Développement du capteur ODS

Le capteur ODS a déjà une longue histoire. Il a été développé au début des années 90 dans le but d'obtenir un instrument simple, léger, posé au sol et pouvant observer les nuages et les poussières dans l'environnement martien. Initialement conçu pour un projet de mission, MetEgg, l'instrument fût finalement réalisé et embarqué sur la mission Mars 96 (CNES/RosKosmos). Mais, suite à la défaillance du lanceur, il termina sa course dans l'océan Pacifique. Il fût ensuite inclus dans de nombreuses charges utiles de mission mais qui n'ont pas abouties. En 2011, ODS a été sélectionné lors d'un appel d'offre ESA/NASA dans la charge utile du paquet météorologique italien DREAMS (Mission ESA EDM/EXOMARS 2016) pour le lander d'Exomars 2016. Le but premier du module d'entrée et de descente (EDM) est d'être un démonstrateur pour un atterrissage sur Mars. La durée estimée de la mission de 8 jours devait permettre de caractériser l'environnement immédiat de la sonde. Cependant, le capteur ODS n'est finalement pas parti suite au défaut de soutien du CNES lorsque l'agence russe ROSKOSMOS a pris le partenariat avec l'ESA, à la place de la NASA. ODS est actuellement sélectionné pour le lander d'Exomars 2020 (Mission ESA/RosKosmos), mais sous responsabilité russe cette fois pour permettre son financement et son embarquement. Il fera partie d'une suite d'instruments dans un paquet instrumental qui fera un suivi météorologique de longue durée. L'analyse du signal d'ODS sur Exomars 2020 se fera en collaboration avec les chercheurs de l'IKI (à Moscou) et de l'INTA (en Espagne).

Le départ de la mission Exomars 2020 est prévu à l'été 2020, au mois de juillet ou août

Principe de mesure : Le capteur ODS fait une mesure intégrée sur le ciel du flux de lumière incidente à la surface. La diode qui mesure cette lumiére est munie d'un filtre coloré qui sélectionne une partie du spectre. Un systéme de masque permet de sélectionner seulement certaines zones du ciel, produisant un champ de vue bien défini. Cela permet de masquer le soleil pendant une partie de la journée, et ainsi d'avoir une alternance de mesures où ODS ne voit que le flux diffus du ciel (si le soleil n'est pas dans le champ de vue) et où ODS voit le flux diffus et le flux direct (si le soleil est dans le champ de vue). L'ensemble de ces mesures permet de retrouver de façon fiable l'opacité des poussiéres dans l'atmosphére. Si, de surcroît, on double le systéme, et que l'on utilise deux canaux différents (par exemple un filtre bleu et un rouge), ODS devient sensible à la couleur du ciel. Alors, le signal acquis permet aussi de mesurer les propriétés des nuages à l'aube et au crépuscule. L'une des particularités d'ODS est de détecter des nuages très fins de type cirrus sub-visibles qui sont très difficiles à observer avec des observations classiques.

A gauche, schéma de la téte optique conçu pour obtenir un champ de vue annulaire. Seuls les rayons arrivant avec un angle zénithal entre 25° et 50° peuvent atteindre le filtre de couleur (orange sur la figure) et la photodiode (rose), à travers des réflexions sur les miroirs (vert) du télescope. D'autres rayons sont arrétés par le masque central ou les parois noircies. Le champ de vue réel de l'instrument ODS caractérisé en laboratoire est tracé en médaillon en haut à gauche. L'échelle de gris indique la transmission entre une source de lumière et la photodiode. A droite, tension de sortie ODS pour les deux canaux (rouge et bleu) et pour l'indice de couleur (noir) observée sur le 12 novembre 2004 à Ouagadougou. Le graphique montre l'alternance entre la lumière diffuse et la lumière diffuse + directe. L'indice de couleur présente deux pics, l'un avant 6h au lever du soleil et l'autre après 18h au coucher du soleil, et sont dus à la présence de cirrus optiquement fins pr&eagrave;s de la tropopause.

Les travaux de préparation du capteur ont conduit à mener des campagnes dans des environnements terrestres variées, puis ODS est devenu un instrument pour l'environnement terrestre : Ouagadougou (Burkina Faso), Bauru (Brésil), milieu arctique et maintenant au Maido (La Réunion). Le développement de cet instrument a été mené au LATMOS (Université de Versailles-Saint-Quentin) et au GSMA (Université de Reims Champagne-Ardenne). C'est en particulier à Reims que toute la partie liée à la modélisation du signal, la préparation des choix techniques et les procédures d'inversion sont réalisées. Cela a été l'objet du travail d'un thése de Daniel Toledo.

La version la plus récente d'ODS, produite pour Exomars 2016, a une masse de 90 grammes. Une faible masse et aucune pièce mobile est en général un argument parfois décisif pour un embarquement sur une mission spatiale. Une version antérieure a été testée lors de campagnes de terrain à Ouagadougou il y a quelques années, et validée en comparant les résultats à ceux d'instruments opérationnels. ODS est donc maintenant un instrument validé et lui-méme opérationnel.

Photo de la tête optique (28 g) du capteur ODS dans sa dernière version. La partie électronique pèse 50 g. L'ensemble, avec les câbles électriques pèse autour de 90 g.

Champ d'utilisation du capteur ODS en trois exemples

Projet DREAMS/EDM/EXOMARS 2016 puis EXOMARS 2020:

La motivation scientifique pour la capteur ODS est la suivante : la quantité de poussière contrôle directement le flux d'énergie incident au sol et donc le profil thermique de Mars. Avec la mesure de la température, la pression et l'humidité, il s'agit donc d'une mesure de base pour la compréhension de la météorologie martienne. Pour la première fois également, ce capteur pourra détecter et caractériser la présence de nuages sub-visibles de façon régulière. Cette expérience préfigure le type de stations qui pourrait être déployées, dans le futur, pour constituer un réseau météorologique sur le globe de Mars.

Ciel de Mars observé par le rover Pathfinder en 1997. La teinte rosée du ciel est due aux poussie#res, et on constate ici que lorsque le soleil est bas sur l'horizon, le ciel devient bleuté. ODS sur Mars fera une mesure de l'opacité de la poussière et gra#ce au bleuissement du ciel pourra de#tecter la presence de nuages.

Environnement tropical au Brésil - Projet Tro-Pico :

En septembre, un des exemplaires d'ODS a été envoyé au Brésil pour participer aux campagnes menées dans le cadre du projet Tro-Pico (ANR porté par le GSMA). Ce projet a pour but de caractériser les échanges d'eau entre la troposphère et la stratosphère tropicale, et lors de cette campagne plusieurs instruments vont faire des mesures soit au sol, soit embarqués sur des ballons. La détection de la composante nuageuse fait partie des mesures servant à diagnostiquer ces échanges. Différents types de nuages plus ou moins massifs peuvent participer au transport d'eau, ou simplement marquer la présence d'eau condensée autour de la tropopause. Pour cette campagne, c'est la capacité d'ODS à détecter les cirrus sub-visibles de haute altitude qui justifie cette participation. Cet instrument a pu produire une statistique partielle de présence, d'altitude et d'épaisseur optique de ces nuages au moment du lever et du coucher du soleil. Ces observations sont complémentaires des observations classiques, plus aptes à détecter les nuages épais.

La photo de gauche nous est assez familière, elle montre comment le ciel terrestre rougeoit au crépuscule à cause de la présence de nuages qui renvoient la lumière du soleil bas sur l'horizon. Au milieu, une scéne analogue sur Mars montre que cette fois, la présence des nuages est révélée par un bleuissement du ciel. C'est cette capacité des nuages à réfléchir une lumière solaire fortement appauvrie dans sa composante rouge sur Mars ou bleue sur terre qui va être utilisée pour étudier les propriétés des nuages fin de haute altitude. A droite, un exemple de modélisation de l'indice de couleur du# au coucher du soleil. La position et l'amplitude du pic renseigne de façon non-ambigue sur l'altitude et l'opacité des nuages.

Environnement polaire arctique - projet IAOOS :

Enfin, le projet Equipex IAOOS (Ice - Atmosphere - Arctic Ocean Observing System) émanant du LOCEAN et du LATMOS a été sélectionné. Il s'agit d'un projet pluri-annuel de surveillance de la banquise polaire arctique pendant l'hiver polaire. Ce projet vient à la suite du projet "Tara", nom du voilier expérimental qui a dérivé pendant 500 jours sur la banquise (à comparer au temps de dérive de 1000 jours du Fram, 114 ans auparavant). Au moment où la banquise disparaît d'années en années, et plus rapidement que prévu, il est essentiel de bien comprendre comment elle est en équilibre avec son environnement océanique et atmosphérique. Le projet IAOOS consiste en un réseau d'une dizaine de bouées instrumentales réparties sur la banquise, et remplacées progressivement au cours du temps et du déplacement de la banquise. Ces bouées (40 au total) vont sonder les profondeurs océaniques avec un train d'instrument, la glace de la banquise et l'atmosphère au dessus des bouées. ODS est l'un des instruments sélectionnés pour mesurer l'opacité des poussiéres arctiques et produire une statistique météorologique des cirrus polaires.

Vue de la banquise. Le voilier Tara y a passé 500 jours pour faire des mesures physiques et chimiques de l'environnement de la glace. Le projet IAOOS propose le prolongement de cette étude, avec une flotille de bouées automatisées, capables de sonder l'océan plusieurs kilomàtres sous la glace, la glace et l'atmosphàre au dessus. ODS pourra mesurer la couche de poussiàre arctique et les nuages de haute altitude tels qu'on les voit sur cette photo.