1Ayant intégré le groupe ARA (analyse du rayonnement atmosphérique) dès ma soutenance de thèses (1992) effectuée à l’ONERA (Office national d'études et de recherches aérospatiales), j’ai pu suivre l’évolution du groupe mais aussi, au détour de nombreuses conversations avec Alain Chédin, Nicole Jacquinet-Husson et Noëlle Scott, comprendre comment il s’était formé, à l’École polytechnique en quasi coïncidence avec la création du LMD par Pierre Morel et sous la Direction d’André Berroir.
2Voici donc comment j’ai perçu la solidité et la cohérence des liens entre la spectroscopie fondamentale, le transfert radiatif direct et inverse et l’observation spatiale d’aujourd’hui.
3Au tout début des années 1960, que ce soit au Ministère de l’Air, au CNES, à l’ONERA, ou dans des laboratoires familiers de l’infrarouge (Pr Barchewitz, Pr Amat) avait été ressentie l’importance d’avoir une détection fiable de variables atmosphériques à partir d’avions ou de l’espace.
4Aux États-Unis (Kaplan (J. Opt. Soc. Am., 49, 1004_1007 (1959)), Wark (JGR,66, 1961), King (J. Atmos. Sc., 21,1964)) venaient, indépendamment, de proposer les restitutions tri-dimensionnelles de variables atmosphériques à partir de mesures satellitaires dans l’infrarouge.
5Pendant ce temps-là, au Laboratoire de physique moléculaire et d’optique atmosphérique de Jussieu Alain Chédin et Nicole Jacquinet-Husson étaient en thèse (soutenues en 1971 et 1975) dans les caves de la Halle aux Vins. Noëlle Scott les rejoindra quelques mois plus tard dès sa sortie du DEA de Spectronomie 1966 effectué en partie au Laboratoire Aimé Cotton de Meudon sans avoir encore de sujet de thèse bien défini. Elle se retrouve piégée devant un vieux spectromètre à réseau avec pour mission de le « nettoyer » pour faire des spectres de cuve. Chédin et Amat définissent un sujet de thèse plus en phase avec l’actualité du moment portant sur l’étude du rayonnement infrarouge de la Terre et de son atmosphère pour la restitution des profils verticaux de température. (thèse soutenue en 1974).
6C’est à Jussieu que les premiers contacts avec le CNES (bourses de thèse et parrainages Jacques Breton et Pierre Morel) se concrétisent. C’est aussi à Jussieu que le premier article sur le transfert radiatif (TR) inverse est publié : Scott et Chédin (1971). Cet article représente le début d’une très longue coopération. Il contribue à resserrer des liens avec Kaplan qui vient pour des visites longues durée en France et à attirer l’attention de Dave Wark qui invitera plus tard Scott pour deux séjours à la NOAA/Suitland.
7C’est à Jussieu que naît le modèle direct Stransac (Scott, 1974) qui est un des tout premiers modèles « line-by-line and layer-by-layer » et des plus rapides. Il a ouvert la porte à la simulation la plus précise et la plus fine possible des flux radiatifs monochromatiques au sommet de l’atmosphère (0.0001cm-1). Comme Stransac est en rupture avec les modélisations reposant sur des représentations statistiques de bandes d’absorption, il requiert d’accéder à des informations spectroscopiques beaucoup plus détaillées (position, intensité, largeur à mi-hauteur des raies d’absorptions). C’est à cette époque et à la suite de l’article de 1971 que naît l’idée de ce qui deviendra plus tard, mais au LMD, la banque de données GEISA.
8Les requêtes portant sur le transfert radiatif et les données spectroscopiques se font de plus en plus nombreuses : c’est Pierre Morel qui vers 1970 mandate Maud Roulleau et Marie-Martine Poc pour identifier dans d’éventuelles listes ou atlas de possibles canaux de sondage à 6.3 microns pour le radiomètre-imageur du 1[startmySuperscriptero] Meteosat lancé en 1977. C’est aussi, avant l’arrivée au LMD, alors que Chédin et Scott ont migré dans les locaux de la Fac d’Orsay (Bures-sur-Yvette) que Daniel Gautier les contacts pour des simulations de Transfert Radiatif direct en prévision du lancement de Voyager. S’ensuivra une longue et fructueuse collaboration avec le groupe de l’Observatoire de Meudon -Daniel Gautier et ses collègues avec huit articles entre 1978 et 1984.
9C’est en 1976 que Chédin, Scott, Husson et Isabelle Jobard (alors en cours de thèse) migrent au LMD / Ecole Polytechnique, alors dirigé par André Berroir.
10L’arrivée au LMD verra une transition où les études de Physique moléculaire céderont peu à peu le pas à des études de plus en plus orientées vers l’espace. Néanmoins, plusieurs articles seront encore publiés jusqu’en 1984 en continuité des travaux de Chédin et Cihla. Il y sera encore question de mécanique quantique, de résolution de l'équation de Schrödinger pour l'Hamiltonien de vibration-rotation pour la description quantitative des spectres d'absorption et d'émission des gaz radiativement actifs de l'atmosphère (positions et intensités des raies spectrales) et des spectres de l’atmosphère de Venus dans l’infrarouge obtenus par spectrométrie à Transformée de Fourier (Jeanine Connes, Pierre Connes, J.P. Maillard,1969).
11Une toute première direction de thèse est confiée par André Berroir au nouveau groupe qui se nommera « ARA » (abbréviation pour « analyse du rayonnement atmosphérique ») : celle de Danielle Imbaut traitant de la restitution des températures de surface de la mer (soutenance en 1979). Par la suite, sous la direction de Alain et Noëlle, plus de 25 thèses seront soutenues sur des sujets plutôt novateurs pour l’époque.
12Aux États-Unis, c’est la naissance de la base de données spectroscopiques HITRAN (appelée initialement AFGL). Classée « défense », elle ne pouvait être utilisée à des fins scientifiques et c’est à ce moment-là que la base de données spectroscopiques GEISA (gestion et étude des informations spectroscopiques atmosphériques) se concrétise avec la première collection de données de la molécule H2O qui sera suivie par bien d’autres espèces moléculaires (58 espèces dans la dernière version en 2020, Delahaye et al., 2021). Petit à petit, à partir de sa création vers 1976, GEISA va s’imposer, tout d’abord au sein du laboratoire, puis en France. C’est en 1982 que GEISA s’inscrira plus officiellement (A. Chédin, N. Jacquinet) comme une base de données spectroscopiques de référence pour les études du TR dans les atmosphères terrestre et planétaires, au niveau international. N. Jacquinet la maintiendra au plus haut niveau grâce à une implication totale dans la recherche de nouvelles données, des coopérations et des échanges avec des laboratoires nationaux et internationaux. C’est en 2015, avec la retraite de Nicole, que j’ai décidé de prendre la suite et donc la responsabilité de maintenir GEISA au même niveau.
13Dès le début des années 1980, Tous les éléments (y compris le développement de la version microonde de STRANSAC) étaient réunis pour ouvrir une nouvelle voie de recherche autour de l’inversion du TR, comme avec l’algorithme 3I (Improved Initialization Inversion) qui utilisera le potentiel de la synergie microondes (très peu sensibles aux nuages) avec l’IR thermique (très sensible).
14Depuis le milieu des années 1980, le LMD a acquis et maintenu une expérience toujours reconnue dans les méthodes de restitution des variables climatiques (profils de température, de vapeur d’eau, détection et caractéristiques des nuages et des aérosols, restitutions des propriétés de surface, composition, etc.) en combinant les observations satellitaires dans l’infrarouge et les microondes : méthodes bayesiennes avec jeu initial obtenu par reconnaissances de formes, méthodes neuronales, etc. Ce thème de recherche a été la base de nombreux articles et thèses dans l’équipe. L’article fondateur a été celui de 1985, Chédin A., Scott N.A., Wahiche C., Moulinier P. (« Improved Initialization Inversion »).
15La recherche d’une solution initiale optimale est un point central de l'algorithme « 3I ». Elle repose sur une approche de type reconnaissance des formes. L’espace des formes dans lequel se fait la recherche de proximité à l’observation est l'ensemble « TIGR » (Thermodynamic Initial Guess Retrieval). TIGR est aussi à la base de nos premiers travaux sur les réseaux de neurones (l'IA actuelle) publiés par Escobar-Munoz et al. (1993) et dans la publication de Chevallier et al. (1998).
16En parallèle sera développé la version « zoomée ou locale » de 3I. Cette version permettra en particulier l’étude au LMD des régions polaires menées par Chantal Claud (1989, thèse) et le début des travaux de Claudia Stubenrauch sur les nuages (1999, Cloud retrieval, 2009 GEWEX Cloud assessment)
17En raison des temps de calcul requis, le modèle de 1974, STRANSAC, va se montrer incompatible, avec la densité spatio-temporelle, le nombre de canaux de sondage des radiomètres observations des satellites météorologiques opérationnels de la série NOAA.
18Le développement du modèle 4A (atlas automatisé des absorptions atmosphériques), se fait sur un concept nouveau pour ce type de modèle de LUT (look-up tables). Ce concept a été défini par A. Chédin et décrit dans Scott et Chédin, 1981. Il s’agit de stocker une fois pour toutes dans les LUT (construites par STRANSAC) tous les calculs faisant intervenir la partie la plus lourde du transfert radiatif (ie celle reposant sur la description détaillée de la structure de chaque raie d’absorption). Les LUT, construites, utilisent en entrée des profils atmosphériques (température, rapports de mélanges) prédéfinis. Le rayonnement parvenant au point d’observation sera reconstruit couche par couche et de manière monochromatique par reconnaissance de formes et interpolations successives avec un gain en rapidité à l’époque d’environ 3 000 par rapport à l’algorithme « raie à raie ». Avec les ordinateurs actuels et la vectorisation qui est désormais très facile, ce gain est considérablement réduit mais reste indispensable pour le traitement des sondeurs à très haute résolution spectrale (AIRS/AQUA et IASI/METOP).
19Grâce à sa précision et à sa rapidité, le modèle 4A est choisi par le WMO/ Pierre Morel pour servir de référence aux modèles à larges bandes de bilans radiatifs (« Intercomparison of Radiation Codes in Climate Models » de l’IRC, 1984).
20Par son approche monochromatique, 4A permet des convolutions avec n’importe quelle fonction d’appareil et ouvre ainsi la possibilité de simuler les observations de n’importe quel instrument au sol ou embarqué. 4A permettant aussi un calcul analytique des jacobiens physiques (Chéruy et al. 1995), il sera couramment utilisé dans la sélection des canaux les plus aptes à restituer telle ou telle variable atmosphérique ou de surface.
214A est depuis plusieurs années industrialisé par le CNES sous le nom de 4A/OP et, sous responsabilité scientifique du LMD (Virginie Cappelle, et moi-même). Depuis son origine, orienté plus vers l’infrarouge thermique, il a évolué vers des domaines de longueurs d’ondes courtes et lointaines (SWIR, FIR) utilisés pour la caractérisation de certaines missions spatiales à venir. Il est distribué par le pôle atmosphère AERIS sous le nom de 4A/OP.
22C’est un tournant important dans les activités du groupe ARA et qui constitue un premier pas vers des analyses de variabilité et de tendances de variables atmosphériques ou de surface restituées à partir d’observations satellitaires. Sous l'égide de la NASA, de la NOAA, du WCRP (World Climate Research Programme) ou de la CCE (Commission des communautés européennes), plusieurs grands programmes de ré-analyse de ces données (certaines archivées depuis près de 25 ans) se sont établis dans les années 1990. Leur but était de constituer des jeux de données de variables climatiques avec des exigences de cohérence, de stabilité des modèles de traitement, de long terme, et de qualité contrôlée. Sur appel d'offre de la NOAA et de la NASA, le modèle d’inversion 3I (Improved Initialization Inversion) du LMD est sélectionné en Juin 1995 pour participer au programme Pathfinder, ré-analyse de quelques 8 années d'observation de l'instrument de sondage vertical TOVS/NOAA. La base de variables climatiques (profils de température, de vapeur d’eau, caractéristiques nuageuses, température de surface terre et mer) ainsi générée portera le nom de « TOVS/Path-B » et sera archivée sur le DAAC/GSFC.
23Avec Pathfinder, le groupe ARA a démontré sa capacité à suivre sur le long terme la qualité d’un instrument et à détecter et à corriger a posteriori les artéfacts des instruments embarqués (dérives radiométriques, sauts aléatoires, dérives mécaniques). Avec des algorithmes rapides comme 4A, le groupe ARA participera à la préparation et/ou au suivi des radiances (niveau 1) de nombreuses missions spatiales comme TOVS/ATOVS, IIR/Calipso, IASI…. Ce qui l’amènera quelques années plus tard à participer (sous l’égide du CNES) au désormais incontournable « Global Space-based Inter-Calibration System » (GSICS) dans le cadre du Système mondial d’inter-étalonnage des instruments satellitaires du WMO.
24Au-delà des articles de pure Spectroscopie ou de transfert radiatif direct ou inverse, plusieurs contributions ont signé des « réalisations pionnières ». Par exemple, l’étalonnage d’un GEO par un LEO, respectivement Meteosat et TIROS-N (Nicolas Beriot et al., 1982).
25Par exemple encore dès 1991, les travaux, reposant sur l’utilisation de réseaux de neurones pour inverser les profils de température ou de vapeur d’eau (thèse de J. Escobar-Munoz dès 1993, Comptes Rendus de l'Académie des Sciences (317, II, 911-918, 1993)). De nombreuses thèses et articles s’articuleront sur cette technique entre 1993 et aujourd’hui, comme par exemple Chevallier (thèse 1998), Aires (thèse1999).
26Les connaissances en spectroscopie, TR direct et inverse du groupe ARA permettront ensuite de démontrer via plusieurs thèses et/ou articles que ces sondeurs verticaux, initialement à but météorologique, pouvaient apporter bien plus dans la connaissance de l’atmosphère et du climat ; c’est les premiers travaux par exemple pour déterminer les propriétés des aérosols depuis l’IR thermique (thèse Pierangelo, 1995), des flux radiatifs (thèse de Bréon (1989)) et des premières estimations des Gaz à Effets de Serre (comme CO2, Chédin et al., 2002).
27Autre spécificité : en 2016, GEISA va proposer aux différents laboratoires fournisseurs de données en plus de la mise à jour, de réaliser la validation dès la réception de leurs données. En couplant l’expertise en spectroscopie, en transfert radiatif et en validation des niveaux 1 (radiances) acquises depuis de nombreuses années, naîtra la chaine automatisée de validation SPARTE (Spectroscopic Parameters And Radiative Transfer Evaluation) (Armante et al., 2016) qui sera publiée dans la Special Issue (Jacquinet-Husson N. 2016) autour de GEISA montrant l’exigence qui est désormais requise pour répondre aux défis des futures missions spatiales.
28Au cours des différentes thèses ou articles, les méthodes et outils statistiques, qui permettent de manipuler de très grands ensembles de données et d’analyser les résultats sur de longues séries temporelles se sont révélés indispensables. De nouvelles approches neuronales non supervisées, utilisant la théorie de l’information, ont été développées et appliquées, par exemple, à l’étude du comportement et de l’origine de la variabilité de champs climatologiques (Filipe Aires, 1999 et 2002). De même, de nouveaux et puissants outils de classification, fondés sur la théorie des fonctions de distribution de distributions, ont été mis au point et appliqués avec succès à de tels champs (Mathieu Vrac, thèse2002, Pernin et al. (2016)).
29Après les satellites météorologiques de la NOAA (radiomètre à basse résolution spectrale), arrivent dans les années 2000, les sondeurs infrarouges à haute résolution spectrale comme AIRS/AQUA (2002) et IASI/METOP (premier vol en 2006). Dès le milieu des années 1980, Chédin, accompagné par un jeune ingénieur du CNES (Alain Ratier, qui deviendra plus tard Directeur d’Eumetsat) participera activement aux (rudes) débats internationaux et transatlantiques qui devaient aboutir au choix d’un interféromètre à Transformée de Fourier : l’actuel IASI. IASI a été construit par Thales Alenia Space sous la responsabilité technique du CNES. Les exceptionnelles stabilités spectrale et radiométrique de IASI en ont fait l’instrument de référence pour l’inter-étalonnage des instruments d’observation de la Terre dans le cadre de l’effort international du GSICS (y compris pour des instruments américains comme AIRS ou CrIs). Le LMD, comme d’autres laboratoires (LATMOS par exemple) a mis à profit la gamme continue de longueurs d’onde de IASI entre 3.7 et 15.5 µm pour accéder aussi à des variables « imprévues », désormais classées comme variables climatiques essentielles (ECVs), recourant à la connaissance de paramètres d’absorption de plus en plus fins et pour des molécules dites de plus en plus minoritaires (Gaz à effet de serre, NOx, CFCs, …).
30Afin d’atteindre les objectifs scientifiques de nouvelles missions, (par exemple la mission franco-allemande MERLIN (lidar IPDA (Integrated Path Differential-Absorption) avec le multiplet R6 du méthane), la précision demandée dans la modélisation du transfert radiatif n’est plus du %, mais de l’ordre du dixième de %. Cela induit d’utiliser des caractérisations spectroscopiques à la limite de la « résolution infinie », avec des profils non Voigt comme le profil HTP (Hartmann-Tran Profile).
31Mais ceci est une autre histoire…