Mon travail de thèse s’est développé, pour le cas particulier des observations satellitales à partir de l’orbite géostationnaire. Le but général a été de caractériser la variabilité diurne des propriétés optiques inhérentes (i.e. les coefficients d‘atténuation et de rétrodiffusion particulaire, cp et bbp) et apparentes (i.e. la réflectance, R) des eaux océaniques (« forme » du cycle diurne, amplitude, variations saisonnières, causes). Ces propriétés optiques déterminent le signal qu’un instrument embarqué à bord d’un satellite peut observer. Cette étude est une étape préliminaire permettant de comprendre la physique du problème, avant de pouvoir évaluer la possibilité de quantifier cette variabilité diurne à partir des observations satellitaires. La variabilité diurne de cp et bbp est donc étudiée en fonction des saisons définies selon les conditions physico-trophiques: le mélange, le bloom, son déclin, et l’oligotrophie. cp et bbp sont caractérisés par un cycle diurne, augmentation le jour et diminution la nuit, confirmant les tendances générales connues. Ce phénomène se produit durant toutes les saisons avec une variabilité intra-saisonnière qui différencie les cycles de cp et bbp: cp montre une amplitude plus large durant le bloom, contrairement à bbp les minima de cp et bbp sont synchronisés tandis que les maxima de bbp sont atteints 3 à 6 h avant ceux de cp, sauf pendant le bloom. L’augmentation journalière de bbp se reflète dans les changements de R. Toutefois, les résultats ont montré que l’inversion ne permet pas de reproduire l’augmentation journalière de bbp de façon satisfaisante. Les techniques d’inversion existantes ne sont pas adaptées pour une utilisation à haute fréquence. / My thesis is developed for the particular case of satellites observations from geostationary orbit. The overall aim was to characterize the diel variability of water inherent (i.e. the particulate beam attenuation and backscattering coefficients, cp and bbp) and apparent (i.e. reflectance, R) optical properties (“shape”of diel cycle, amplitude, seasonal variations, origins). These properties determine the signal which is observed from sensor aboard satellite. This study is a preliminary step in understanding the physical problem, before assessing the possibility of quantifying the diel variability from satellite observations. Diel variability of cp and bbp is studied by season, as defined by physical and trophic conditions: mixing, bloom proliferation, its decline, and oligotrophy. Both cp and bbp are characterized by a diel cycle of daytime increase and nighttime decrease, confirming known general trends. This occurs across all seasons, but intra-seasonal variability differed between cp and bbp cycles: unlike bbp, cp show larger amplitude of diurnal variation during the bloom cp and bbp minima are synchronized while bbp minima are attained 3-6 h before those of cp, except during the bloom. Daily changes of R are consistent with the variations of bbp. Nevertheless, it is still difficult to reproduce the diurnal increase of bbp by inversion of R. The differences observed between in situ and modeled values of bbp suggest that the performance of inversion is degraded when it is used at high frequency.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第21089号 / 工博第4453号 / 新制||工||1692(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科都市社会工学専攻 / (主査)教授 小池 克明, 教授 立川 康人, 准教授 後藤 忠徳 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

Die Charakterisierung von Dispersionen hat das Ziel, die Zusammensetzung und den Zustand von partikelhaltigen Stoffgemischen zu erfassen. Vor allem der Zustand der dispersen Phase (Partikel), der wiederum von der Größe und der Konzentration der Partikel bestimmt wird, ist in diesem Zusammenhang von besonderer Bedeutung. Neben optischen Verfahren, wie der Laserbeugung oder der Lichtstreuung, ist die Anwendung von akustischen Methoden vor allem dann sinnvoll, wenn die zu untersuchenden dispersen Stoffgemische opak und optische Methoden nur noch eingeschränkt (nach Verdünnung) anwendbar sind. Derartige Dispersionen weisen oftmals eine hohe Partikelkonzentration auf. Die Erfassung und Auswertung von Ultraschallechosignalen aus konzentrierten Dispersionen stellt einen neuartigen Ansatz innerhalb der akustischen Partikelmesstechnik dar. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden theoretische und experimentelle Untersuchungen zum Ultraschallrückstreuverhalten von konzentrierten Dispersionen im unteren Megahertzbereich durchgeführt. Die messtechnische Erfassung der von der Dispersion reflektierten Schallanteile stellte eine besondere Herausforderung dar. Vor allem bei Partikeln, die klein gegenüber der Wellenlänge des Schalls sind oder einen geringen akustischen Kontrast gegenüber der kontinuierlichen Phase aufweisen, ist ein entsprechend schwaches Echosignal zu erwarten. Im Ergebnis der durchgeführten Untersuchungen zeigt sich eine hohe Sensitivität des akustischen Rückstreuverhaltens gegenüber der Zusammensatzung der Dispersion. Vor allem in konzentrierten Dispersionen kann die Messung direkt, d. h. ohne vorherige Verdünnung durchgeführt werden. Dieser Umstand prädestiniert das entwickelte Messverfahren für den Einsatz innerhalb der prozessnahen Charakterisierung von Partikelsystemen, beispielsweise bei Nasszerkleinerungs- oder Kristallisationsprozessen. Bei derartigen Prozessen ist eine Probenahme und Probenaufbereitung nicht oder nur eingeschränkt möglich.

Die Charakterisierung von Dispersionen hat das Ziel, die Zusammensetzung und den Zustand von partikelhaltigen Stoffgemischen zu erfassen. Vor allem der Zustand der dispersen Phase (Partikel), der wiederum von der Größe und der Konzentration der Partikel bestimmt wird, ist in diesem Zusammenhang von besonderer Bedeutung. Neben optischen Verfahren, wie der Laserbeugung oder der Lichtstreuung, ist die Anwendung von akustischen Methoden vor allem dann sinnvoll, wenn die zu untersuchenden dispersen Stoffgemische opak und optische Methoden nur noch eingeschränkt (nach Verdünnung) anwendbar sind. Derartige Dispersionen weisen oftmals eine hohe Partikelkonzentration auf. Die Erfassung und Auswertung von Ultraschallechosignalen aus konzentrierten Dispersionen stellt einen neuartigen Ansatz innerhalb der akustischen Partikelmesstechnik dar. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden theoretische und experimentelle Untersuchungen zum Ultraschallrückstreuverhalten von konzentrierten Dispersionen im unteren Megahertzbereich durchgeführt. Die messtechnische Erfassung der von der Dispersion reflektierten Schallanteile stellte eine besondere Herausforderung dar. Vor allem bei Partikeln, die klein gegenüber der Wellenlänge des Schalls sind oder einen geringen akustischen Kontrast gegenüber der kontinuierlichen Phase aufweisen, ist ein entsprechend schwaches Echosignal zu erwarten. Im Ergebnis der durchgeführten Untersuchungen zeigt sich eine hohe Sensitivität des akustischen Rückstreuverhaltens gegenüber der Zusammensatzung der Dispersion. Vor allem in konzentrierten Dispersionen kann die Messung direkt, d. h. ohne vorherige Verdünnung durchgeführt werden. Dieser Umstand prädestiniert das entwickelte Messverfahren für den Einsatz innerhalb der prozessnahen Charakterisierung von Partikelsystemen, beispielsweise bei Nasszerkleinerungs- oder Kristallisationsprozessen. Bei derartigen Prozessen ist eine Probenahme und Probenaufbereitung nicht oder nur eingeschränkt möglich.

Dans le cadre de la mission spatiale SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity), nous présentons dans cette thèse une nouvelle approche numérique de modélisation du calcul de l’émissivité et du coefficient bi-statique de systèmes forestiers sol-litière en Bande L. Le système sol-litière est représenté par deux couches diélectriques 3D comportant des interfaces rugueuses, une démarche qui n’apparait pas actuellement dans la littérature. Nous validons notre approche pour une seule couche en comparant les simulations de l'émissivité avec celles produites par la méthode des moments et des données expérimentales. A partir de ce nouveau modèle, nous évaluons la sensibilité de l’émissivité du système sol-litière en fonction de l’humidité et de la rugosité de la litière. Ce nouveau modèle permettra de créer une base de données synthétiques d’émissivités calculées en fonction de nombreux paramètres qui contribuera à améliorer la prise en compte de la litière dans l'algorithme d’inversion des données de la mission spatiale SMOS. / In the context of the SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) mission, we present a new numerical modelling approach for calculating the emissivity and bistatic scattering coefficient of the soil-litter system found in forests, at L-band. The soil-litter system is modelled as two 3-dimensional dielectric layers, each with a randomly rough surface, which to our knowledge has not previously been achieved. We investigate the validity of the approach for a single layer by comparing emissivity simulations with results of Method of Moments simulations, and experimental data. We then use the approach to evaluate the sensitivity of the soil-litter system as a function of moisture content and the roughness of the litter layer. The numerical modelling approach which has been developed will allow us in the future to create a synthetic database of the emissivity of the soil-litter system as a function of numerous parameters, which will contribute to validating and improving the inversion algorithm used by the SMOS mission to retrieve soil moisture over forests.