Mesure de la distribution angulaire de la luminance dans la glace de mer

Autor: Larouche, Raphael
Jazyk: francouzština
Rok vydání: 2023
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Druh dokumentu: Texte::Thèse::Mémoire de maîtrise
Popis: La banquise arctique décroît en étendue, en épaisseur et en âge. Autrefois pluriannuelle et épaisse, la glace de mer est aujourd'hui remplacée par une glace saisonnière mince qui se forme et disparaît au sein d'une même année. Ces transformations s'accompagnent d'une modification des propriétés structurelles et par conséquent, d'un changement des quantités de lumière transmises et disponibles pour la photosynthèse. Pour mieux évaluer les impacts des grands bouleversements que subit la banquise sur la production primaire en Arctique à la base des chaînes trophiques, les liens intrinsèques entre les propriétés structurelles et optiques doivent être étudiés plus attentivement pour développer une meilleure intuition du transfert radiatif dans le milieu. Cependant, les mesures optiques *in situ* à l'intérieur de la glace acquises par le passé sont peu nombreuses et sont limitées en qualité; la majorité ayant été inférée à partir d'instruments volumineux perturbant le milieu, créant de l'auto-ombrage et offrant une faible résolution verticale et angulaire. De là s'est établi l'objectif principal de ce projet de recherche, soit la conception d'un instrument passif miniaturisé pour la collecte de la distribution angulaire de la luminance spectrale en différents points spatiaux à l'intérieur de la glace de mer arctique. La solution retenue est une caméra 360-degrés grand public composée de deux systèmes électro-optiques à large champ de vue. Cette dernière capte les rayons dans toutes les directions et à l'intérieur trois bandes spectrales visibles. Ces types de caméras sont compactes, faciles d'usage, peu coûteuses et accessibles. Dans un premier temps, les méthodes d'étalonnage et de caractérisation pour son usage en tant que radiomètre scientifique sont détaillées. Une évaluation de la justesse de l'étalonnage à partir d'une série temporelle de luminance d'un ciel partiellement nuageux mesurée avec la caméra et un radiomètre commercial fiable (C-OPS, Biospherical Inc.) a dévoilé des écarts relatifs sous 21 %. En deuxième temps, le capteur a été testé lors de deux sorties terrain; soit dans une glace pluriannuelle en Haute Arctique et dans une glace de première année côtière dans la Baie-des-Chaleurs. À l'intérieur de trous de 5 cm de diamètre, la géométrie du champ lumineux a été acquise en plusieurs profondeurs couvrant les épaisseurs totales de 2.0 m et 0.8 m pour les glaces de l'Arctique et de la Baie-des-Chaleurs respectivement. Tous les éclairements et plusieurs propriétés optiques apparentes ont pu être calculés dont les cosinus moyens de la luminance, montrés pour la première fois sous forme de profils dans la glace de mer. De plus, nous présentons une première tentative d'inversion manuelle des propriétés optiques inhérentes résolues en profondeur en ajustant les éclairements observés et simulés avec le modèle HydroLight. Dans la couche interne, les coefficients de diffusion réduit entre 0.8-4.8 m$^\textup{-1}$ pour la glace pluriannuelle et entre 2.8-6.4 m$^\textup{-1}$ pour la glace saisonnière ont été inférés. Les propriétés optiques inhérentes des deux sites sont dans des plages similaires à celles d'études antérieures en comparant leurs paramètres de similarité.
The Arctic ice pack is decreasing in extent, thickness, and age. Once multi-year and thick, the sea ice is now replaced by seasonal thin ice that forms and melts within the same year. These transformations come with changes in structural properties and consequently, modifications of the amount of transmitted light fluxes available for photosynthesis. To better asses the impacts of these great disruptions of the ice pack on primary production in the Arctic, the intrinsic links between structural and optical properties need to be studied more closely to improve our intuition of the radiative transfer inside the medium. However, *in situ* internal optical properties collected previously are few and limited in quality; most of them have been inferred from bulky instruments disturbing the ice, creating self-shadow as well as offering low vertical and angular resolution. This led to the main objective of this research project being the development of a miniaturized passive instrument to collect the angular distribution of the spectral radiance at given spatial positions inside sea ice. To this end, the selected solution is a consumer-grade 360-degree camera composed of two electro-optical assemblies having wide field of view that capture light rays in all directions inside three visible spectral bands. These types of cameras are compact, easy to use, inexpensive, and widely available. First, the calibration and characterization methodologies for its usage as a scientific radiometer are detailed. An evaluation of the calibration accuracy was performed by comparing the camera measurements of a partly cloudy sky radiance time series with a reliable commercial radiometer (C-OPS, Biospherical Inc.), which revealed relative errors below 21 %. Secondly, we tested the sensor during two field trips: inside multi-year ice in the High Arctic and in landfast first-year ice in Chaleur Bay. Inside 5-centimeter diameter holes, the light field geometry was captured at several depths covering the total thicknesses of 2.0 m and 0.8 m for the Arctic and Chaleur Bay ice respectively. From these measurements, we computed all the irradiances quantity and several apparent optical properties including the average cosines of the angular radiance distributions given for the first time as a vertical profile in sea ice. We also show a first attempt in manually inverting the inherent optical properties by fitting the observed irradiances with the ones simulated from HydroLight radiative transfer model. In interior ice, reduced scattering coefficients between 0.8-4.8 m$^\textup{-1}$ for the multi-annual ice and between 2.8-6.4 m$^\textup{-1}$ for the seasonal ice were inferred. The inherent optical properties of both sites are within ranges of values reported by previous studies when comparing similarity parameters.
Databáze: Networked Digital Library of Theses & Dissertations
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