Etude DUn Modele DInversion Liant LEmissivite a LHumidite Des Sols. Contribution a la Mise Au Point De LAlgorithme De la Mission Smos

ETUDE D’UN MODELE D’INVERSION LIANT L’EMISSIVITE A L’HUMIDITE DES SOLS. CONTRIBUTION A LA MISE AU POINT DE L’ALGORITHME DE LA MISSION SMOS F. Demontoux1, B. Le Crom1,2, G. Ruffié1, JP. Wigneron2, J.P. Grant2,3 Heather Lawrence1 1 Laboratoire PIOM-ENSCPB-UMR 5501- 16 av Pey-Berland 33607 Pessac 2INRA-Unité de Bioclimatologie, BP 81, Villenave d’Ornon Cedex 33883 3Faculty of Earth and Life Sciences, Vrije Universiteit Amsterdam, De Boelelaam 1085. 1 Introduction SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity), dont le lancement est prévu pour l’horizon 2007, est la seconde mission d’opportunité « Earth Explorer » à être développée dans le cadre du programme « Living Planet » de l’agence spatiale européenne (ESA)[1]. Sur la problématique du cycle de l’eau, les données acquises par SMOS permettront d’établir une carte spatiale de l’humidité des surfaces continentales et de la salinité de la couche superficielle des océans. Les applications sont multiples. Sur Terre, la rétention d’eau dans le sol joue un rôle primordial dans l’évolution climatique car l’humidité des sols représente une variable clé régulant l’échange d’eau et d’énergie thermique entre la terre et l’atmosphère. En mer, la salinité est un paramètre qui influence la circulation des masses d’eau dans les océans et entraîne la formation de phénomènes climatiques tel qu’El Niño. Installé sur la plateforme Protéus, ce satellite, contenant le tout premier radiomètre interférométrique 2D, effectuera donc la 1e cartographie à l’échelle planétaire de l’humidité des sols et de la salinité des océans et ce grâce à un unique instrument de mesure capable de capture d’images des radiations micro ondes émise autour de 1.4GHz. Les hyperfréquences sont sensibles aux changements de la constante diélectrique du milieu et donc toute variation de la quantité d’eau induit des modifications des propriétés du diélectrique. Cela affecte l’émissivité, et par conséquent la température de brillance détectée par le radiomètre. Ainsi il existe une relation directe entre l’humidité du sol pour des profondeurs de 2 à 5 cm, la salinité des océans et les émissions d’origine terrestre sur la fréquence de 1.4 GHz. En raison de la résolution spatiale du pixel de SMOS, de l’ordre de 40 Km sur 40 Km, la tache au sol de la mesure englobe généralement un grand nombre de type d’occupation du sol. Les forêts sont présentes dans une majorité des pixels en zone tropicale, boréale et tempérée. Les forêts sont des couverts relativement opaques, sur lesquels le suivi de l’humidité reste problématique. En particulier, l’effet de la litière a, jusqu’ici, été négligé. Le but de notre travail a été dans un premier temps de réussir à mesurer les propriétés diélectriques d’un type de litière et de terre afin d’intégrer ces valeurs à un modèle analytique multi couches de sol [4]. L’objectif est de mettre en évidence les effets de cette strate sur le système multi couche global. Ceci permettra d’aboutir à une formulation analytique simple d’un modèle de litière qui puisse être intégré à l’algorithme de calcul de SMOS afin de recueillir des informations sur l’humidité à partir des mesures d’émissivité. La méthode de mesure que nous avons utilisé [4] permet de présenter les résultats sous forme de domaines de permittivité qui intègreront les erreurs de mesures et de répétitivité des mesures. Jusqu’à présent la présence de la litière a été négligée. L’effet de la végétation (arbre et sous bois) est alors caractérisé par son épaisseur optique τ et son albédo de simple diffusion. Son effet peut être corrigé par l’intermédiaire d’un modèle radiatif simple. Néanmoins les premières simulations laissent penser que l’effet de la litière sur l’émissivité d’un système litière + sol est loin d’être négligeable. Il est donc nécessaire de mettre en place un modèle analytique qui permettrait de corriger l’effet de cette (ces) couche(s) supplémentaire(s). Le but de cet article est de présenter les modèles analytiques que nous avons retenus pour corriger l’effet de la végétation et de la litière afin de connaître l’émissivité du sol nu. Nous avons développé un modèle numérique (avec le logiciel HFSS) de calcul de l’émissivité de systèmes multicouches [réf] afin de valider les résultats des modèles d’inversion. Des domaines de permittivité seront introduits au modèle afin de tenir compte des perturbations liées à la mesure et de la variation de la teneur en eau des couches. 2 Présentation des modèles

Le milieu d’étude que nous considèrerons dans cet article est la forêt. Ce système peut être représebté par un système tri-couche constitué de végétation (les arbres, les sous bois), de litière (débris végétaux) et de terre (sol). 2.1 Correction de l’effet de la végétation L’algorithme développé dans le cadre de la mission SMOS permet de relier la grandeur géophysique recherchée SM (pour « Soil Moisture ») à la grandeur radiométrique mesurée TB (pour Température de Brillance

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