Mesures SCIDAR de la turbulence atmosphérique et du vent en altitude

Principe de la méthode SCIDAR

La méthode SCIDAR permet de caractériser l'état de la turbulence atmosphérique au-dessus d'un site et de mesurer la direction et la vitesse du vent en altitude (jusqu'à environ 25 km d'altitude).

Les rayons lumineux issus d'une étoile sont diffractés par les couches atmosphériques turbulentes pour donner une fonction d'irradiance caractéristique de la turbulence le long du trajet optique. Si l'on observe une étoile double, l'irradiance au niveau de la pupille du télescope sera la somme de deux fonctions identiques décalées d'une distance r = d * theta, ou d est l'altitude de la couche turbulente, et theta est l'angle de séparation des deux étoiles.
L'auto-corrélation de la fonction d'irradiance fournit donc deux pics symétriques dont la distance permet d'identifier la hauteur de la couche turbulente. L'intensité du pic permet de déterminer le coefficient Cn2 qui caractérise l'intensité de cette turbulence.
 

Principe de la méthode SCIDAR: l'observation de la pupille d'un télescope qui pointe une étoile double permet de localiser la hauteur des couches turbulentes en altitude (qui sont à l'origine des "ombres volantes" que l'on observe en regardant dans un télescope après avoir enlevé l'oculaire).

Principe de la méthode SCIDAR généralisé : en défocalisant l'image de la pupille, on peut aussi étudier la turbulence au niveau du sol (à l'intérieur de la coupole par exemple).

Détermination du vent en altitude:

Nous venons de montrer que chaque couche turbulente produisait un "triplet" de 3 pics dans la fonction d'auto-corrélation.
Le vent présent dans une couche turbulente produit un déplacement de la fonction d'irradiance au niveau de la pupille. L'inter-corrélation de deux fonctions d'irradiance séparées par un intervalle de temps dt permet de mesurer la vitesse du vent: v=dx/dt, où dx est la distance mesurée entre les pics centraux à deux instants séparés de dt secondes.

Réalisation de programmes d'inversion basés sur la méthode CLEAN

En collaboration avec Gérard Daigne (Observatoire de Bordeaux) et Rémy Avila (UNAM, Mexique), j'ai développé un logiciel d'inversion de profils de turbulence atmosphérique et de profils de vitesses du vent, à partir d'observations SCIDAR (Scintillation Detection and Ranging). Cette technique est basée sur l'analyse de la fonction d'irradiance produite par une étoile double dans le plan pupille d'un télescope.

D'abord destiné aux observations SCIDAR faites avec l'instrument PISCO (développé par l'équipe) en 1998 au Pic du Midi, ce logiciel a été étendu au mode SCIDAR généralisé, afin de traiter des mesures effectuées dans ce mode à San Pedro Martir au Mexique et à Cerro Tololo au Chili. La version « SCIDAR généralisée » permet d'étudier non seulement la turbulence produite par des couches en altitude comme le SCIDAR classique, mais aussi celle produite au niveau du sol. Nous obtenons ainsi des profils de turbulence complets depuis le sol jusqu'à environ 22 km d'altitude. Ces mesures peuvent également fournir de précieuses informations pour réduire la turbulence induite à l'intérieur de la coupole.

Nous avons mis au point une inversion bi-dimensionnelle basée sur une méthode de type CLEAN qui permet, pour la première fois, une analyse entièrement automatique des données. Notre logiciel permet de déduire d'une part des profils de l'intensité de la turbulence atmosphérique et d'autre part des profils de vitesse du vent, en intensité et direction, sans aucune intervention humaine.

L'application de ces méthodes devraient permettre à terme d'améliorer les performances des dispositifs d'optique adaptative, en leur apportant des informations essentielles sur la structure et les propriétés de la turbulence atmosphérique au-dessus du site considéré, en temps réel.

SCIDAR généralisé : profils de turbulence au-dessus du site de l'observatoire de Cerro-Tololo (Chili) obtenus avec notre méthode d'inversion de type CLEAN. L'intervalle de temps séparant deux profils est de 5 minutes.
 

Inter-corrélation de 20 ms entre deux images de scintillation

Carte CLEAN dérivée de l'image précédente