Effet de la turbulence optique sur l'astrométrie solaire par imagerie

199 Pages·2016·31.54 MB·French

UNIVERSITE COTE D’AZUR - UFR Sciences
ÉcoleDoctoraledesSciencesFondamentalesetAppliquées
UNIVERSITE M’HAMED BOUGARA BOUMERDES
THÈSE EN CO-TUTELLE
Présentéeafind’obtenirletitrede
Docteur en Sciences
Specialité:SciencedelaPlane`teetdel’Univers
Soutenuepar
Rabah IKHLEF
etpréparéeausein:
duLaboratoireJ.-L.Lagrange(UMR7293)
&del’Observatoired’Alger-Algérie-(CRAAG)
surlesujet:
ff
E et de la turbulence optique
sur l’astrométrie solaire
par imagerie
Soutenuele16/12/2016devantunjurycomposéde:
Rapporteurs: MarceloEmilio - UniversitédePontaGrossa
BernardGelly - CNRS-THEMIS
Examinateurs: DalilaAcheli - FS-UMBBBoumerdes
NoureddineMoussaoui - FP-USTHBAlger
AzizZiad - LaboratoireLagrange
Directeursdethèse: ThierryCorbard - LaboratoireLagrange
M’HamedHamadouche - FS-UMBBBoumerdes
Toufik-El-Hak Abdelatif - CRAAGAlger

Remerciements
Je tiens tout d’abord à exprimer ma profonde reconnaissance à mes directeurs de thèse, Thierry Corbard,
M’Hamed Hamadouche et Toufik Abdelatif. Un grand merci à Thierry pour m’avoir proposé ce sujet et
suivilebondéroulementdemathèse.Jevoudraisremercierlesrapporteursdemathèse,BernardGellyet
MarceloEmiliopouravoirconsacrédeleurstempspourlireetcorrigermonmanuscrit.Leurspertinentes
remarques et suggestions m’ont permis de fortement l’améliorer. J’aimerais remercier les examinateurs
Mme Dalila Acheli, Aziz Ziad, Nourredine Moussaoui pour avoir accepté de participer au jury de ma
soutenance.
Mes remerciements les plus chaleureux s’adressent à l’ensemble de mes collègues et amis que ce soit à
Alger,àCalernouauMontGros.
C’est tout naturellement, que je dois remercier les membres de l’équipe du projet PICARD-SOL pour
leur soutient et leur aide précieuse le long de cette thèse. Je pense particulièrement à Frédéric Morand,
CatherineRenaud,monchercollègueMammarFodiletnoscherscollèguesduLATMOSparticulièrement
MustaphaMeftah,cefutpourmoiàlafoisunhonneuretunplaisirdetravailleraveceux.
Je remercie l’ensemble de tout le personnel de l’OCA et de l’Observatoire d’Alger, pour leur sympathie
etbonnehumeur.
Mesremerciementslesplusprofondss’adressenttoutnaturellementàmamère,messœuresetmesfrères
pourleursencouragementsetleursoutiensansfaille..

Table des matières
1 Introduction 1
1.1 Introductiongénérale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2 Atmosphèreetimagerie 5
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Laturbulenceatmosphérique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.1 Théoriedelaturbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.2 Propriétésstatistiquesdelaturbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2.3 Formationd’imagesàtraverslaturbulence . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3 Laréfractionastronomique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.1 Théoriedelaréfraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.2 Calculexactdelaréfraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.4 Lesaérosols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4.1 Diffusiondelalumièreparlesaérosols . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4.2 Epaisseuroptique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3 Mesuredurayonsolaire 27
3.1 Activitésolaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1.1 StructureinterneetcaractéristiquesduSoleil . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.1.2 Cycled’activitésolaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2 Historiquedesmesuresderayon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2.1 Mesuresanciennesdurayonsolaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2.2 Observationsmodernesdurayonsolaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2.3 LamissionPICARDetsonsegmentsol . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3 Mesuredurayonàpartird’imagespleinesduSoleil . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.3.1 ImageduSoleil,assombrissementcentre-bord . . . . . . . . . . . . . . 48
3.3.2 Calibrationsetcorrections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.4 AnalysedespremièresannéesavecPICARD-SOL . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.6 Présentation de l’article paru dans Astronomy & Astrophysics (A&A) 569, A60
(2014) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4 Mesuresdesparamètresdelaturbulencediurne,l’instrumentMISOLFA 85
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.2 Caractérisationdelaturbulencedejour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.3 Descriptiondel’instrumentMISOLFA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.4 Théorieetméthodesd’analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.4.1 Observationsplanimage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
iv Tabledesmatières
4.4.2 Observationsplanpupille . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.4.3 Etapesdetraitementsdesdonnées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.5 Simulationsnumériques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.5.1 Simulations d’imagerie à travers la turbulence, cas isoplanétique et ani-
soplanétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
4.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.7 ArticleparudansMonthlyNoticesoftheRoyalAstronomicalSociety(MNRAS)
Vol.458,pp:517-530(2016) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5 Effetdel’atmosphèresurl’astrométriesolaire,raccordementsol-espace 135
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.1.1 Simulationsdel’astrolabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
5.2 EffetdesconditionsatmosphériquessurlesimagesSODISM2 . . . . . . . . . . 136
5.2.1 EffetduparamètredeFried . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
5.2.2 Effetdel’échelleexterne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
5.2.3 Effetdutempscaractéristiquedelaturbulence . . . . . . . . . . . . . . 142
5.2.4 Effetdutempsdeposedesimages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.2.5 Effetdesaérosols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
5.3 Influencedesparamètresdel’atmosphèresurlalargeurdulimbe . . . . . . . . . 148
5.4 ApplicationsurlesimagesSODISM2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
5.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
5.6 Présentationdel’articleparudansTheAstrophysicalJournal(ApJ)808:4(2015) 152
6 ConclusionsetPerspectives 169
6.1 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
6.2 Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
Bibliographie 173
Liste des tableaux
3.1 Résumédesmesuresdudiamètresolairedepuisl’Antiquitéjusqu’à1975 . . . . . 36
3.2 PériodicitésdétectéessurlasérieLaclare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3 Pairesd’étoileschoisiespourladéterminationdufacteurd’échelledeSODISM2. 55
3.4 Valeursdufacteurd’échelledeSODISM2auxdifférenteslongeursd’onde. . . . 56
3.5 Moyennes et écarts-type des mesures de rayons SODISM2 aux différentes lon-
geursd’onde. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.1 Valeursdel’altitudemaximalepourdifférenteslargeursdefentes. . . . . . . . . 102

Table des figures
2.1 Illustrationdetourbillonsencascadedansunfluide(LeonardodaVinci) . . . . . 7
2.2 DensitésspectralesselonKolmogorovetVonKàrmàn . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3 PSFcourteetlongueposes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4 Réfractiondesrayonslumineuxentrelescouchesatmosphériques . . . . . . . . 18
2.5 ModèledeCassini . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.6 Modèled’atmosphèrestandardUS1976 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.7 Cycledesaérosolsdansl’atmosphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.8 SpectrediffusionsRayleighetMie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.1 StructureinterneduSoleil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2 Imagedelaphotosphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3 NombredeWolfdepuis1749 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.4 Diagrammeenpapillon(surfacedestachessolaires) . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.5 Cycled’activitémagnétiqueduSoleil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.6 Mesuresdeconstantesolairerecalibrées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.7 Diamètresmesurésparpassageauméridien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.8 RayonssolairespartransitdeMercureetéclipsessolaires1700-2000 . . . . . . . 35
3.9 Principedel’astrolabesolaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.10 Schémadel’astrolabesolaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.11 Séried’observationsàl’astrolabedeLaclare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.12 SchémaduDORAYSOL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.13 Méthodedeshauteurségales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.14 Mesuresdel’instrumentDORAYSOL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.15 AnticorrélationentrenombredetachessolaireetrayonsobservésparLaclare . . 42
3.16 Périodogrammedesmesuresàl’astrolabedeLaclare . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.17 TélescopespatialSODISM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.18 SchémaoptiqueSODISM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.19 SODISM2avantetaprèssonintégrationdanssacuve . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.20 Assombrissementcentrebord . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.21 Flat-fieldobtenussurSODISMparlaméthodeKLL . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.22 Comparaisonentrelesflat-fieldobtenussurSODISM2 . . . . . . . . . . . . . . 53
3.23 Flat-fieldobtenussurSODISM2aveclanouvelleméthode . . . . . . . . . . . . 54
3.24 ImagescalibréesSODISM2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.25 DétectionducentreparlatransforméedeHough . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.26 PrécisiondeladétectionducentredesimagesSODISM2 . . . . . . . . . . . . . 58
3.27 Etapesdedétectiondespointsd’inflexionSODISM2 . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.28 Rayonsbrutsobtenusàpartird’uneimageSODISM2 . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.29 FigurededistorsionSODISM2à535nm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.30 FiguresdedistorsionSODISM2àtoutesleslongueursd’onde . . . . . . . . . . 61
viii Tabledesfigures
3.31 FormeduSoleilrefracté . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.32 AngleparallactiqueestimépourCalernaucoursdel’année . . . . . . . . . . . . 63
3.33 RayonsmesurésavecSODISM2avantetaprèscorrectionderéfraction . . . . . . 65
3.34 HistogrammesdesmesuresderayonsmesurésavecSODISM2 . . . . . . . . . . 66
4.1 LesinstrumentsS-DIMMetSHABAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.2 Schémasynoptiquedel’instrumentMISOLFA . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.3 Schémaoptiquedel’instrumentMISOLFA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.4 Exempled’imageobtenueavecl’instrumentMISOLFA . . . . . . . . . . . . . . 91
4.5 Variationdelafonctiondestructureenfonctionde L phq . . . . . . . . . . . . . 93
0
4.6 Variationdelafonctiondestructureenfonctiondel’altitude . . . . . . . . . . . 94
4.7 Variationdelafonctiondestructureenfonctiondel’échelleexterne . . . . . . . 95
4.8 Variationdelafonctiondestructureenfonctiondur . . . . . . . . . . . . . . . 95
0
4.9 ProfildeC2phqselonlemodèled’Hufnagel-Valley . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
n
4.10 Fonctionsdestructurecorrespondantesauprofild’Hufnagel-ValleyetdeCoulman 97
4.11 Schémareprésentantl’observaionplanpupille . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.12 Effetdufiltrageparondelettesurladétectiondulimbe . . . . . . . . . . . . . . 106
4.13 ExemplededétectiondecontoursMISOLFA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.14 Comparaisonentrelesmodèlesmulti-couchesetmono-couche . . . . . . . . . . 109
4.15 Comparaisonentrelesmodèlesmulti-couchesetcoucheéquivalente . . . . . . . 109
4.16 Exampledefonctiondestructuretemporelleetestimationdeτ . . . . . . . . . 111
0
4.17 Calibrationdessignauxdelavoiepupille . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.18 Fonctiondestructurethéoriqueetobtenueparsimulation . . . . . . . . . . . . . 115
4.19 Ecrandephaseobtenuparsimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
4.20 Schémaexplicatifdelasimulationdanslecasanisoplanétique . . . . . . . . . . 118
4.21 Imagesrésultantesdelasimulationdanslecasanisoplanétique . . . . . . . . . . 118
5.1 Simulationdel’astrolabe∆T “ fpr ,L ,R q . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
c 0 0 τ
5.2 Simulationdel’astrolabe∆R “ fpr ,L ,R q . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
0 0 τ
5.3 Ecransdephasecorréléstemporellement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
5.4 Imagefonctionpupilleavecobstructioncentrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
5.5 Assombrissementcentrebordaulongueursd’ondesd’observation . . . . . . . . 140
5.6 ImagesimuléeSODISM2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
5.7 Erreursurl’estimationdurayonenfonctiondur etLambda . . . . . . . . . . . 141
0
5.8 Erreursurl’estimationdurayonenfonctiondur et . . . . . . . . . . . . . . 142
0 0
L
5.9 Erreursurl’estimationdurayonenfonctiondutempscaractéristiqueτ . . . . . 143
0
5.10 Erreursurl’estimationdurayonenfonctiondutempsdepose . . . . . . . . . . 144
5.11 MTFturbulenceetaérosols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5.12 MTFobtenueàpartird’uneimageSODISM2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
5.13 Largeurdulimbeenfonctiondur et . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
0 0
L
5.14 Largeurdulimbeenfonctiondur etdelalongueurd’onde . . . . . . . . . . . . 149
0
5.15 Erreursurlerayonvslargeurdulimbeenfonctiondu . . . . . . . . . . . . . 150
0
L
5.16 Erreursurlerayonvslargeurdulimbeenfonctiondelalongueurd’onde . . . . 150
5.17 RayonsmesurésvslargeurdulimbesurlesimagesSODISM2 . . . . . . . . . . 151