1

CONTRIBUTION À L’ÉTUDE DES SITES CONTRIBUTION À L’ÉTUDE DES SITES

ASTRONOMIQUES PAR MODÉLISATION ET ASTRONOMIQUES PAR MODÉLISATION ET

EXPERIMENTATION EXPERIMENTATION in situin situ : :

APPLICATION AUX SITES DE LA SILLA ET DU APPLICATION AUX SITES DE LA SILLA ET DU

DÔME C POUR LES TÉLESCOPES GÉANTS DU DÔME C POUR LES TÉLESCOPES GÉANTS DU

FUTURFUTUR

présentée parprésentée par

Tatyana Tatyana SADIBEKOVASADIBEKOVApour obtenir le titre de Docteur en Sciencespour obtenir le titre de Docteur en Sciences

Sous la direction deSous la direction de Éric FOSSATÉric FOSSAT etet Jean VERNIN Jean VERNIN

2

Plan de l’exposé:Plan de l’exposé:

• IntroductionIntroduction

• Étude des sites Étude des sites

– Dôme C : Application Dôme C : Application du du modèle ECMWFmodèle ECMWF

– La Silla : ApplicationLa Silla : Application du du profileur SCIDAR profileur SCIDAR GénéraliséGénéralisé

• Conclusions et Perspectives Conclusions et Perspectives

3

• Observations spatiales Observations spatiales

• Observations terrestres Observations terrestres

4

Sans atm. /Dtel

/ro

5

STRATIFICATION :

convectif neutre stratifié

TO tjrs pas de TO TO si

Ri<1/4

Turbulence optiqueTurbulence optique• Critère de Richardson:

< 0 ; = 0 ; > 0Température potentielle :

Energie cinEnergie cinéétiquetique

Energie Energie potentiellepotentielle

6

• Cascade d’énergieCascade d’énergie – Injection d’énergie– Cascade d’énergie cinétique

– Dissipation en chaleur

• Loi deLoi de “ “2/32/3” ” ::n’est valable que dans la zone inertielle

Fonction de structure :Fonction de structure :

CC 22 - constante de structure des fluctuations de - constante de structure des fluctuations de

Lo

lo

lo << r << Lo

D(r) = <|((x)- (x+r)|2> = C 2r2/3

7

C2

Cn2

n1

n2n3

1(r)

2(r)

h

Constante de structure des fluctuations de l’indice de Constante de structure des fluctuations de l’indice de réfraction :réfraction :

8

Paramètres pour la HRA:Paramètres pour la HRA:

• Seeing

• Angle isoplanétique

• Temps de cohérence

où

• On a besoin des profils verticaux de Cn2(h) et V(h)

5

3

0

3

522 )()(91.2

dhhVhCk no

5

3

0

22 )(42.0

dhhCk n

5

3

0

3

522 )(91.2

dhhhCk no

2

k

9

In situ :In situ : Mesures directes à partir des ballons

Profileurs optiques:Profileurs optiques: G-SCIDAR, SSS, MASS (pas de V(h)),

SLODAR

Modèles de turbulence:Modèles de turbulence:

Partie IPartie I:: validation du modèle ECMWF pour obtenir V(h) et T(h) (application au Dôme C)

Partie II:Partie II: mesures au moyen du G-SCIDAR de Cn2(h) et

V(h) (application à La Silla)

Pour obtenir les profils de Pour obtenir les profils de Cn2(h) et V(h) ::

Modèle Modèle paramétriqueparamétrique

Cn2(h)

V(h)

T(h)

V(h)

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Étude de siteÉtude de site du du Dôme C : Dôme C : Application Application du du modèle modèle

ECMWFECMWF

Partie IPartie I

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Intérêts des astronomes pour le DIntérêts des astronomes pour le Dôôme C me C (75S 123E)(75S 123E)

• Sec et froid

• Plat et haut (alt. 3.230km)

• Pas de pollution lumineuse

• ~ 70% de ciel clair

• Stabilité tectonique

• Pas de vent catabatique

• Faible précipitationDôme C

Été années 70 au Pôle Sud 1995 (Dôme C) … 2000

(Concordia) … 2007 Hiver 2005 (1ère –

Hivernage) … 2007

12

Aurore australeAurore australe

• Dôme C se trouve à 550km du pôle magnétique (PM) au voisinage de Vostok (78o28’S 106o48’W) et 1680km du pôle géographique

• Au centre de l’anneau aurorale de R ~ 4000km; L’épaisseur de 100 à 1000km

DDôôme me CC

PM

PG

13

Crépuscules astronomiquesCrépuscules astronomiques

- Pour - Pour hhsoleil soleil == -18-18oo::

1767h1767h au Dôme C au Dôme C contre contre

3365h3365h au Paranal au Paranal

- Une révision d- Une révision duu critère pour critère pour les les crépuscules crépuscules astronomiques est astronomiques est possible grâce aux possible grâce aux mesures mesures in situin situ du du fond du ciel.fond du ciel.

Le temps total disponible pour l’observation :Le temps total disponible pour l’observation :

0o -6o

-12o -18o

-- limites du coucher et du lever du Soleil-- limites du coucher et du lever du Soleil

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Résultats deRésultats dess campagnes d’été de caractérisation d campagnes d’été de caractérisation duu site site ddu u Dôme CDôme C

[[AristidiAristidi et al. et al. ((SadibekovaSadibekova)), , A&A A&A 20052005]]• Vent faible à toutes les Vent faible à toutes les

altitudes :altitudes :tropopause ~ 15 m/stropopause ~ 15 m/sau solau sol ~ 2~ 2.6.6

m/sm/s

• DIMM :DIMM :Seeing médianSeeing médian:: 0.55 0.55 arcsecarcsec

• Meilleur Meilleur seeingseeing pendantpendant l’l’après midi ~ 17LTaprès midi ~ 17LT

• Angle isoplanétique Angle isoplanétique : : 6.8 6.8 arcsecarcsec

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Résultats deRésultats dess campagnes d’hiver au Dôme C campagnes d’hiver au Dôme C [ [Agabi et al.Agabi et al. ((SadibekovaSadibekova)), , PASP PASP 2002006]6]

=1.4 arcsec=1.4 arcsec

oo = 2.9ms = 2.9ms

oo = 4.7 arcsec = 4.7 arcsec

Deux contributions:Deux contributions:

• Atmosphère libre h>30m

V~ 30 m/sV~ 30 m/s

=0.36 arcsec=0.36 arcsec

oo = 8.6 ms = 8.6 ms

• Couche au

sol h<30m87% de turbulence87% de turbulence

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Validation du modèle ECMWFValidation du modèle ECMWF ((European Centre for Medium-Range European Centre for Medium-Range

Weather ForecastsWeather Forecasts, , http://www.ecmwf.int/http://www.ecmwf.int/)) pour Dôme Cpour Dôme C

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Description du modèle ECMWFDescription du modèle ECMWF

• P, T, U, Rh

• Interpolation sur Dôme C avec la résolution horizontale de maille 75x75km

• Résolution verticale 60 niveaux logarithmiques au-dessus de la glace

• 4 analyses à 0h, 6h, 12h et 18h (UT)

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Description des mesures météoDescription des mesures météorologiquesrologiques au Dôme au Dôme CC

168 168 radio-sondes radio-sondes pendant pendant les missions d’été 2000-les missions d’été 2000-20042004

2 types de capteurs : RS-2 types de capteurs : RS-80 et RS-9080 et RS-90

• PP, T, U, Rh, T, U, Rh

19

Comparaison des mesures avec le modèle pour l’été au Comparaison des mesures avec le modèle pour l’été au Dôme CDôme C

[[Sadibekova et al.Sadibekova et al., , Antarctic Antarctic Science, Science, 20062006]]

20

• Validation pour T(h):

RS-80: 120 sondes: RS-90: 48 sondes:

TT = 2.4 = 2.4 11..55 ooC C TT = 1.2 = 1.2 11..00ooCC

RhRh == 4.7 4.7 5.55.5 % % RhRh = 1.8= 1.8 3.03.0 % %

Comparaison des mesures avec le modèle pour l’été au Comparaison des mesures avec le modèle pour l’été au Dôme C :Dôme C :• 168 sondes

• Validation pour V(h) : v = 0.7 1.0 m/s

21

h =

au

-dess

us

du

n

iveau

de l

a

mer

Analyse du modele :Analyse du modele :

22

h =

au

-dess

us

du

n

iveau

de l

a

mer

Analyse du modele :Analyse du modele :

23

Analyse du modèle: Analyse du modèle: couche limitecouche limite

Ballons météo :

ECMWF :

L’été :L’été :

Gradient de Gradient de température petit température petit l’après midi l’après midi

Vent faible Vent faible

+ + ((dd/dh =0)/dh =0)

peu de turbulence peu de turbulence

près du solprès du sol

Bon seeingBon seeing

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Analyse du modèle:Analyse du modèle: couche limitecouche limite

L’hiver :L’hiver :

• Fort gradient de températureFort gradient de température

• Turbulence d’origine dynamiqueTurbulence d’origine dynamique

ECMWF :Ballons météo et Cn

2 :

25

ConclusionConclusionss & Perspectives & Perspectives

• Cohérence entre le modèle et les mesures in situ

• Possibilité d’utiliser les paramètres du modèle ECMWF pour la prévision de la turbulence optique

• Étude climatologique sur 15 ans

• Vent faible à toutes altitudes

• Faible gradient de température pendant l’été

• Fort gradient de température pendant l’hiver

• Turbulence d’origine dynamique

26

SCIDAR Généralisé à La SillaSCIDAR Généralisé à La Silla

Partie IIPartie II

27

SCIDAR Généralisé

• SCIDAR (Scintillation Detection And Ranging) Généralisé pour mesurer

Cn2(h) et V(h)

• Méthode développée par [Fuchs et al., 1995] et basée sur la méthode du SCIDAR Classique [Vernin et al., 1979]

28

Technique de SCIDAR Généralisé

Variance de la scintillation :

- séparation angulaire de l’étoile double

h – altitude de la couche

ho - Plan de la

pupille

hgs - Plan d’analyse

Autocorrélation

Image de scintillation

29

d =h r

Images de pupille Autocorrélation des images

H=h+hgs !!!

InversioN

Données

Théorie

Technique de Technique de SCIDAR SCIDAR

30

Dans le cas d’une étoile double la fonction d’autocorrélation :

a = (1+a = (1+22)/(1+)/(1+))22 etet b = b = /(1+/(1+))22, , = 10 = 10-0.4-0.4mm

m m –différence de magnitude de l’étoile double–différence de magnitude de l’étoile double

On mesure:

où C** (x) est la fonction d’ autocorrélation expérimentale, K(x,h) est le Kernel théorique et N(x) est le bruit.

)()(),()( 2** xNhChxKdhxC n

h

m

gs

)]},(),([),(){()(0

2** HHrCHHrCbHraChCdhrC n

Corrélation spatialeCorrélation spatiale

31

Observations à La SillaObservations à La Silla

32

http://www.eso.org/outreach/gallery/las/

Campagne de caractérisation de site a été organisée par l’ESO en 2002 (M.Sarazin)

G-SCIDAR – instrument de Imperial College (Ch.Dainty) a été installé sur un télescope de 1m

Données collectées pendant 5 mois représentent 600Go d’ images.

DIMM

G-SCIDAR

Observatoire La Silla ESO, Chili

alt. 2400 m, 29º15'S 70º44'W

33

Configuration Configuration instrumentaleinstrumentale

34

Schéma optique dSchéma optique duu G G--SCIDAR SCIDAR

GG--SCIDAR à La Silla :SCIDAR à La Silla :Pour se déplacer dans l’espace conjugué

on change la lentille

G – grandissement du système optique: F/f

35

CCD : image - 128x128 pixels

taille de la pupille - 110x110 pixels

Temps de pose = 2.7ms,

Temps entre 2 ims = 3.5ms

Echantillonnage sur la pupille = 9.1mm/pixel

1 block = 2032 images

4 étoiles doubles =>

36

Réponse impulsionRéponse impulsionnnelleelle::

S(r) – Autocorrélation de la Réponse impulsionnelle

Besoin d’étude de la caméra et calcul d’autocorrélation

Mesures du bruit de la camera, mission 26-27 Novembre 2003 à La Silla

43 blocs de 2032 images

Autocorrelation function de RI S(r)

DIMM=1.21 arcsec

)()()}()({)( 2**** xNhCrSrCdhxC n

h

m

gs

K(x,h)

37

Réduction préliminaireRéduction préliminaire

• Calcul des corrélations

• Alignement des images de corrélations

• Enregistrement dans le format adapté

38

Choix de Choix de la la méthode d’inversionméthode d’inversion::

La solution de

Conduit à trouver la solution du problème “mal posé” Y=H*X

où Y est l’autocorrélation expérimentale Cm**(x) calculée à partir d’images de scintillation ; X - Cn

2(h) ; H – Kernel K(x,h)

La solution consiste à minimiser la fonctionnelle: G=||Y-HX||2+2(x)

On propose de tester deux méthodes :On propose de tester deux méthodes :

Régularisation de Tikhonov :Régularisation de Tikhonov : G=|| B**(xi) - K(xi, hj) Cn

2(hj) ||2+2||(Cn2(hj))2||

Méthode de Maximum Méthode de Maximum d’Entropie (MEM)d’Entropie (MEM) : : G=|| B**(xi) - K(xi, hj) Cn

2(hj) ||2+2Cn2(hj)Log [Cn

2(hj)

)()(),()( 2** xNhChxKdhxC n

h

m

gs

39

Comparaison de deux méthodesComparaison de deux méthodes

Comparaison du seeing moyen calculé en utilisant deux méthodes d’inversion. (Chaque valeur représente la moyenne de 20 profils de Cn

2(h))

Deux profils de Cn2(h) calculés en utilisant

deux méthodes d’inversion.

40

Choix de méthode d’inversionChoix de méthode d’inversion::

MEM donne une solution positive qui a une MEM donne une solution positive qui a une signification physique : signification physique : CCnn

22>0>0

Méthode de Régularisation de Tikhonov - méthode Méthode de Régularisation de Tikhonov - méthode plus directe et à forte dépendance avec plus directe et à forte dépendance avec

Application de Reg.Tikhonov demande une étude Application de Reg.Tikhonov demande une étude supplémentaire de la dépendence de supplémentaire de la dépendence de avec le avec le rapport S/N rapport S/N

41

Réduction des donnéesRéduction des données

42

Reconstruction avec MEM profils Cn2(h)

Exemples des profils Cn2(h) reconstruits

43

CCoomparaison avec mparaison avec le le DIMMDIMM::

• DIMM situé à environ 500m de G-SCIDAR

• Seeing de G-SCIDAR supérieur aux valeurs du DIMM

• Seeing de l’atmosphère libre toujours inférieur aux mesures du DIMM

• Il faudra soustraire la turbulence dans le dôme et sur le miroir dôme seeing Exemple (nuit 12/13Juillet2002)

44

Dôme seeing et profils du Dôme seeing et profils du ventvent

45

Pour t = 3.5 ms:

1 pas: 1 pas:

dt = t

dV = 2.6 m/s

22 pas: pas:

dt = 2t

dV = 1.3 m/s

33 pas: pas:

dt = 3t

dV = 0.87 m/s

44 pas: pas:

dt = 4t

dV = 0.65 m/s

55 pas: pas:

dt = 5t

dV = 0.52 m/s

46

Seeing dans Seeing dans

le dôme et sur le miroir du le dôme et sur le miroir du télescope :télescope :

• Détection du vent au sol est très importante pour déterminer le Cn

2 dans le dôme et sur le miroir du télescope.

• Quand deux couches détectées au sol avec V=0 et V0 respectivement, la couche avec V = 0m/s est attribuée à une turbulence à l’intérieur du dôme.

V 0 m/sV = 0 m/s

47

Exemple de reconstruction des profils V(h) :

48

Résultats et analyse de Résultats et analyse de la la campagne d’observation avec campagne d’observation avec

le le GG--SCIDARSCIDAR à La Silla à La Silla

49

Analyse statistique Analyse statistique dudu sseeing :eeing :

Bonne cBonne comparaison omparaison enen Juillet,Août, Octobre et Février Juillet,Août, Octobre et Février

RRésultats non cohérents en Novembre 2002ésultats non cohérents en Novembre 2002 (3 nuits (3 nuits sur 4 )sur 4 )

50

Distribution cumulativeDistribution cumulative

• Toute l’atmosphèreToute l’atmosphère DIMM // G-SCIDAR

Sans les valeurs de Novembre: | 0.85/ 0.99| (arcsec)

• Atmosphère libreAtmosphère libre

Seeing médian:Seeing médian:

fa= 0.54 0.2

• Couche limiteCouche limite

Seeing médian: Seeing médian:

bl= 0.96 0.8

51

Statistique des couches turbulentes au-dessus de La Statistique des couches turbulentes au-dessus de La Silla :Silla :

4 couches importantes:4 couches importantes:

• couche limite de surface toujours très forte par rapport au reste de l’atmosphère.

• couche à 8km8km est plus forte en Août 2002 et à 5km5km plus forte en Juillet et Août 2002; ce sont des couches probablement provoquées par des ondes de gravité dues à la topographie locale

• couche dans la tropopause centrée autour de 12km12km (jet-stream), très prononcée en Octobre 2002

52

Angle isoplanétique o et temps de cohérence o

53

ConclusionConclusionss Deux approches sont importantes pour l’étude de

site en astronomie (modélisation et G-SCIDAR)

Le modèle ECMWF est maintenant validé pour le Dôme C

Exploitation de ce modèle pour le Dôme C : il permet d’obtenir les profils T(h) et V(h) pour toute l’année

La technique G-SCIDAR est efficace pour l’étude de site. Statistique de la turbulence à La Silla (E-ELT)

Statistique des profils de Cn2(h) et V(h) pour

optimiser l’instrumentation en Optique Adaptative

54

Perspectives Analyse de bases de données pour la

climatologie au Dôme C (15 ans, 0, 6, 12 et 16h)

Utilisation des paramètres T(h),V(h) pour la modélisation de la turbulence optique

Intérêt du G-SCIDAR pour les prochaines campagnes E-ELT, TMT …

Amélioration de la réduction des données du SCIDAR en temps réel pour l’Optique Adaptative

55

Publications dans les journaux à comite de lecture :

1. Agabi, A., Aristidi, E., Azouit, M., Fossat, E., Martin, F., Sadibekova, T.Sadibekova, T., Vernin, J., Ziad, A., First whole atmosphere nighttime seeing measurements at Dome C, Antarctica PASP, 118, 344-348, 2006.

2. Aristidi, E., Agabi, A., Fossat, E., Azouit, M., Martin, F., Sadibekova,T.Sadibekova,T., Travouillon, T., Vernin, J., Ziad, A., Site testing in summer at Dome C, Antarctica, A&A, 444, 651-659, 2005.

3. Sadibekova, T.Sadibekova, T., Fossat, E., Genthon, Ch., Krinner, G., Aristidi, E., Agabi, K., Azouit, M., On the atmosphere for astronomers above Dome C, Antarctica, Antarctic Science, Cambridge University Press, 18, 437-444, 2006

Conferences :

1.1. Sadibekova, T.Sadibekova, T., J. Vernin, M. Sarazin, M. Le Louarn, Generalized SCIDAR measurements at La Silla Observatory, SPIE, Orlando 2005

2.2. Sadibekova, T.Sadibekova, T., Fossat, E., Vernin, J., Agabi, A., Aristidi, E., Azouit, M., Chadid, M., Trinquet, H., Genthon, Ch., Krinner, G., Sarazin, M., Choosing Dome C, Antarctic plateau as future Astronomical Observatory, ARENA ROSCOFF, 2006, EAS, 2007

3. Sarazin, M., Sadibekova, T.Sadibekova, T., Site Considerations for the Next Generation of Optical Arrays: Mid-latitude Sites versus Antarctica, Technology roadmap for future interferometric facilities, JENAM 2005, Liège, Belgium

4. Aristidi Eric, Agabi A., Azouit M., Fossat E. Vernin J., Sadibekova, TSadibekova, T.., Travouillon T., Lawrence J., Halter B., Roth W.L., Walden V.P., Site testing study based on weather balloons measurements, EAS Publications Series, Volume 14, 2005, pp.227-232

5. E. Aristidi, A. Agabi, M. Azouit, E. Fossat, F. Martin, T. SadibekovaT. Sadibekova,, J. Vernin, A. Ziad, T. Travouillon : Site testing at Dome C: summer and first winter results from the Concordiastro program : Conf. on "Wide Field Survey telescopes at Dome C/A", Beijing, 3-4 June, 2005

6. Aristidi E., Agabi K, Fossat E., Vernin J., Azouit M., Sadibekova T.,Sadibekova T., Martin F., Dome C site testing : first results of the winter campaign, Worshop on "Technology Roadmap for Future Interferometric Facilities", JENAM, Liège, 4-7 July 2005

7. Kellerer, A., Agabi, A., Aristidi, E., Coudé Du Foresto, V., Sadibekova, T.Sadibekova, T., Sarazin, M., Interferometric measurements at Dome C, Antarctica, Sf2A, Conference Series, 2005, p. 69, 2005

8. Vernin, J., Chadid, M., Aristidi, E., Azouit, M., Sadibekova, TSadibekova, T.., Trinquet, H.,Single Star Scidar first light from Dome C, XXVIth IAU General Assembly, 2006

11. Vernin, J., Agabi, A., Aristidi, E., Azouit, M., Chadid-Vernin, M., Fossat, E., Sadibekova, T.,Sadibekova, T., Trinquet, H., Ziad, A., History, Present Status & Futur of Site Testing at Dome C, ARENA ROSCOFF, 2006, EAS, 2007