L’axe transverse analyses physico-chimique au LATMOS s’implique dans des travaux de recherche relevant des domaines de l’astronomie – astrophysique (AA) et océan – atmosphère (OA), orientés sur l’étude et la caractérisation physico-chimique des atmosphères et des surfaces terrestres et planétaires. Les différentes techniques et instruments d’analyses développés et utilisés au LATMOS permettent une caractérisation fine de la composition chimique des phases gazeuses et particulaires dans différents types d’environnements (milieux urbains, environnements extrêmes, régions polaires, atmosphères et surfaces planétaires, exoplanètes…etc.)
La chromatographie en phase gazeuse couplée ou non à la spectrométrie de masse constitue une activité d’expertise majeure au sein du LATMOS. Elle est basée sur l’utilisation d’instruments commerciaux et d’instruments développés à façon pour étudier les environnements terrestres et planétaires.
Les instruments commerciaux permettent d’analyser en laboratoire des composés cibles recherchés dans les environnements planétaires tels que des molécules organiques d’intérêt pour la chimie prébiotique (ex : acides aminés) ainsi que des biosignatures (ex : protéines) potentiellement en lien avec la présence de vie passée ou présente sur les corps planétaires ciblés par les missions spatiales. Ils permettent également l’analyse d’échantillons solides analogues (1) synthétiques (ex : tholins, mélanges synthétiques de matière organique et minéraux) et (2) naturels collectés dans des environnements terrestres similaires aux environnements planétaires ou à partir de missions de retour d’échantillons. Les méthodes d’analyses sont régulièrement optimisées en laboratoire pour une étude fine de la composition chimique des échantillons mais peuvent également être façonnées pour reproduire les conditions d’analyses des instruments embarqués afin de mettre en évidence les éventuels biais analytiques associés.
Les instruments commerciaux sont également utilisés pour caractériser et valider le fonctionnement des composants clés utilisés pour développer des chromatographes gazeux GC embarqués tels que les pré-concentrateurs d’échantillons, les colonnes de séparation chromatographiques et les détecteurs. En effet, plusieurs GC ont été développés au LATMOS et embarqués à bord de différentes missions spatiales telle que la mission Rosetta (COSAC-GC), MSL (SAM-GC), Exomars (MOMA-GC) et Dragonfly (DraMS-GC). D’autres ont été conçus pour des observations au sol comme le GC-Total pour la mesure des fractions pétrolières et l’instrument MAVERIC pour l’étude de rapport entre composés organiques biogéniques et anthropiques en air ambiant. En outre, un prototype innovant et ultra-miniaturisé GC-MEMS a également été conçu et développé au LATMOS à base de composants NEMS et MEMS (Nano/ Micro Electro Mechanical System) en vue d’une application à de futures missions spatiales.
Par ailleurs, les réacteurs plasmas et réacteurs photochimiques permettent d’étudier la réactivité des hautes atmosphères planétaires (Réacteurs APSIS et PAMPRE). Les conditions des différents environnements extra-terrestres sont simulées dans ces réacteurs et les aérosols qui y sont formés (ex : Tholins) sont ensuite caractérisés par des techniques physiques (SMPS, Scanning Mobility Particle Sizer) et chimiques (analyse en GC-MS avec différentes techniques d’extraction et de préparation d’échantillon).
Les analyseurs chromatographiques développés au LATMOS (MAVERIC et GC-MEMS) peuvent être déployés avec le SMPS dans des campagnes d’analyses in situ en environnements urbains ou sur la plateforme QUALAIR. En particulier, ceux-ci permettent d’étudier les variabilités chimiques et dynamiques de l’atmosphère en utilisant la complémentarité des mesures physico-chimiques in situ et les observations par télédétection (H2C, PANAME, ACROSS, AMICA…). Ils pourront également être optimisés et utilisés pour des études en régions polaires ou pour la (pré)caractérisation d’échantillons prélevés dans des environnements extrêmes lors de campagnes de terrain.
L’Axe Transverse Synergie Instrumentale rassemble aussi bien le personnel technique que scientifique afin d’élaborer une stratégie commune permettant de mettre à profit la complémentarité des instruments de télémesure et télédétection pour l’observation de la Terre et du Système Solaire.
Chaque instrument a ses propres avantages et limitations en termes de résolution ou de précision spatiale, temporelle, spectrale et radiométrique, mais grâce à une utilisation simultanée, la qualité, la précision et la portée de l’ensemble d’une scène observation seront améliorées en alliant les forces et les performances uniques à chaque type d’instrument.
Cette stratégie de synergie instrumentale va se focaliser sur plusieurs objectifs, avec notamment le développement de plateformes d’observations communes (déployées au sol, dans les airs sur des ballons, drones et avions ou bien mises en orbite), la coordination des choix d’innovations techniques à explorer, l’élaboration d’algorithmes de fusion de données et la mise en place de méthodes de validation croisée.
Mesures réalisées avec l’instrument radar-lidar BALi, à Les Éplatures (Suisse, ICE-GENESIS), 2021 : La réflectivité radar et la rétrodiffusion lidar sont combinées
Le lidar est très sensible à la concentration de particules tandis que le radar est très sensible à la taille des particules, permettant de déduire :
L’apprentissage automatique et les réseaux de neurones ont depuis leur origine étaient associés aux différentes spécialités de la physique. Ils sont présents dans de nombreux domaines des sciences de l’environnement allant de la télédétection à la modélisation.
A partir des années 2000, l’apprentissage profond (Deep Learning) s’impose progressivement, notamment grâce à l’apprentissage sur GPU (Graphics Processing Unit) de différentes architectures profondes qu’elles soient basées sur des couches convolutionnelles, récurrentes ou autres … La famille d’algorithmes associée a notamment été mise à profit pour le traitement de nombreux capteurs (satellitaires, terrestres ou autres). Cela a notamment permis de pleinement prendre en compte des dépendances spatiales et temporelles pas toujours simples à mettre en équation.
Avec l’arrivée des PINNs (Physics-Informed Neural Networks) et des modèles neuronaux de prévisions météorologiques à grande échelle ces différents outils s’imposent comme l’un des nombreux outils de la physique. Cette association de l’apprentissage avec les équations aux dérivées partielles est déjà le sujet d’avancées pour le traitement de systèmes complexes.
L’apprentissage automatique et l’IA sont présents au LATMOS depuis sa création en 2009. Des compétences y ont été développées notamment dans les aspects propres à leur application aux champs géophysiques. Plus spécifiquement, si on considère la télédétection, différentes architectures de réseaux de neurones y sont utilisées pour prédire avec succès des températures de surface ou des précipitations.
L’objectif de ce pôle est de faciliter les échanges et de fédérer les efforts autour des algorithmes présents et futurs de l’IA et notamment pour leur application aux différentes thématiques du laboratoire. Via ses liens privilégiés avec les groupes de travail ESPRI-IA et SAMA-IA, ce pôle a aussi pour vocation de faire le lien avec l’IPSL et ses moyens de calculs, plus spécifiquement GPU.
La modélisation et les codes numériques permettent de décrire l’évolution physique d’un phénomène. Le principe est de remplacer un système complexe par un modèle, c’est-à-dire un objet ou opérateur mathématique qui sera transcrit sous la forme d’un programme numérique exécutable. Un modèle est ainsi un ensemble de règles logiques qui représentent des hypothèses et qui va permettre de reproduire les comportements du phénomène étudié. Ces modèles et codes numériques permettent de prédire l’état final d’un système, ou de comprendre ses paramètres initiaux et intermédiaires.
Au LATMOS, les développements de modèles et de codes numériques s’inscrivent d’une part en appui de missions spatiales ou aéroportés. Le LATMOS est impliqué sur plus de 40 missions ou programmes scientifiques d’observation de la Terre, des planètes ou autres corps du système solaire. La modélisation et les codes numériques sont utilisés en amont du projet (modélisation d’un instrument, préparation des observation, optimisation des modes d’opérations) et lors de la phase opérationnelle (comparaisons avec les mesures, restitution des observations satellitaires dans un contexte tri-dimensionnel,…).
D’autre part, certains modèles numériques sont également développés au laboratoire afin d’étudier des phénomènes scientifiques spécifiques, tels que l’étude des climats terrestre et planétaires à différentes échelles, de polluants dans l’atmosphère, de la pluie, de la chimie dans l’atmosphère, des aérosols… Certaines études sont faites dans le cadre de programmes internationaux d’inter-comparaison de modèles tels que CMIP (utilisé par le GIEC) ou CCMI.
Les codes numériques développés au LATMOS s’appuient principalement :
Sur les données d’entrées :
Actuellement une 10aine de modèles et codes numériques actifs sont recensés, répartis dans les deux départements scientifiques, et s’appuyant sur un panel d’une vingtaine de thèmes scientifiques différents.
