Downwelling spectral irradiance as measured in different depths, remote sensing reflectance and phytoplankton pigment concentration during POLARSTERN cruises ANT-XXIV/1, ANT-XXIV/4, ANT-XXVI/4 and Maria S. Merian cruise MSM18/3

The composition and abundance of algal pigments provide information on phytoplankton community characteristics such as photoacclimation, overall biomass and taxonomic composition. In particular, pigments play a major role in photoprotection and in the light-driven part of photosynthesis. Most phytoplankton pigments can be measured by high-performance liquid chromatography (HPLC) techniques applied to filtered water samples. This method, as well as other laboratory analyses, is time consuming and therefore limits the number of samples that can be processed in a given time. In order to receive information on phytoplankton pigment composition with a higher temporal and spatial resolution, we have developed a method to assess pigment concentrations from continuous optical measurements. The method applies an empirical orthogonal function (EOF) analysis to remote-sensing reflectance data derived from ship-based hyperspectral underwater radiometry and from multispectral satellite data (using the Medium Resolution Imaging Spectrometer - MERIS - Polymer product developed by Steinmetz et al., 2011, doi:10.1364/OE.19.009783) measured in the Atlantic Ocean. Subsequently we developed multiple linear regression models with measured (collocated) pigment concentrations as the response variable and EOF loadings as predictor variables. The model results show that surface concentrations of a suite of pigments and pigment groups can be well predicted from the ship-based reflectance measurements, even when only a multispectral resolution is chosen (i.e., eight bands, similar to those used by MERIS). Based on the MERIS reflectance data, concentrations of total and monovinyl chlorophyll a and the groups of photoprotective and photosynthetic carotenoids can be predicted with high quality. As a demonstration of the utility of the approach, the fitted model based on satellite reflectance data as input was applied to 1 month of MERIS Polymer data to predict the concentration of those pigment groups for the whole eastern tropical Atlantic area. Bootstrapping explorations of cross-validation error indicate that the method can produce reliable predictions with relatively small data sets (e.g., < 50 collocated values of reflectance and pigment concentration). The method allows for the derivation of time series from continuous reflectance data of various pigment groups at various regions, which can be used to study variability and change of phytoplankton composition and photophysiology.

THE INFRARED COLORS OF THE SUN

Solar infrared colors provide powerful constraints on the stellar effective temperature scale, but they must be measured with both accuracy and precision in order to do so. We fulfill this requirement by using line-depth ratios to derive in a model-independent way the infrared colors of the Sun, and we use the latter to test the zero point of the Casagrande et al. effective temperature scale, confirming its accuracy. Solar colors in the widely used Two Micron All Sky Survey (2MASS) JHK(s) and WISE W1-4 systems are provided: (V - J)(circle dot) = 1.198, (V - H)(circle dot) = 1.484, (V - K-s)(circle dot) = 1.560, (J - H)(circle dot) = 0.286, (J - K-s)(circle dot) = 0.362, (H - K-s)(circle dot) = 0.076, (V - W1)(circle dot) = 1.608, (V - W2)(circle dot) = 1.563, (V - W3)(circle dot) = 1.552, and (V - W4)(circle dot) = 1.604. A cross-check of the effective temperatures derived implementing 2MASS or WISE magnitudes in the infrared flux method confirms that the absolute calibration of the two systems agrees within the errors, possibly suggesting a 1% offset between the two, thus validating extant near-and mid-infrared absolute calibrations. While 2MASS magnitudes are usually well suited to derive T-eff, we find that a number of bright, solar-like stars exhibit anomalous WISE colors. In most cases, this effect is spurious and can be attributed to lower-quality measurements, although for a couple of objects (3%+/- 2% of the total sample) it might be real, and may hint at the presence of warm/hot debris disks.

Modélisation de l'irradiance solaire totale et spectrale et applications à la chimie stratosphérique terrestre

Cette thèse présente des reconstructions de l'irradiance totale et spectrale durant les 400 dernières années à l'aide des modèles pour l'irradiance totale et l'irradiance spectrale dans l'ultraviolet développés à l'Université de Montréal. Tous deux sont basés sur la simulation de l'émergence, de la fragmentation et de l'érosion des taches solaires, qui permet d'obtenir une distribution de l'aire des taches sombres et des facules brillantes en fonction du temps. Ces deux composantes sont principalement responsables de la variation de l'irradiance sur l'échelle de temps de la décennie, qui peut être calculée en sommant leur émissivité à celle de la photosphère inactive. La version améliorée du modèle d'irradiance solaire spectrale MOCASSIM inclut une extension de son domaine spectral entre 150 et 400 nm ainsi que de son domaine temporel, débutant originalement en 1874 et couvrant maintenant la période débutant en 1610 jusqu'au présent. Cela permet de reconstruire le spectre ultraviolet durant le minimum de Maunder et de le comparer à celui du minimum de 2009. Les conclusions tirées de cette étude spécifient que l'émissivité dans l'ultraviolet était plus élevée en 2009 que durant le minimum de Maunder, que le niveau de base de la photosphère non magnétisée contribuait pour environ les deux tiers de cette différence et que les structures magnétiques restantes étaient responsables pour le tiers restant. Le modèle d'irradiance totale a vu son domaine temporel étendu sur la même période et une composante représentant le réseau magnétique de façon réaliste y a été ajoutée. Il a été démontré que les observations des 30 dernières années ne sont bien reproduites qu'en incluant la composante du Soleil non magnétisé variable à long terme. Le processus d'optimisation des paramètres libres du modèle a été effectué en minimisant le carré de la somme de l'écart journalier entre les résultats des calculs et les données observées. Les trois composites disponibles, soit celui du PMOD (Physikalisch Meteorologisches Observatorium Davos), d'ACRIM (ACtive Radiometer Irradiance Monitor) et du IRMB (Institut Royal Météorologique de Belgique), ne sont pas en accord entre eux, en particulier au niveau des minima du cycle d'activité, et le modèle permet seulement de reproduire celui du PMOD avec exactitude lorsque la composante variable à long terme est proportionnelle au flux radio à 10.7 cm. Toutefois, en utilisant des polynômes de Lagrange pour représenter la variation du Soleil inactif, l'accord est amélioré pour les trois composites durant les minima, bien que les relations entre le niveau minimal de l'irradiance et la longueur du cycle précédent varient d'un cas à l'autre. Les résultats obtenus avec le modèle d'irradiance spectrale ont été utilisés dans une étude d'intercomparaison de la réponse de la photochimie stratosphérique à différentes représentations du spectre solaire. Les simulations en mode transitoire d'une durée de 10 jours ont été effectuées avec un spectre solaire constant correspondant soit à une période d'activité minimale ou à une période d'activité maximale. Ceci a permis d'évaluer la réponse de la concentration d'ozone à la variabilité solaire au cours d'un cycle et la différence entre deux minima. En plus de ceux de MOCASSIM, les spectres produits par deux modèles ont été utilisés (NRLSSI et MGNM) ainsi que les données de SIM et SOLSTICE/SORCE. La variabilité spectrale de chacun a été extraite et multipliée à un spectre de base représentant le minimum d'activité afin de simuler le spectre au maximum d'activité. Cela a été effectué dans le but d'isoler l'effet de la variabilité seule et d'exclure celui de la valeur absolue du spectre. La variabilité spectrale d'amplitude relativement élevée des observations de SORCE n'a pas provoqué l'inversion de la réponse de l'ozone à hautes altitudes obtenues par d'autres études, ce qui peut être expliqué par la nature même du modèle utilisé ainsi que par sa limite supérieure en altitude. Finalement, la réponse de l'ozone semble être à peu près proportionnelle à la variabilité de l'intégrale du flux pour lambda<241 nm. La comparaison des concentrations d'ozone obtenues avec les spectres originaux au minimum d'activité démontre que leur différence est du même ordre de grandeur que la variabilité entre le minimum et le maximum d'un cycle typique. Le problème du choix de la reconstruction de l'irradiance à utiliser pour les simulations climatiques dans le passé demeure non résolu.

Was UV spectral solar irradiance lower during the recent low sunspot minimum?

A detailed analysis is presented of solar UV spectral irradiance for the period between May 2003 and August 2005, when data are available from both the Solar Ultraviolet pectral Irradiance Monitor (SUSIM) instrument (on board the pper Atmosphere Research Satellite (UARS) spacecraft) and the Solar Stellar Irradiance Comparison Experiment (SOLSTICE) instrument (on board the Solar Radiation and Climate Experiment (SORCE) satellite). The ultimate aim is to develop a data composite that can be used to accurately determine any differences between the “exceptional” solar minimum at the end of solar cycle 23 and the previous minimum at the end of solar cycle 22 without having to rely on proxy data to set the long‐term change. SUSIM data are studied because they are the only data available in the “SOLSTICE gap” between the end of available UARS SOLSTICE data and the start of the SORCE data. At any one wavelength the two data sets are considered too dissimilar to be combined into a meaningful composite if any one of three correlations does not exceed a threshold of 0.8. This criterion removes all wavelengths except those in a small range between 156 nm and 208 nm, the longer wavelengths of which influence ozone production and heating in the lower stratosphere. Eight different methods are employed to intercalibrate the two data sequences. All methods give smaller changes between the minima than are seen when the data are not adjusted; however, correcting the SUSIM data to allow for an exponentially decaying offset drift gives a composite that is largely consistent with the unadjusted data from the SOLSTICE instruments on both UARS and SORCE and in which the recent minimum is consistently lower in the wave band studied.