Apport des mesures depuis une plateforme de haute altitude pour estimer les émissions de méthane à l'échelle régionale // Contribution of measurements from a high altitude platform to estimate methane emissions at a regional scale

Être en mesure de quantifier les émissions naturelles et anthropiques de méthane nécessite d'être capables de proposer des mesures avec une excellente précision (relative et absolue), et une résolution temporelle et spatiale suffisante qui n'est aujourd'hui pas accessible, ni depuis le sol ni depuis l'espace.
A l'ONERA, nous développons de nouveaux spectro-imageurs compacts (Nanocarb) et nous évaluons leur apport à être embarqués dans une constellation d'une vingtaine de petits satellites dans le cadre du projet Horizon Europe SCARBOn. Une des étapes de la spatialisation, c'est-à-dire de la montée en TRL vers un concept spatial de démonstration, pourrait consister à embarquer une charge utile Nanocarb à bord du HAPS Zephyr. En permettant des observations à une altitude d'environ 19 km – donc dans un environnement qui se rapproche de l'environnement spatial - ces plateformes quasi-géostationnaires offriront des séries temporelles bien mieux résolues spatialement et temporellement, permettant ainsi potentiellement d'accéder à des processus sous-jacents encore inaccessibles.
La problématique scientifique sera donc d'évaluer dans quelles mesures une charge utile Nanocarb embarquée sous le HAPS Zephyr permettrait d'améliorer le suivi des émissions de CH4 en soutien aux politiques de réduction de ces émissions par les états. Un défi sera alors de limiter la charge utile à des caméras Nanocarb. Une solution serait alors l'utilisation de proxys (c'est-à-dire la mesure d'espèce dont la colonne totale peut être considéré comme constante, et dont on peut donc se servir pour normaliser les mesures de CH4, en les corrigeant des fluctuations liées aux variations de pression de surface, d'albédo et d'aérosols). La pertinence d'une telle méthode pour des mesures par les micro-spectromètres Nanocarb, qui ne permettent d'acquérir que des interférogrammes partiels, devra être vérifiée.
L'ambition scientifique est la définition d'un futur concept de mission HAPS capable de relever le défi posé par la mesure du méthane. Les résultats attendus sont :
- Une estimation des performances atteignables compte tenu de la persistance d'observation des HAPS, une évaluation des processus ainsi accessibles et de l'apport scientifique d'un tel système d'observation pour le suivi du cycle du carbone, en en particulier pour l'estimation des émissions anthropiques et naturelles depuis un HAPS.
- Une évaluation de la pertinence (ou non) d'un proxy pour corriger la mesure
- Une estimation des moyens de mesures complémentaires nécessaires (ou non) à l'exploitation des mesures Nanocarb (voie hyperspectrale, Lidar), et leurs conséquences sur la faisabilité d'une mesure depuis un HAPS (drone solaire Zephyr, ou le cas échéant dirigeable de haute altitude de type Stratobus)
Programme de thèse : après une analyse bibliographique portant sur l'état de l'art du suivi du méthane à partir des différentes infrastructures et du réseau satellitaire, le ou la candidate prendra en main le modèle approché de mesure physique qui permet d'évaluer les erreurs (erreurs aléatoires et systématiques, c'est-à-dire écart-type et biais) commises par le spectro-imageur dans différentes conditions de mesure, ainsi que la manière dont ces erreurs se propagent jusqu'à la restitution du produit final (flux de méthane). Dans un second temps, ces modèles seront exploités afin d'analyser dans quelles conditions et avec quelle amplitude une réduction d'erreur peut être permise par un suivi du méthane embarquée sur une telle plateforme, et quels sont les apports et la complémentarité de la persistance d'observation offerte par ces plateformes par rapport à l'existant.
Les travaux de recherche seront valorisés par au moins deux publications scientifiques et une présentation dans une conférence internationale.
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Being able to quantify natural and anthropogenic methane emissions requires being able to provide measurements with excellent precision (relative and absolute), and sufficient temporal and spatial resolution that is not currently accessible, either from the ground or from space.
At ONERA, we are developing new compact spectro-imagers (Nanocarb) and we are evaluating their contribution to being onboard in a constellation of around twenty small satellites as part of the Horizon Europe SCARBOn project. One of the stages of spatialization, i.e. the rise in TRL towards a demonstration space concept, could consist of embarking a Nanocarb payload on board the HAPS Zephyr. By enabling observations at an altitude of around 19 km – therefore in an environment that is close to the space environment – these quasi-geostationary platforms will offer time series that are much better resolved spatially and temporally, thus potentially providing access to underlying processes that are still inaccessible.
The scientific problem will therefore be to assess to what extent a Nanocarb payload on board the HAPS Zephyr would improve the monitoring of CH4 emissions in support of policies to reduce these emissions by states. A challenge will then be to limit the payload to Nanocarb cameras. One solution would then be the use of proxies (i.e. the measurement of species whose total column can be considered constant, and which can therefore be used to normalize CH4 measurements, by correcting them for fluctuations linked to variations in surface pressure, albedo and aerosols). The relevance of such a method for measurements by Nanocarb micro-spectrometers, which only allow partial interferograms to be acquired, will have to be verified.
The scientific ambition is the definition of a future HAPS mission concept capable of meeting the challenge posed by methane measurement. The expected results are:
- An estimate of the achievable performances given the persistence of HAPS observation, an assessment of the processes thus accessible and the scientific contribution of such an observation system for monitoring the carbon cycle, in particular for the estimation of anthropogenic and natural emissions from a HAPS.
- An assessment of the relevance (or not) of a proxy to correct the measurement
- An estimate of the complementary measurement means necessary (or not) for the exploitation of Nanocarb measurements (hyperspectral channel, Lidar), and their consequences on the feasibility of a measurement from a HAPS (Zephyr solar drone, or if necessary a high-altitude airship of the Stratobus type)
Thesis program: after a bibliographic analysis on the state of the art of methane monitoring from the different infrastructures and the satellite network, the candidate will take charge of the approximate physical measurement model which makes it possible to evaluate the errors (random and systematic errors, i.e. standard deviation and bias) committed by the spectro-imager in different measurement conditions, as well as the way in which these errors propagate until the restitution of the final product (methane flow). In a second step, these models will be used to analyze under which conditions and with what amplitude an error reduction can be allowed by methane monitoring on board such a platform, and what are the contributions and the complementarity of the observation persistence offered by these platforms compared to the existing ones
The research work will be highlighted by at least two scientific publications and a presentation at an international conference.
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Début de la thèse : 01/10/2025
WEB : https://w3.onera.fr/formationparlarecherche/sites/w3.onera.fr.formationparlarecherche/files/phy-dota-2025-01_v3.pdf

Financement d'un établissement public Français

Sorbonne Université SIM (Sciences, Ingénierie, Médecine)

129 Sciences de l'Environnement d'Ile-de-France

Formation : Master ou diplôme d'ingénieur en physique, physique de l'environnement, télédétection, optique, mathématiques appliqués. Spécificités souhaitées : Compétences en physique de l'atmosphère requises. Connaissances en instrumentation spatiale fortement souhaitées. Goût prononcé pour les travaux numériques.
Education: Master's degree or engineering degree in physics, environmental physics, remote sensing, optics, applied mathematics. Desired specificities: Skills in atmospheric physics required. Knowledge of space instrumentation highly desirable. Strong taste for digital work.