Inversion des spectres infrarouges enregistrés par l'instrument SOIR à bord de la sonde Venus Express

SOIR, acronyme de Solar Occultation in the InfraRed, est un instrument russo-franco-belge embarqué à bord de la mission Venus Express de l'Agence Spatiale Européenne. Il utilise un réseau à échelle comme élément diffractant. La plage de nombre d'onde mesurable par SOIR s'étend de 2200 cm-1 à 4400 cm-1, ou 4.3 µm à 2.2 µm en longueur d'onde. Les ordres de diffraction utiles varient de 101 à 194. Un filtre acousto-optique - AOTF - est utilisé comme passe-bande pour sélectionner les ordres de diffraction. La résolution de l'instrument varie de 0.13 à 0.24 cm-1.

Du fait d'un temps de développement raccourci, presque toutes les calibrations de l'instrument ont dû être réalisées en vol. Elles comprennent les calibrations relatives au réseau à échelle (angle exact de Blaze et fonction de Blaze), au détecteur (non-uniformité pixel à pixel, courbe de sensibilité spectrale, relation entre les pixels et les nombres d'onde, résolution de l'instrument, intervalle d'échantillonnage spectral, rapport signal sur bruit, background thermique) et à l'AOTF (relation entre la radio-fréquence d'excitation de l'AOTF et les nombres d'onde, fonction de transfert de l'AOTF). L'approche et la réalisation de ces différentes calibrations sont présentées dans le présent travail. Les caractéristiques de l'instrument y sont également décrites.

Un algorithme d'inversion spectrale a été développé pour le cas spécifique de SOIR. Tenant compte du mode de mesure, l'occultation solaire, la méthode de la pelure d'oignons a été implémentée dans un algorithme dit de l'Estimation Optimale. Cette méthode permet d'inverser l'ensemble des mesures spectrales en une fois, et également d'en tirer d'autres informations, comme l'amélioration de certaines caractéristiques instrumentales. Les paramètres qui sont ajustés au sein de l'algorithme sont la densité de la ou des espèces absorbant dans la région spectrale concernée, la température, les paramètres de la ligne de base, qui permettent de déterminer les caractéristiques des aérosols, le déplacement Doppler des raies qui trouve principalement son origine dans la vitesse de déplacement du satellite, et l'amélioration de certaines calibrations. Une étude de sensibilité des différents paramètres de l'algorithme est également présentée, ainsi qu'une évaluation des erreurs instrumentales systématiques.

Dans l'ensemble des spectres enregistrés durant les 4 premières années de la mission, des profils verticaux de CO2, CO, H2O, HDO, SO2, H2SO4, HCl et HF ont été obtenus. Des valeurs limites de densité de OCS, H2CO, O3 et CH4 ont également été calculées.

Les résultats concernant le dioxyde de carbone sont développés dans le texte. Des profils verticaux de CO2 s'étendant de 70 km à 180 km d'altitude sont analysés en profondeur. Ils sont comparés aux profils dits hydrostatiques, et des hypothèses quant à la dynamique agissant au niveau des deux terminateurs de Vénus sont formulées.

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Venus, second planet of the solar system, is often seen as the sister planet of the Earth. In terms of size and mass, they are indeed very similar, but the Venus atmosphere is much thicker and active. The altitude region extending from 70 km to 180~km is studied in this thesis, namely the mesosphere and the lower thermosphere.

SOIR, which stands for Solar Occultation in the InfraRed, is a Russian / French / Belgian instrument flying on board of the Venus Express (VEX) spacecraft of the European Space Agency. The diffracting device of SOIR is an echelle grating. The wavenumber region studied ranges from 2200 cm-1 to 4400 cm-1, or 4.3 µm to 2.2 µm in wavelength. The diffraction orders used with SOIR vary from 101 to 194. To select the required echelle grating diffraction order, an Acousto-Optical Tunable Filter - AOTF - is located after the entrance slit of the instrument. The instrument resolution varies from 0.13 to 0.24 cm-1.

SOIR was developed in a very short time. Thus, virtually all the calibrations had to be made in-flight. These concern the echelle grating (exact Blaze angle computation, Blaze function), the detector (pixel-to-pixel non-uniformity, spectral sensitivity curve, pixel-to-wavenumber relationship, instrument resolution, spectral sampling interval, signal-to-noise ratio, thermal background) and the AOTF (wavenumber to AOTF frequency relation, AOTF transfer function). The procedure for and the computation of these calibrations are described in this work, as well as the instrument characteristics.

A spectral inversion algorithm was developed specifically for the SOIR measurement technique: the solar occultation. The onion peeling method is implemented using the Optimal Estimation Method. It allows the inversion of the spectral data in one go, and also the enhancement of some instrumental characteristics. The algorithm variables are the densities of the species absorbing in the diffraction order, the temperature of the atmosphere under study, the spectral background parameters, that allow the determination of the Venus aerosols characteristics, the Doppler shift (mainly linked to the shift induced by the satellite displacement), and the improvement of some instrumental calibrations. A sensitivity study on the algorithm parameters is also presented, and the instrumental systematic errors are investigated.

Vertical profiles of CO2, CO, H2O, HDO, SO2, H2SO4, HCl and HF are derived from the spectra measured during the first 4 mission years. Upper limits on OCS, H2CO, O3 and CH4 have also been calculated.

We focus on the carbon dioxide results in the present study. A selection of vertical profiles extending from 70 km to 180 km are analyzed in details. They are compared to the hydrostatic profiles, and propositions concerning the terminators' dynamics are formulated.