Cluster for Cloud evolution, Climate and Lightning

Les nuages convectifs grossissent par une succession de cascades turbulentes[9] qui sont le résultat de courants ascendants et descendants dans le nuage et, d'échanges d'air plus ou moins humide entre le nuage et son environnement. Afin d'accéder à une description de ces évolutions rapides et de permettre leurs quantifications, une observation à haute résolution spatiale et temporelle des structures nuageuses est indispensable. Dans ce cadre, les observations des imageurs CLOUD de la mission C³IEL permettront de mieux contraindre le développement des nuages convectifs et ainsi aider la communauté scientifique à améliorer les paramétrisations des nuages dans les modèles physiques de petite et moyenne échelles, les modèles de type LES (Large Eddy Simulations) ainsi que les modèles de prévisions numériques du temps (modèles de type NWP pour Numerical Weather Prediction), avec des comparaisons directes ou statistiques du développement des cellules et tours convectives.

La partie CLOUD de la mission est composée d'un imageur visible sur chaque satellite observant à 670 nm. Le principe de mesure de l'imageur CLOUD repose sur une séquence de 11 acquisitions à haute résolution spatiale (20 m au Nadir), chaque acquisition étant constituée d'un doublet ou d'un triplet (suivant le nombre de satellites en orbite) d'images synchronisées, effectuées toutes les 20 secondes. La détermination des enveloppes nuageuses et la restitution de la vitesse de développement verticale des nuages convectifs se fera par stéréorestitution, une technique photogrammétrique.

Animation du principe d'observations et d'acquisitions de la mission C³IEL. Simulation d'observations d'une scène nuageuse - Configuration de 3 satellites.

Le développement des nuages convectifs dépend de la température et de l'humidité (humidité relative, humidité absolue et humidité spécifique) qui, dans la couche limite atmosphérique[10] (CLA) joue un rôle important dans le développement de la convection. Dans la troposphère libre, l'humidité influe sur le développement dynamique du nuage par les échanges qui existent entre le nuage et son environnement[11], ces échanges participant à la redistribution de la vapeur d'eau dans l'atmosphère.

L'humidité influence aussi la dynamique par le couplage au mouvement vertical[12] et les intrusions sèches quasi-horizontale[13]. L'humidité autour et au-dessus des nuages convectifs est donc un paramètre clé dans le processus de développement des nuages convectifs.

De plus, la vapeur d'eau atmosphérique est considérée comme le premier gaz à effet de serre[14] (devant le dioxyde de carbone, le méthane ou l'ozone troposphérique). La vapeur d'eau joue donc un rôle important dans le bilan radiatif terrestre ainsi que dans la libération de chaleur latente lorsque cette dernière va être agrégée par les aérosols (jouant ici le rôle de noyaux de condensation), puis condenser sur ceux-ci pour former des gouttelettes de nuages.

Une meilleure compréhension et connaissance sur la variabilité spatiale et temporelle du contenu en vapeur d'eau dans une atmosphère nuageuse ainsi que sur les interactions de la vapeur d'eau dans l'atmosphère (vapeur d'eau - nuages ou encore vapeur d'eau - rayonnement solaire) permettra à la communauté scientifique de contraindre les modèles numériques (fine résolution) de physique et microphysique des nuages ainsi que les modèles numériques de prévision météorologique.

Représentation de la transmission et de trois bandes d'absorption de la vapeur d'eau dans le SWIR pour l'étude de la vapeur d'eau dans le cadre de la mission C³IEL

Pour restituer le contenu en vapeur d'eau au-dessus et autour des nuages convectifs, les satellites seront équipés de trois caméras vapeur d'eau qui effectueront des mesures dans le SWIR, Short-Wavelength Infrared (en français, Infrarouge courte longueur d'onde ou proche infrarouge).

Les trois caméras vapeur d'eau étudieront le comportement du rayonnement solaire dans trois bandes d'absorption de la vapeur d'eau, une bande non-absorbante centrée en 1,04 µm (WVI), une bande moyennement absorbante pour l'étude en ciel clair ou en ciel nuageux avec des nuages situés en basse troposphère, centrée en 1,13 µm (WVII), et, une bande très absorbante pour l'étude en ciel très nuageux (nuages géométriquement et optiquement épais et/ou situés en haute troposphère), centrée en 1,37 µm (WVIII) permettant ainsi la restitution du contenu en vapeur d'eau uniquement au-dessus du nuage.

Les caméras vapeur d'eau fourniront des mesures de luminance (ou luminance énergétique) pour les trois bandes d'absorption. Le contenu en vapeur d'eau sera ensuite restitué grâce à une méthode dite « méthode d'absorption différentielle », cette méthode a déjà été testée dans d'autres programmes spatiaux tels que la mission POLDER[15]^,[16]^,[17] ou encore MODIS[18] et, une méthode d'inversion probabiliste basée sur le théorème de Bayes (méthode d'estimation optimale[19]).

Des profils de vapeur d'eau autour des nuages convectifs seront également restitués grâce à une approche tomographique.

La convection profonde est généralement responsable de la formation de cellules orageuses et de larges systèmes convectifs (ouragans par exemple). En cas de convection profonde, la présence de cristaux de glace en altitude peut conduire à l'électrisation du nuage et donc, à la formation d'éclairs[20]. Le rythme de l'activité électrique à l'intérieur du nuage (décharge intra-nuageuse) dépend principalement des mouvements verticaux au sein du nuage et peut donc être considéré comme un bon indicateur de la sévérité des orages. De plus, les éclairs favorisent la production d'oxydes d'azote[21] ${\displaystyle {\ce {NOx}}}$, qui participe à la formation d'ozone troposphérique.

Malgré de nombreuses campagnes de mesures aéroportées, l'estimation de la production de ${\displaystyle {\ce {NOx}}}$ par les éclairs et son transport dans l'atmosphère génèrent encore aujourd'hui de nombreuses incertitudes.

Dans la troposphère, la source naturelle d'oxygène atomique ${\displaystyle {\ce {O'}}}$ est la photolyse du dioxyde d'azote ${\displaystyle {\ce {NO2}}}$. La présence du rayonnement solaire et la photolyse du ${\displaystyle {\ce {NO2}}}$ va permettre à l'ozone ${\displaystyle {\ce {O3}}}$ d'être continuellement régénéré (voir les équations chimiques ci-dessous). L'accumulation de l'ozone est provoquée par une oxydation accrue de monoxyde d'azote ${\displaystyle {\ce {NO}}}$ en ${\displaystyle {\ce {NO2}}}$ par d'autres oxydants, conduisant ainsi à un déséquilibre en faveur de la formation de ${\displaystyle {\ce {O3}}}$.

$${\displaystyle {\ce {O2 + CO + NO -> CO2 + NO2}}}$$

$${\displaystyle {\ce {NO2 + h\nu -> NO + O'}}}$$

$${\displaystyle {\ce {O' + O2 -> O3}}}$$

Comme indiqué dans le paragraphe précédent, les éclairs contribuent à la formation de ${\displaystyle {\ce {NOx}}}$ (dont le ${\displaystyle {\ce {NO2}}}$, sa photolyse va permettre la formation d'une molécule d'oxygène atomique ${\displaystyle {\ce {O'}}}$ et donc ensuite formation de ${\displaystyle {\ce {O3}}}$).

Les nano-satellites emporteront, en plus des imageurs CLOUD et des trois caméras vapeur d'eau, des détecteurs de foudre. Il y a deux types de détecteurs, un imageur visible et des photomètres. Le LOIP permettra de cartographier en 2D, dans le domaine visible pour une longueur d'onde de 777 nm, l'extension des éclairs. Les photomètres permettront de documenter l'évolution temporelle multi longueur d'onde du signal optique émis par les éclairs.

Ils offriront, en outre, une caractérisation de la propagation mais aussi les observations requises pour mieux comprendre les processus de décharges électriques au sein du nuage, une première étape dans la perspective d'une modélisation des éclairs naturels.

Dans un premier temps, ces mesures permettront à la communauté scientifique d'avoir par le biais d'observations, une meilleure compréhension des processus de décharges électriques à l'intérieur des nuages convectifs ainsi qu'une meilleure description des phénomènes de convection profonde à l'origine de cellules orageuses, puis, dans un second temps, et en combinant les observations C³IEL avec d'autres observations spatiales, une meilleure compréhension des processus de formation d'ozone troposphérique.