Les protocoles de mesure et plateforme d’étalonnage

Le succès des missions du SNO repose sur un ensemble de tâches respectant des protocoles établis avec la NASA et que tous les acteurs du SNO doivent suivre et que tous les site managers doivent accepter de suivre, sous peine de ne pas avoir de données qualifiées. Le service est réalisé par une équipe principalement localisée au LOA (OSU-Nord) avec une contribution du LISA (support Afrique), de Météo France (support calibration, Carpentras) et Météo Espagne (Support calibration, Ténérife).

Cette activité repose aujourd’hui sur une infrastructure dont la capacité a été accrue depuis 2001 et s’appuie sur un centre de calibration internationalement reconnu.

1 - Le centre de calibration

La qualité des mesures primaires est garantie par le respect de protocoles stricts imposant (i) un suivi à distance du comportement des instruments, (ii) un étalonnage et une maintenance annuels s’appuyant sur un Centre de Calibration opérant sous la responsabilité du SNO depuis 2001 pour le périmètre national et depuis 2011 à l’échelle européenne, dans le cadre d’ACTRIS-1 et 2.

Après une durée de fonctionnement moyenne de 12 mois sur site, chaque photomètre doit être ré-étalonné et pour cela séjourner sur plusieurs sites dédiés dont le premier est le site d’étalonnage radiométrique de Météo France situé à Carpentras (figure 3). Chaque instrument y séjourne entre 3 et 6 semaines, le temps de réaliser son étalonnage en AOD par comparaison avec un instrument de référence (appelé aussi « Master »). Puis il rentre à Villeneuve d'Ascq (figure 3) où les étalonnages en luminance et en polarisation sont réalisés à l’aide de sphères intégratrices étalons (figure 3). La maintenance peut alors être effectuée avant qu’un nouvel étalonnage complet, préalable au déploiement sur le terrain, ne soit réalisé.

Figure 3: Centre d’étalonnage (Infrastructure multi-sites) développé et maintenu par le SNO (plateforme d’étalonnage solaire de Carpentras; Centres de mesures, de maintenance et d'étalonnage de Lille ; Site d'etalonnage solaire absolu (photomètre de référence) situé à l’observatore d’Izaña, à 2400 m d’altitude.

Ces étapes respectent un protocole précis élaboré depuis 1993 avec la NASA. Les résultats sont consignés dans une base de données relationnelle d’étalonnage partagée et qui est mise à jour quotidiennement. De plus, trois fois par an, un instrument de référence fait l’aller-retour avec le GSFC/NASA pour inter-étalonner des sphères intégratrices.

Pour assurer la cohérence du réseau, le logiciel de suivi et d’étalonnage fonctionnant sur le serveur du SNO est le même que celui de la NASA. Il est mis à jour automatiquement.

L'activité d'étalonnage s'est beaucoup développée en interne depuis 2003. La qualité de l’inter-étalonnage solaire réalisé à Carpentras dépend de la précision et de la fiabilité des photomètres de référence qui sont ré-étalonnés tous les 3 mois sur notre site d’altitude, situé sur l’ile de Ténérife aux Canaries, en collaboration avec Météo Espagne (AEMET). Les étalonnages y sont réalisés à distance depuis le LOA. Nous disposons d’un « pool » d’instruments de référence de manière à toujours en avoir deux simultanément en opération à Carpentras et à les renouveler tous les 3 à 4 mois. Une convention de collaboration entre la météorologie nationale espagnole, Ténérife et le CNRS a été mise en place. Le site d’Izana a été intégré dans le centre de calibration AERONET-EUROPE piloté par le SNO.

Le SNO a aujourd’hui la responsabilité du second centre d’étalonnage communautaire de photomètres du réseau AERONET (l’autre étant géré par la NASA sur les sites de Washington et d’Hawaï).

2 - Les améliorations et le développement de méthodes d’étalonnage

Plusieurs études ont été réalisées par le SNO, dans un cadre collaboratif, pour mettre au point et implémenter de nouvelles méthodes d’étalonnage en luminance (traditionnellement réalisé avec des sphères intégratrices). Le transfert précis de l’étalonnage en AOD vers l’étalonnage en luminance est possible comme l’ont montré plusieurs articles, en particulier pour les photomètres récents.

3 - Les développements instrumentaux

• Photomètre solaire mobile : le SNO a été impliqué dans la réalisation et la validation d’un un photomètre solaire aéroporté développé au LOA (PLASMA, lien web). L’instrument a été finalisé, validé, calibré et mis en œuvre par le SNO au cours de plusieurs campagnes (Charmex par exemple). Il est également déclinable sur un bateau et une voiture en association avec un micro-LIDAR par exemple. Il permet dans ce cas la mesure de la variabilité spatiale de l’AOD et de la distribution en taille n(r) à partir du sol, ou la mesure du profil vertical de l’AOD et du coefficient d’extinction spectrale et par suite de la distribution en taille aérosols.

• Photomètre lunaire : Une version lunaire du photomètre a été développé en 2014-2015 par CIMEL, en collaboration avec l’observatoire d’Izana. Le SNO dispose de 2 prototypes en fonction à Lille et Dakar. Cet instrument ne mesure, bien sûr, que les AOD spectrales et le contenu en vapeur d’eau. Ces paramètres optiques sont calculés en temps quasi-réel par le serveur du SNO. Ces développements sont uniques et le traitement fonctionne en routine sur le serveur du SNO. Les étalonnages sont réalisés en partenariat avec l’observatoire d’Izana, comme pour les photomètres solaires. Le logiciel de suivi lunaire a été développé par le SNO en coopération avec l’université de Kiev, Ukraine et le code de calcul des AOD développé à l’observatoire d’Izana.

• Photomètre solaire miniature : le SNO prend part au développement d’un petit photomètre à usage pédagogique, nommé CALITOO (3-λ, http://www.calitoo.fr/), avec l’entreprise TENUM (Toulouse) et le CNES. Sa précision (entre 0.01 et 0.02 en AOD) est assez proche de celle du microtops de l’entreprise Solar Light. Initialement destiné aux élèves des collèges dans le cadre d’un programme éducatif soutenu par le CNES (Calips’AIR), sa qualité de mesure permet un usage quasi professionnel. Le SNO dispose d’une dizaine d’exemplaires de cet instrument et participe tous les ans à des journées de rencontre/formation avec les enseignants du secondaire. Il est également utilisé par les étudiants de Master.