Sphère Intégrante
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Mesure de la Surface Spécifique de la Neige par Méthode Optique Jean-Charles Gallet Laboratoire de Glaciologie et Florent Domine Géophysique de l’Environnement, Charles S. Zender Grenoble, France 1 Grande Étendue de la Couverture Neigeuse Amérique du Nord Europe 2 Définitions Neige = Milieu Poreux constitué d’Air et de Glace Interface Glace Atmosphère élevée Diffusion : Albédo élevé Adsorbe les Gaz Traces Atmosphériques SS : Surface Spécifique d’un Solide accessible aux gaz par unité de Masse SS = S/ (ρice V) soit SS = 3/ (ρice R) cm²/g 3 Impact Climatique Grande étendue de neige et albédo bilan énergétique de la Terre Surface spécifique et Chimie Atmosphérique stockage de gaz traces SS : Variable Cruciale qui détermine les interactions Physique et Chimique de la neige avec l’Environnement 4 Surface Spécifique: comment la mesure-t-on ? Méthode la plus courante: par adsorption de méthane à 77K 1200 cm2 g-1 R= 27.2 µm Chimie et SS : Méthode Longue (3h) 120 cm2 g-1 Difficultés avec le Terrain R= 272 µm Besoin d’une mesure de SS rapide et réalisable sur le terrain: Physique et SS 5 Interaction rayonnement-neige : Diffusion et Adsorption • Diffusion : augmente lorsque la taille de grain diminue • Absorption : augmente avec la quantité de poussières (aérosol) Calcul de la diffusion : Neige = Sphère de même rapport S / V diffusion absorption Aérosol 6 ⇒ Relation SS – Proche Infra-Rouge Mesures Calculs 0.6 0.5 1310 nm Reflectance 0.4 1740 nm 0.3 0.2 0.1 1310 nm, data 1310 nm, model x 0.77 1740 nm, data 1740 nm, model x 0.75 2260 nm, data 2260 nm, model x 0.78 2260 nm 0.0 0 200 400 600 800 1000 2 SSA, cm /g Domine et al., CRST 2006 7 Méthode Optique: Appareillage Diode Laser Photodiode InGaAs Sphère Intégrante Echantillon Voltmètre Alimentation LD et Amplificateur 8 Sphère Intégrante: Principe Laser diode Integrating sphere InGaAs Signal, mV Snow Mesure mV Photodiode 40 35 30 25 20 15 10 5 0 Calibration Echantillon 0 20 40 Reflectance % 60 9 80 Reflectance % Difficultés Rencontrées 0,59 0,58 0,57 0,56 0,55 0,54 0,53 0,52 0,51 0,5 0,49 0,48 SS et Épaisseur fixées 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 Densité g/cm3 Réflectance = f(densité) 10 Profondeur de pénétration et Configuration du Système Porte Echantillon de 25 mm à fond noir Même Réflectance pour 2 neiges de SS différente : Nombre des Réflecteurs Dendritics Cristals Wind Crust SS = 1200 cm²/g SS = 400 cm²/g Density = 0.05 g/cm3 Density = 0.4 g/cm3 11 Reflectance = f(SS, Densité) 1 0,9 0,8 SS = 1500 cm²/g Reflectance % 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 SS = 100 cm²/g 0,2 0,1 0 0,25 0,75 1,25 1,75 Longueur d'onde µM 2,25 12 Modélisation: Disort Discrete Ordinates Radiative Transfer Diffusion selon la théorie de Mie Neige = Sphères Homogènes Couches de Neige Homogènes et semi infinies Rayonnement direct ou diffus 13 Calibration de la Sphère : Mode Opératoire Mesure de la Réflectance de l’échantillon par Méthode Optique (mesure de densité) Mesure de la SS par adsorption de méthane Nouvelle Mesure Optique Modélisation de la Réflectance par Disort R snow = 3/(ρice*SSA) ρsnow modèle = ρsnow optique Epaisseur = 25 mm (porte échantillon) 14 60 Réflectance % 50 40 Aiguilles 30 Neige Fraîche, densité faible Grains Fins 20 Givre de Profondeur 10 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 SSA cm²/g 15 70 Réflectance % 60 50 40 Aiguilles 30 Neige Fraîche, densité faible Grains Fins Manip 20 Modèle: Courbe Théorique Givre de Profondeur 10 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 SSA cm²/g 16 Choix de la longueur d’onde ? 1310 nm : Meilleur compromis signal sensibilité à la SS Modèle 0,8 1 SS=1500cm²/g 0,9 0,7 1310 nm 1550 nm 0,7 0,6 0,6 0,5 SS cm²/g Reflectance % 0,8 0,5 0,4 0,3 SS = 100 cm²/g 0,2 0,3 0,2 0,1 0 0,25 X4 0,4 0,1 0,75 1,25 1,75 Longueur d'onde µM 2,25 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Reflectance % 17 Choix de la longueur d’onde En fonction de la densité En fonction de la Surface Spécifique Profondeur de Pénétration Rapport Densité-SS : SS * ρ Si SS * ρ < 70 1550 nm Si SS * ρ > 70 1310 nm Neige Fraîche Autres types de Neige 18 Applications • Détermination rapide de SS sur le terrain Mesures effectuées sur Tara, Avril 2007, 88° Nord TARA 2007, 88°N 19 Applications MODIS ASTER AATSR Snow Calibration des données satellites pour détermination de SS de neige de surface 20
