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LiDAR CDIAL

Dans le cadre d’études sur les échanges entre la surface et l’atmosphère du dioxyde de carbone (CO2) et de l’élaboration d’un démonstrateur instrumental pour une future mission spatiale type A-SCOPE(1), des chercheurs et ingénieurs du LMD ont développé un nouveau LiDAR(2) cohérent à absorption différentielle, le CDIAL ...

Dans le cadre d’études sur les échanges entre la surface et l’atmosphère du dioxyde de carbone (CO2) et de l’élaboration d’un démonstrateur instrumental pour une future mission spatiale type A-SCOPE(1), des chercheurs et ingénieurs du LMD ont développé un nouveau LiDAR(2) cohérent à absorption différentielle, le CDIAL, permettant pour la première fois de mesurer un profil de concentration du CO2 dans l’atmosphère par télédétection. Ils ont ainsi pu cartographier le champ de CO2 au-dessus de l’École polytechnique à Palaiseau.

 

 

Quelle est l’hétérogénéité du champ de concentration du CO2 dans l’atmosphère ? Jusqu’à présent, cette information ne pouvait être obtenue qu’épisodiquement à l’aide d’un instrument in situ aéroporté. Pourtant, la connaissance du champ de concentration instantané du CO2 ouvrirait de nouvelles perspectives, comme la possibilité

  • d’étudier l’hétérogénéité spatio-temporelle des échanges surface-atmosphère du CO2 ;

  • et de quantifier les émissions anthropiques au-dessus d’un site donné (ville, industrie, sites d’expériences de capture et stockage du CO2) car le carbone a maintenant un prix dans le cadre du réchauffement climatique et de la réduction des émissions de gaz à effet de serre.

 

La mesure des concentrations de CO2 est un défi pour les méthodes de mesure par télédétection, i.e. par Lidar à absorption différentielle (DIAL), car sa variation naturelle est plutôt faible dans l’atmosphère. La variation relative de sa concentration pendant un cycle diurne est d’environ 5 % près de la surface mais seulement de 0.1 % dans la couche limite convective où ses fluctuations sont turbulentes. Jusqu’à présent, la méthode DIAL ne permettait pas d’obtenir une telle précision, laquelle nécessitait que des avancées technologiques sur les lasers et détecteur à 2 µm soient réalisées.

 

Au cours des dernières années, l’équipe ABC(t) du LMD a développé une source laser innovante Ho:YLF pulsée monomode multi-longueur d’onde à 2 µm qui émet en sécurité oculaire des impulsions de 10 mJ à une cadence de 2 kHz (20 W). Cette source laser a été associée à un système de détection cohérente pour former un lidar cohérent à absorption différentielle (CDIAL), un instrument avec lequel l’équipe a effectué des mesures horizontales (à travers la fenêtre du laboratoire) du coefficient d’absorption du CO2 au-dessus du campus de l’École polytechnique.

 

 

Évolution au cours du temps

(a) du profil horizontal du rapport de mélange en air sec de CO2 en partie par million [ppm] mesuré au-dessus du campus de l’École Polytechnique par l’instrument CDIAL

(b) du rapport de mélange en air sec de CO2 mesuré à une distance de 400 m par CDIAL et un instrument in situ (PICARRO).

 

 

 

L’instrument CDIAL permet d’estimer le rapport de mélange(3) de CO2 en air sec avec une très bonne précision (0.5 - 2 %), une résolution spatiale de 150 m et une résolution temporelle de 15 min sur environ 1 km. Il a ainsi permis de bien suivre la variation diurne du CO2 dans la couche de surface comme le montre la comparaison avec des mesures in situ réalisées en parallèle, notamment en rendant compte de l’hétérogénéité spatiale du CO2 dues à des émissions anthropiques locales sur le campus de l’École polytechnique.

 

Ce travail a bénéficié du soutien financier de l’ANR, du programme TOSCA du CNES, du CNRS-INSU et de l’École polytechnique.

 

Note(s): 

  1. A-SCOPE : Advanced-space carbon and climate observation for planet earth mission, ESA report for mission assessment SP-1313, (2008)

  2. LiDAR : Light detection and ranging

  3. Le rapport de mélange d’un gaz est défini comme le rapport du nombre de moles du composé par mole d’air.

Source(s): 

2-µm Ho emitter-based coherent DIAL for CO2 profiling in the atmosphere, F.Gibert, D. Edouart, C. Cénac, F. Le Mounier and A. Dumas, Opt. Lett., 40, 3093-3096, 2015

Événements à venir
26/6/2017 à 10h30: séminaire de Monsieur Fangli Qiao 26/06/2017 10:30 - 12:00 — Salle de réunion du LMD/Jussieu (T45-55, 3e étage)
29/6/2017: Journée Scientifique SIRTA 29/06/2017 09:30 - 17:00 — Ecole Polytechnique - 91128 Palaiseau
10-14/7/2017: Future of cumulus parametrization workshop 10/07/2017 - 14/07/2017 — Delft University of Technology the Netherlands
11-14/9/2017: Séminaire annuel du CEPMMT 11/09/2017 - 14/09/2017 — CEPMMT, Reading
25-28/9/2017: CFMIP meeting, Université de Tokyo 25/09/2017 - 28/09/2017 — Université de Tokyo
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