Nous présentons un modèle pour l’irradiance solaire spectrale entre 200 et 400 nm. Celui-ci est une extension d’un modèle d’irradiance solaire totale basé sur la simulation de la fragmentation et l’érosion des taches qui utilise, en entrée, les positions et aires des taches observées pour chaque pas de temps d’une journée. L’émergence des taches sur la face du Soleil opposée à la Terre est simulée par une injection stochastique. Le modèle simule ensuite leur désintégration, qui produit des taches plus petites et des facules. Par la suite, l’irradiance est calculée en sommant la contribution des taches, des facules et du Soleil inactif. Les paramètres libres du modèle sont ajustés en comparant les séquences temporelles produites avec les données provenant de divers satellites s’étalant sur trois cycles d’activité. Le modèle d’irradiance spectrale, quant à lui, a été obtenu en modifiant le calcul de la contribution des taches et des facules, ainsi que celle du Soleil inactif, afin de tenir compte de leur dépendance spectrale. Le flux de la photosphère inactive est interpolé sur un spectre synthétique non magnétisé, alors que le contraste des taches est obtenu en calculant le rapport du flux provenant d’un spectre synthétique représentatif des taches et de celui provenant du spectre représentatif du Soleil inactif. Le contraste des facules est quand à lui calculé avec une procédure simple d’inversion de corps noir. Cette dernière nécessite l’utilisation d’un profil de température des facules obtenu à l’aide de modèles d’atmosphère. Les données produites avec le modèle d’irradiance spectrale sont comparées aux observations de SOLSTICE sur UARS. L’accord étant peu satisfaisant, particulièrement concernant le niveau d’irradiance minimal ainsi que l’amplitude des variations, des corrections sont appliquées sur le flux du Soleil inactif, sur le profil de température des facules, ainsi qu’à la dépendance centre-bord du contraste des facules. Enfin, un profil de température des facules est reconstruit empiriquement en maximisant l’accord avec les observations grâce à un algorithme génétique. Il est utilisé afin de reconstruire les séquences temporelles d’irradiance jusqu’en 1874 à des longueurs d’ondes d’intérêt pour la chimie et la dynamique stratosphérique. / We present a model for spectral solar irradiance between 200 and 400 nm. It is an extension of a model for total solar irradiance based on sunspots fragmentation and erosion. This model takes the observed sunspot position and area as input for every oneday time step whereas emergences on the far side of the Sun are injected stochastically. The model simulates the spot’s disintegration and fragmentation into smaller structures such as spots and faculae and produces a magnetic structures area distribution evolving with time. The model contains many free parameters controlling the spots fragmentation, the quiet Sun irradiance, etc. They are adjusted by comparing the model outputs with observations from satellites spanning approximately three activity cycles. The model for spectral irradiance is a modified version of the model for total irradiance. More precisely, the spots and faculae contrast calculation and the quiet Sun contribution are adjusted to account for their spectral dependance. First, the quiet Sun flux is interpolated on a non magnetic synthetic spectrum, while the spots contrast is calculated with the ratio of the flux from a synthetic spectrum colder than the non magnetic photosphere, and the flux from a quiet Sun spectrum. The facular brightening is calculated with a simple procedure using the black body theory. This procedure interpolates a temperature associated with the formation height of photons from faculae on a temperature profile resulting from model atmosphere calculations. The spectral irradiance time series calculated with the model are compared to data from SOLSTICE on UARS. The two data sets do not agree very well, especially when we consider the minimum irradiance level and the amplitude variations over a complete cycle. Therefore, we apply a correction on the quiet Sun level and on the facular temperature profile. Finally, using a genetic algorithm, we reconstruct an empirical facular temperature profile by maximizing the fitness with observations. We use it to reconstruct spectral irradiance time series starting in 1874 at wavelengths of interest for stratospheric chemistry and dynamics.

Nous présentons un modèle pour l’irradiance solaire spectrale entre 200 et 400 nm. Celui-ci est une extension d’un modèle d’irradiance solaire totale basé sur la simulation de la fragmentation et l’érosion des taches qui utilise, en entrée, les positions et aires des taches observées pour chaque pas de temps d’une journée. L’émergence des taches sur la face du Soleil opposée à la Terre est simulée par une injection stochastique. Le modèle simule ensuite leur désintégration, qui produit des taches plus petites et des facules. Par la suite, l’irradiance est calculée en sommant la contribution des taches, des facules et du Soleil inactif. Les paramètres libres du modèle sont ajustés en comparant les séquences temporelles produites avec les données provenant de divers satellites s’étalant sur trois cycles d’activité. Le modèle d’irradiance spectrale, quant à lui, a été obtenu en modifiant le calcul de la contribution des taches et des facules, ainsi que celle du Soleil inactif, afin de tenir compte de leur dépendance spectrale. Le flux de la photosphère inactive est interpolé sur un spectre synthétique non magnétisé, alors que le contraste des taches est obtenu en calculant le rapport du flux provenant d’un spectre synthétique représentatif des taches et de celui provenant du spectre représentatif du Soleil inactif. Le contraste des facules est quand à lui calculé avec une procédure simple d’inversion de corps noir. Cette dernière nécessite l’utilisation d’un profil de température des facules obtenu à l’aide de modèles d’atmosphère. Les données produites avec le modèle d’irradiance spectrale sont comparées aux observations de SOLSTICE sur UARS. L’accord étant peu satisfaisant, particulièrement concernant le niveau d’irradiance minimal ainsi que l’amplitude des variations, des corrections sont appliquées sur le flux du Soleil inactif, sur le profil de température des facules, ainsi qu’à la dépendance centre-bord du contraste des facules. Enfin, un profil de température des facules est reconstruit empiriquement en maximisant l’accord avec les observations grâce à un algorithme génétique. Il est utilisé afin de reconstruire les séquences temporelles d’irradiance jusqu’en 1874 à des longueurs d’ondes d’intérêt pour la chimie et la dynamique stratosphérique. / We present a model for spectral solar irradiance between 200 and 400 nm. It is an extension of a model for total solar irradiance based on sunspots fragmentation and erosion. This model takes the observed sunspot position and area as input for every oneday time step whereas emergences on the far side of the Sun are injected stochastically. The model simulates the spot’s disintegration and fragmentation into smaller structures such as spots and faculae and produces a magnetic structures area distribution evolving with time. The model contains many free parameters controlling the spots fragmentation, the quiet Sun irradiance, etc. They are adjusted by comparing the model outputs with observations from satellites spanning approximately three activity cycles. The model for spectral irradiance is a modified version of the model for total irradiance. More precisely, the spots and faculae contrast calculation and the quiet Sun contribution are adjusted to account for their spectral dependance. First, the quiet Sun flux is interpolated on a non magnetic synthetic spectrum, while the spots contrast is calculated with the ratio of the flux from a synthetic spectrum colder than the non magnetic photosphere, and the flux from a quiet Sun spectrum. The facular brightening is calculated with a simple procedure using the black body theory. This procedure interpolates a temperature associated with the formation height of photons from faculae on a temperature profile resulting from model atmosphere calculations. The spectral irradiance time series calculated with the model are compared to data from SOLSTICE on UARS. The two data sets do not agree very well, especially when we consider the minimum irradiance level and the amplitude variations over a complete cycle. Therefore, we apply a correction on the quiet Sun level and on the facular temperature profile. Finally, using a genetic algorithm, we reconstruct an empirical facular temperature profile by maximizing the fitness with observations. We use it to reconstruct spectral irradiance time series starting in 1874 at wavelengths of interest for stratospheric chemistry and dynamics.

Cette thèse présente des reconstructions de l'irradiance totale et spectrale durant les 400 dernières années à l'aide des modèles pour l'irradiance totale et l'irradiance spectrale dans l'ultraviolet développés à l'Université de Montréal. Tous deux sont basés sur la simulation de l'émergence, de la fragmentation et de l'érosion des taches solaires, qui permet d'obtenir une distribution de l'aire des taches sombres et des facules brillantes en fonction du temps. Ces deux composantes sont principalement responsables de la variation de l'irradiance sur l'échelle de temps de la décennie, qui peut être calculée en sommant leur émissivité à celle de la photosphère inactive. La version améliorée du modèle d'irradiance solaire spectrale MOCASSIM inclut une extension de son domaine spectral entre 150 et 400 nm ainsi que de son domaine temporel, débutant originalement en 1874 et couvrant maintenant la période débutant en 1610 jusqu'au présent. Cela permet de reconstruire le spectre ultraviolet durant le minimum de Maunder et de le comparer à celui du minimum de 2009. Les conclusions tirées de cette étude spécifient que l'émissivité dans l'ultraviolet était plus élevée en 2009 que durant le minimum de Maunder, que le niveau de base de la photosphère non magnétisée contribuait pour environ les deux tiers de cette différence et que les structures magnétiques restantes étaient responsables pour le tiers restant. Le modèle d'irradiance totale a vu son domaine temporel étendu sur la même période et une composante représentant le réseau magnétique de façon réaliste y a été ajoutée. Il a été démontré que les observations des 30 dernières années ne sont bien reproduites qu'en incluant la composante du Soleil non magnétisé variable à long terme. Le processus d'optimisation des paramètres libres du modèle a été effectué en minimisant le carré de la somme de l'écart journalier entre les résultats des calculs et les données observées. Les trois composites disponibles, soit celui du PMOD (Physikalisch Meteorologisches Observatorium Davos), d'ACRIM (ACtive Radiometer Irradiance Monitor) et du IRMB (Institut Royal Météorologique de Belgique), ne sont pas en accord entre eux, en particulier au niveau des minima du cycle d'activité, et le modèle permet seulement de reproduire celui du PMOD avec exactitude lorsque la composante variable à long terme est proportionnelle au flux radio à 10.7 cm. Toutefois, en utilisant des polynômes de Lagrange pour représenter la variation du Soleil inactif, l'accord est amélioré pour les trois composites durant les minima, bien que les relations entre le niveau minimal de l'irradiance et la longueur du cycle précédent varient d'un cas à l'autre. Les résultats obtenus avec le modèle d'irradiance spectrale ont été utilisés dans une étude d'intercomparaison de la réponse de la photochimie stratosphérique à différentes représentations du spectre solaire. Les simulations en mode transitoire d'une durée de 10 jours ont été effectuées avec un spectre solaire constant correspondant soit à une période d'activité minimale ou à une période d'activité maximale. Ceci a permis d'évaluer la réponse de la concentration d'ozone à la variabilité solaire au cours d'un cycle et la différence entre deux minima. En plus de ceux de MOCASSIM, les spectres produits par deux modèles ont été utilisés (NRLSSI et MGNM) ainsi que les données de SIM et SOLSTICE/SORCE. La variabilité spectrale de chacun a été extraite et multipliée à un spectre de base représentant le minimum d'activité afin de simuler le spectre au maximum d'activité. Cela a été effectué dans le but d'isoler l'effet de la variabilité seule et d'exclure celui de la valeur absolue du spectre. La variabilité spectrale d'amplitude relativement élevée des observations de SORCE n'a pas provoqué l'inversion de la réponse de l'ozone à hautes altitudes obtenues par d'autres études, ce qui peut être expliqué par la nature même du modèle utilisé ainsi que par sa limite supérieure en altitude. Finalement, la réponse de l'ozone semble être à peu près proportionnelle à la variabilité de l'intégrale du flux pour lambda<241 nm. La comparaison des concentrations d'ozone obtenues avec les spectres originaux au minimum d'activité démontre que leur différence est du même ordre de grandeur que la variabilité entre le minimum et le maximum d'un cycle typique. Le problème du choix de la reconstruction de l'irradiance à utiliser pour les simulations climatiques dans le passé demeure non résolu. / This thesis presents reconstructions of the total and spectral solar irradiance for the last 400 years produced with the improved versions of the models for total and spectral solar irradiance in the ultraviolet developed at Université de Montréal. Both are based on the simulation of sunspot emergence, fragmentation and erosion, which produces a time-evolving area distribution of dark spots and bright faculae. These two components are the main drivers of irradiance decadal variations and this quantity can be calculated by summing their emissivity to that of the quiet photosphere. The improved version of the model for spectral irradiance, MOCASSIM, includes an extension of its spectral domain between 150 and 400 nm and of its temporal domain, with reconstructions now starting in 1610 instead of 1874. This allows to reconstruct the UV spectrum during the Maunder minimum and to compare it to the spectrum during the minimum of 2009. The conclusions of this study state that the Sun was slightly brighter during the recent minimum and that the slowly-varying quiet Sun contribution accounts for about two thirds of this difference, whereas remnant magnetic structure decay products account for the other third. The model for total irradiance was also extended further in the past, with reconstructions now starting in 1610. Also, a realistic network component was added. This was expected to help reproduce the observations spanning the last 30 years, especially the varying level of the irradiance during minimum activity. It was shown that the inclusion of a slowly-varying quiet Sun component was necessary to account for the observations. The free parameters of the model were adjusted by minimizing the sum of the daily squared difference between the model's output and the observations. The three available composites, from the PMOD (Physikalisch Meteorologisches Observatorium Davos), ACRIM (ACtive Radiometer Irradiance Monitor) and IRMB (Institut Royal Météorologique de Belgique) teams, do not agree between them, especially considering the minima of the activity cycle. The only composite reproduced in a satisfactory manner by the model when the variable quiet Sun component is proportionnal to the radio flux at 10.7 cm is the PMOD composite. However, using Lagrange polynomials to represent this component helps improve the agreement at minimum activity for all composites, even though the relation between the irradiance during the minima and the length of the preceding cycle varies from one to another. The results obtained with MOCASSIM were used during an intercomparison study of the photochemical response in the stratosphere to different representations of the solar spectrum. Transient simulations of duration 10-days were performed with a constant solar spectrum corresponding to either a maximum or minimum activity period. This allowed to estimate the response in stratospheric ozone to the solar variability over a cycle or between two minima. The spectra obtained with MOCASSIM were used along with those from two other models, NRLSSI and MGNM, and the SIM and SOLSTICE/SORCE data. The spectral variability from each data set was multiplied to a common baseline spectrum to produce the high activity spectrum in order to isolate the effet of the variability only, and to exclude the effect of the absolute spectral calibration. The high spectral variability of the SORCE data in the UV did not induce a negative response in ozone at high altitude, as obtained by various other studies. This is explained by the nature of the model and by its limited vertical extent. Finally, the ozone response is approximately proportional to the integrated UV flux below 241 nm. The comparison of the ozone concentration at minimum activity obtained with the original spectra shows that the difference is of the same magnitude as the response over a solar cycle. The problem of choosing a solar spectral irradiance reconstruction for climatic simulations in the past remains unsolved.

Le Soleil est une étoile variable dont l’éclairement présente un large spectre de périodicités (de quelques minutes à plusieurs décennies). L’amplitude de ces variabilités présente une forte dépendance en longueur d’onde. La mesure précise de l’éclairement spectral hors atmosphère et de cette variabilité selon une échelle radiométrique absolue constituent une entrée fondamentale pour les domaines de recherche suivants :<p>- En physique solaire, ces mesures permettent de valider les modèles étudiant la composition de l’atmosphère solaire, les processus physiques internes et leur variabilité.<p>- La photochimie atmosphérique terrestre et les modèles climatiques. La composition, la structure thermique et la dynamique de l’atmosphère terrestre sont dépendantes du flux solaire incident, de sa distribution en longueur d’onde et de sa variabilité. Les mesures sont requises pour une validation des modèles de transfert radiatif et climatiques.<p>La nécessité d’une mesure continue dans le temps et hors atmosphère s’impose car chaque cycle solaire possède ses propres caractéristiques. Ces mesures sont réalisées depuis plus de 30 ans par des spectroradiomètres adaptés à l’environnement spatial. L’instrument SOLSPEC (SOLar SPECtrum) a apporté une contribution majeure à ces mesures.<p>Le travail présenté dans ce manuscrit est associé à la sélection de SOLSPEC pour une mission à bord de la Station Spatiale Internationale (ISS). Les objectifs ont consisté à adapter l’instrument pour une mission à long terme (2008-2016), à étendre la plage spectrale couverte par SOLSPEC et à réduire l’incertitude de mesures. Il est structuré en deux parties :<p>- La remise à niveau de l’instrumentation et son étalonnage radiométrique.<p>- Le traitement des données pour les premières mesures en orbite.<p>L’instrument a été modifié pour satisfaire de nouvelles exigences de dimensions et de masse. De nouveaux sous-systèmes optiques (unité interne d’étalonnage, pointeur solaire) ont été développés pour permettre la détection et la correction de toute dérive angulaire ou de réponse absolue de manière autonome. La plage spectrale de fonctionnement a été étendue entre 166 et 3088 nm. Une caractérisation radiométrique approfondie de SOLSPEC a été effectuée. L’étalonnage absolu a été réalisé à partir de l’étalon primaire en éclairement spectral (rayonnement du corps noir) du PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt). Une estimation des incertitudes standard utilisant le formalisme mathématique appliqué en métrologie a été développée. Les résultats donnent une incertitude réduite entre 2 % à 4 % pour la plage 166-370 nm, inférieure à 2 % entre 370 et 2350 nm, comprise entre 2 et 5 % pour l’intervalle 2350-2580 nm et de 5 à 10 % entre 2580 et 2920 nm. Une valeur inférieure à 1 % est atteinte entre 500 et 1900 nm. Les mesures consécutives à la mise en orbite de SOLSPEC ont confirmé le maintien des performances radiométriques. Le spectre solaire hors atmosphère a été déterminé et comparé aux résultats antérieurs et actuels des missions respectives SOLSPEC ATLAS et SORCE. Il correspond à l’activité solaire du début de la mission SOLAR (mi-2008).<p><p>The Sun is a variable star. Its irradiance presents a wide range of periodicity varying from minutes to decades. The amplitude of this variability is strongly wavelength dependent. The accurate determination of the solar spectral irradiance above the atmosphere in absolute radiometric scale and the study of its variability are main issues for the following researches:<p>- In solar physics, these measurements are required for the validation of the models studying the composition of the solar atmosphere, the internal physical processes and their variability.<p>- For the photochemistry of the Earth’s atmosphere and the climate modeling. The composition, the thermal structure and the dynamics of the atmosphere are dependant on the incoming solar flux, its spectral distribution and variability. The measurements are required for the validation of radiative transfer and climate models.<p>As each solar cycle presents a different behavior, there was a need for continuous measurements above the atmosphere. Such measurements were performed since more than 30 years by means of space qualified spectroradiometers. The SOLSPEC (SOLar SPECtrum) instrument brought a major contribution in this respect. <p>The present work is devoted to the SOLSPEC instrument that was selected for a new mission on board the International Space Station (ISS). The objectives were to refurbish the instrument and to adapt it for a long term mission (2008-2016), to extend the wavelength coverage and to reduce the uncertainties on the measurements. This work is developed in two parts:<p>- The refurbishment and the radiometric characterization of the instrument.<p>- The data processing of the first results after the launch.<p>The instrument was modified in order to fulfill new requirements of dimensions and mass. Different optical sub-systems (internal lamp unit, passive solar sensor) were developed in order to obtain on board capabilities for the detection and the correction of any trend in the absolute response. The spectral range was extended to 166 - 3088 nm. A full radiometric characterization of SOLSPEC has been carried out and is presented in this work. The absolute calibration was performed using the primary standard of spectral irradiance (black-body radiation) of the PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt). The evaluation of the standard uncertainties is presented using the mathematical methodology applied in metrology. The results provide an uncertainty limited to 2 % - 4 % between 166 and 370 nm, below 2 % from 370 to 2350 nm, between 2 and 5 % for the spectral range 2350 - 2580 nm and 5 % to 10 % between 2580 and 2900 nm. The uncertainty is below 1 % between 500 and 1900 nm. The stability of the radiometric performances was demonstrated from the analysis of the first measurements after the launch, at the beginning of the mission. The solar spectrum above the atmosphere was determined and compared to results obtained from the previous SOLSPEC ATLAS and ongoing SORCE missions. This spectrum corresponds to the solar activity at mid-2008.<p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Ce document présente la mise en place d’un système de mesure des éclairements énergétiques spectraux solaires pour tout type de temps, sur 4 plans. Les 4 spectromètres mesurent au total 900 spectres/min et produisent chacun un spectre/min moyen et son écart type. Entre 2014 et 2015, 700 000 spectres ont été enregistrés sur un domaine compris entre 400 et 1000 nm avec un pas ≤1 nm. Un échantillon de 145 000 spectres représentatifs du climat lyonnais a été sélectionné pour une analyse statistique. Pour ce faire, l’échantillon a été réduit par partitionnement à 1175 spectres. Son domaine spectral a été étendu de 280 à 1500 nm à l’aide du RTM SMARTS. Une ACP de cet échantillon extrapolé a permis d’en réduire la description à 3 composantes et ainsi de réviser le modèle des illuminants D de la CIE. Enfin, la relation entre composition spectrale et paramètres environnementaux ou colorimétriques ouvre une voie vers des modèles statistiques de génération de spectres du rayonnement solaire. / This manuscript presents the design and setup of an all-weather spectral irradiance measurement system on 4 planes. The 4 spectrometers measure a total of 900 spectra/min to produce every minute, a mean spectral irradiance and its standard deviation. Between 2014 and 2015, this system recorded 700,000 spectra, for wavelengths ranging between 400 and 1,000 nm with a step ≤1 nm. A sample of 145,000 spectra representative of the Lyon climate was selected for statistical analysis. For this purpose, the sample was reduced in size by partitioning it in 1,175 spectra. Its spectral domain was extended to 280-1,500 nm by extrapolating the spectra with curve fitting using the SMARTS2 RTM. A PCA of the extrapolated sample reduced its description to only 3 components; hence, allowing a revision of the CIE’s illuminant D series. Finally, the relation between spectral power distribution and environmental or colorimetric parameters opens a way towards statistical models for generating solar spectra.