comme base pour le typage des aérosols afin de garantir que ces calculs fonctionnent sur les différents appareils.

EarthCARE sera la première à combiner un lidar à haute résolution spectrale et un radar nuageux Doppler avec des capteurs passifs, ce qui en fera la mission satellite la plus complexe jamais lancée dans l’espace pour étudier les aérosols, les nuages ​​et leurs effets radiatifs. Le développement d’EarthCARE a duré plus de 15 ans et a coûté environ 800 millions d’euros.

Le satellite offre de grandes opportunités pour la science : la technologie de pointe embarquée fournit une variété de données qui amélioreront la précision des modèles climatiques et soutiendront les prévisions météorologiques numériques.

Le satellite EarthCARE, qui mesure 17,2 mètres de long, 2,5 mètres de large, 3,5 mètres de haut et pèse environ 2 200 kilogrammes, a été assemblé par le maître d’œuvre allemand Airbus à Friedrichshafen, testé de manière approfondie en collaboration avec l’ESA, puis transporté par avion à Vandenberg (Californie, États-Unis). ), où il sera lancé fin mai sur son orbite cible à 393 kilomètres d’altitude par une fusée Falcon 9 de la société spatiale américaine SpaceX.

L’Earth Cloud Aerosol and Radiation Explorer (EarthCARE) est équipé de quatre instruments : un radar nuageux Doppler, un lidar à haute résolution spectrale, un spectromètre imageur et un radiomètre à large bande avec trois directions d’observation différentes. Les instruments fourniront des observations synergiques des aérosols, des nuages, des rayonnements et de leurs interactions avec une précision sans précédent.

L’un des objectifs de la mission est de réconcilier les flux radiatifs mesurés et calculés au sommet de l’atmosphère pour un instantané de 100 kilomètres carrés avec une précision de 10 watts par mètre carré, ce qui améliorerait considérablement la connaissance du forçage radiatif global.

Les données EarthCARE sont calculées presque en temps réel (quasi temps réel) à l’aide d’une chaîne de traitement de données sophistiquée. Le lidar fournit des profils verticaux et donc une coupe transversale de l’atmosphère le long de la trajectoire de vol du satellite.

Les algorithmes développés à TROPOS en dérivent la hauteur du sommet des nuages ​​et la hauteur des couches d’aérosols, qui peuvent être constituées, par exemple, de poussières sahariennes ou de fumées provenant de grands incendies de forêt. Ces algorithmes sont également appelés processeurs dans le jargon technique et constituent le cœur logiciel de l’analyse des données.

Outre le lidar, le spectromètre imageur permet de caractériser l’atmosphère à partir d’une image horizontale, large de 150 km, des propriétés des nuages ​​et des aérosols. Les propriétés micro et macrophysiques des nuages, telles que l’épaisseur optique du nuage, le rayon des gouttelettes du nuage et la hauteur du sommet du nuage, sont déterminées à l’aide d’un autre processeur développé par TROPOS.

Le troisième processeur développé à TROPOS combine les informations résolues en hauteur du lidar avec les informations horizontales du spectromètre afin d’obtenir une image tridimensionnelle améliorée de l’atmosphère le long de la trajectoire de vol du satellite en orbite terrestre. La classification des aérosols dans tous les algorithmes EarthCARE est basée sur le modèle HETEAC (Hybrid End-to-End Aerosol Classification).

« Le modèle de classification des aérosols HETEAC développé par TROPOS en collaboration avec des partenaires joue un rôle central dans le traitement des données, car il garantit que les appareils parlent pour ainsi dire le même langage et que leurs données fournissent une image globale uniforme », explique le Dr . Ulla Wandinger de TROPOS, qui a dirigé le développement de ce modèle.

Mais l’analyse des données lidar et spectromètre inclut également plusieurs décennies de savoir-faire de TROPOS en matière d’observation des nuages ​​et des aérosols.

« Les méthodes de récupération développées dans nos processeurs garantiront une amélioration significative de la qualité des données sur les nuages ​​et les aérosols », rapporte le Dr Anja Hünerbein, qui a joué un rôle clé dans le développement du logiciel pour le spectromètre passif.

Les chercheurs de TROPOS à Leipzig ont non seulement travaillé sur le logiciel, mais participeront également au contrôle et au calibrage des données. En effet, une validation minutieuse des mesures est nécessaire pour atteindre les objectifs scientifiques ambitieux de la mission EarthCARE.

L’infrastructure de recherche européenne ACTRIS (Aerosol, Clouds and Trace Gases Research Infrastructure) joue un rôle majeur dans le processus de validation. Les stations de télédétection ACTRIS sont parfaitement équipées à cet effet : L’équipement standard, composé d’un lidar haute performance et d’un photomètre solaire pour les mesures d’aérosols ainsi que d’un radar Doppler et d’un radiomètre micro-ondes pour les mesures de nuages, ainsi que l’assurance qualité ACTRIS. concept, permet un examen détaillé de tous les produits aérosols et cloud EarthCARE.

« Des flux de travail pour l’observation, le traitement des données et la fourniture de données en temps quasi réel ont déjà été développés et testés de manière approfondie. Pour cet été, nous organisons une campagne avec plus de 40 stations qui durera plusieurs mois », déclare le Dr Holger Baars de TROPOS, qui coordonne la campagne. Outre les stations TROPOS de Leipzig (Allemagne), Mindelo (Cabo Verde) et Douchanbé (Tadjikistan), de nombreuses stations ACTRIS à travers l’Europe seront également impliquées.

Les efforts de validation approfondis menés par TROPOS et de nombreuses équipes de recherche internationales servent à vérifier avec précision les processeurs développés et les grandeurs mesurées déterminées avec ceux-ci. Ce n’est qu’alors que l’on saura vraiment dans quelle mesure EarthCARE peut déterminer les propriétés des aérosols et des nuages ​​et leurs effets radiatifs et comment les données mesurées à l’échelle mondiale peuvent être utilisées pour améliorer notre compréhension de l’atmosphère.

Le nouvel « œil » de l’Europe dans l’espace sera capable de voir les interactions complexes entre les nuages, les aérosols et les rayonnements plus clairement et plus précisément que jamais grâce aux stations au sol.