On the use of radar altimetry to study the snow of the Antarctic ice-sheet
Apport de l'altimétrie radar spatiale à l'étude de la neige de la calotte polaire Antarctique
Résumé
The Antarctic ice-sheet is composed by a thick layer of ice surmounted by firn of up to 100 m thick. For now almost 40 years, the satellite observations provide a great number of information on its topography and some properties of the snow surface. However, the knowledge of its shallow and deeper snowpack properties is still very limited. The snow precipitations are transported and deposed by the wind to form layers. The successive accumulations of snow bury the snow layers, which are modified under the temperature and pressure conditions. Yet, the accumulation rate or the snow grain size are important climate indicators, not well known, whom signatures are contained in the near-surface observations.
Since 2002, the ENVISAT satellite provides altimetric data over 80 \% of the Antarctic ice-sheet simultaneously at 2 different frequencies (S band at 3.2 GHz and Ku band at 13.6 GHz). These two waves penetrate into the snowpack over several meters and are reflected differently by its different elements, depending on the frequency. The idea of this thesis is therefore to use the dual frequency information to retrieve properties of the snowpack.
We solve this problematic by an analysis and a modelling of the dual frequency altimetric signal over the ice-sheet, and then by its inversion. We focus first on different case studies to estimate the sensitivity of these signals to different properties of the snow: i/ the altimetric signal is sensitive to the snow surface roughness at different scales, ii/ the altimetric signal varies seasonally under compaction of the near-surface snow, iii/ the radar waves are reflected by deep layers of ice or snow.
A model of altimetric signal is developed to compare the two frequency datasets over the whole ice-sheet. The results of the model are used to explain the seasonal variations previously observed. These results provide the first observations of the seasonal compaction of the snowpack. Finally, the snowpack properties are estimated at a global scale over the Antarctic ice-sheet. The snow grains are found to be larger inside the continent than on the coast. The snow density shows seasonal variations of up to 0.15 g.cm-3, with greater amplitudes near the coasts. Some regions (Dronning Maud Land for instance) present a very smooth snow surface aspect.
The in situ measurements of the snow surface roughness are almost inexistent on ice-sheets, so that we develop a new method to measure snow surface profiles based on a distance-sensor laser onboard a skidoo. This instrument is successfully tested on the Midre Lovenbreen glacier in Svalbard.
Since 2002, the ENVISAT satellite provides altimetric data over 80 \% of the Antarctic ice-sheet simultaneously at 2 different frequencies (S band at 3.2 GHz and Ku band at 13.6 GHz). These two waves penetrate into the snowpack over several meters and are reflected differently by its different elements, depending on the frequency. The idea of this thesis is therefore to use the dual frequency information to retrieve properties of the snowpack.
We solve this problematic by an analysis and a modelling of the dual frequency altimetric signal over the ice-sheet, and then by its inversion. We focus first on different case studies to estimate the sensitivity of these signals to different properties of the snow: i/ the altimetric signal is sensitive to the snow surface roughness at different scales, ii/ the altimetric signal varies seasonally under compaction of the near-surface snow, iii/ the radar waves are reflected by deep layers of ice or snow.
A model of altimetric signal is developed to compare the two frequency datasets over the whole ice-sheet. The results of the model are used to explain the seasonal variations previously observed. These results provide the first observations of the seasonal compaction of the snowpack. Finally, the snowpack properties are estimated at a global scale over the Antarctic ice-sheet. The snow grains are found to be larger inside the continent than on the coast. The snow density shows seasonal variations of up to 0.15 g.cm-3, with greater amplitudes near the coasts. Some regions (Dronning Maud Land for instance) present a very smooth snow surface aspect.
The in situ measurements of the snow surface roughness are almost inexistent on ice-sheets, so that we develop a new method to measure snow surface profiles based on a distance-sensor laser onboard a skidoo. This instrument is successfully tested on the Midre Lovenbreen glacier in Svalbard.
La calotte polaire antarctique est constituée d'une épaisse couche de glace surmontée d'un névé d'une centaine de mètres d'épaisseur. Si les observations satellites, avec une couverture quasi-globale du continent, ont permis depuis bientôt 40 ans de fournir de nombreuses informations sur sa topographie et quelques propriétés de sa surface, la connaissance de son manteau neigeux est encore très limitée. Les précipitations qui se déposent sont balayées par les vents, s'accumulent pour former des couches. En s'enfouissant, les grains de neige qui les constituent subissent un métamorphisme qui modifie leur taille et leurs caractéristiques. Pourtant, Les taux d'accumulations ou les tailles des grains de neige, dont la signature est contenue dans les observations de la proche surface, sont des indicateurs climatiques clés, jusqu'alors mal connus.
Depuis 2002 et le lancement de ENVISAT, on dispose d'un altimètre radar qui couvre 80 \% de la calotte polaire Antarctique, dont la particularité est d'acquérir des signaux à deux fréquences différentes (bande S à 3.2 GHz et bande Ku à 13.6 GHz). Ces deux ondes pénètrent dans le manteau neigeux sur plusieurs mètres et ont des sensibilités aux propriétés de la neige différentes. Ainsi, l'idée de cette thèse est d'utiliser cette double information pour retrouver les propriétés du manteau neigeux.
On se propose de résoudre cette problématique par une analyse et une modélisation des signaux altimétriques bi-fréquences sur la calotte polaire, puis par leur inversion. On se penche tout d'abord sur quelques études de cas pour estimer la sensibilité des signaux aux différentes propriétés de la neige: i/ On montre tout d'abord que le signal altimétrique est sensible à la rugosité de la surface à différentes échelles, puis ii/ que le signal altimétrique est sujet à des variations saisonnières causées par la densification de la neige en surface, et enfin iii/ que les ondes radars sont réfléchies par des strates en profondeur.
Un modèle de l'interaction de l'onde avec le manteau neigeux est réalisé simultanément aux deux fréquences, afin de permettre une comparaison de ces signaux entre eux. Les résultats du modèle sont utilisés pour expliquer les variations saisonnières précédemment observées. Finalement, les paramètres du manteau neigeux sont estimés à l'échelle de la calotte polaire antarctique. Les tailles de grains retrouvées présentent un grossissement vers l'intérieur du continent. La densité montre des variations saisonnières de plusieurs g.cm3 notamment sur les côtes antarctiques. Certaines régions présentent un état de surface de la neige particulièrement lisse (Dronning Maud Land, par exemple).
La donnée in situ de l'état de surface de la neige étant quasi inexistante sur les calottes polaires, on développe finalement un protocole de mesure de la rugosité de la neige, qui est testé sur un glacier du Spitzberg.
Depuis 2002 et le lancement de ENVISAT, on dispose d'un altimètre radar qui couvre 80 \% de la calotte polaire Antarctique, dont la particularité est d'acquérir des signaux à deux fréquences différentes (bande S à 3.2 GHz et bande Ku à 13.6 GHz). Ces deux ondes pénètrent dans le manteau neigeux sur plusieurs mètres et ont des sensibilités aux propriétés de la neige différentes. Ainsi, l'idée de cette thèse est d'utiliser cette double information pour retrouver les propriétés du manteau neigeux.
On se propose de résoudre cette problématique par une analyse et une modélisation des signaux altimétriques bi-fréquences sur la calotte polaire, puis par leur inversion. On se penche tout d'abord sur quelques études de cas pour estimer la sensibilité des signaux aux différentes propriétés de la neige: i/ On montre tout d'abord que le signal altimétrique est sensible à la rugosité de la surface à différentes échelles, puis ii/ que le signal altimétrique est sujet à des variations saisonnières causées par la densification de la neige en surface, et enfin iii/ que les ondes radars sont réfléchies par des strates en profondeur.
Un modèle de l'interaction de l'onde avec le manteau neigeux est réalisé simultanément aux deux fréquences, afin de permettre une comparaison de ces signaux entre eux. Les résultats du modèle sont utilisés pour expliquer les variations saisonnières précédemment observées. Finalement, les paramètres du manteau neigeux sont estimés à l'échelle de la calotte polaire antarctique. Les tailles de grains retrouvées présentent un grossissement vers l'intérieur du continent. La densité montre des variations saisonnières de plusieurs g.cm3 notamment sur les côtes antarctiques. Certaines régions présentent un état de surface de la neige particulièrement lisse (Dronning Maud Land, par exemple).
La donnée in situ de l'état de surface de la neige étant quasi inexistante sur les calottes polaires, on développe finalement un protocole de mesure de la rugosité de la neige, qui est testé sur un glacier du Spitzberg.
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