Fluorescence
Instruments pour la mesure de la fluorescence
Les développements en instrumentation pour la mesure de la fluorescence sont développés par les équipes Limag et Fluo récemment regroupées, avec l’équipe Ara, au sein de la nouvelle équipe ABC(t).
Un capteur passif pour la mesure de la fluorescence de la chlorophylle : Airflex
Au sol, les échanges de CO2 de la végétation se mesurent à l’aide de tours à flux équipées d’appareils de mesures météorologiques. Mais le défi actuel est de pouvoir généraliser ces mesures à l’échelle régionale puis continentale, ce qui n’est réalisable pour le moment qu’à l’aide de modèles ayant des possibilités très limitées de validation. D’où l’intérêt de développer une instrumentation permettant d’obtenir ces échanges de CO2, ou au moins un indice de performance de la photosynthèse. De part son origine, la fluorescence de la chlorophylle est intimement liée à la conversion photochimique. Elle est utilisée depuis fort longtemps pour suivre l'activité photosynthétique. Toutefois l'atténuation du signal avec la distance limite pratiquement le rayon d'action des mesures actives de fluorescence à quelques centaines de mètres.
Ceci a motivé la recherche de méthodes visant à extraire la faible émission de fluorescence de la lumière réfléchie par la végétation. L'approche suivie au laboratoire repose sur le fait que l’oxygène de l’atmosphère terrestre présente, entre 685 et 770 nm, des raies d’absorption très fines (de l’ordre du nm) qui atténuent fortement le rayonnement solaire. Or, c'est également la partie du spectre où émet la chlorophylle. En comparant au fond de ces raies le rayonnement réfléchi par la végétation avec le rayonnement incident, il est possible par différence de détecter le signal de fluorescence excité par la lumière naturelle. C'est en s'appuyant sur cette idée que le programme Flex a été proposé à l’Esa qui l’a retenu récemment en pré-phase A. Flex a pour objectif la détection de l'état physiologique de la végétation par mesure de la fluorescence chlorophyllienne. Il se fonde sur la démonstration récente, faite avec le capteur Airflex développé au laboratoire, de la possibilité de mesurer précisément la fluorescence de la chlorophylle depuis un avion. Airflex en utilisant la différence d’absorption dans les deux bandes de l'oxygène atmosphérique à 687 et 760 nm. Airflex conçu en 2002 a été engagé avec succès dans plusieurs campagnes de mesures avionnées. Notre ambition est désormais de concevoir un instrument aéroporté qui fournisse des images de l’activité chlorophyllienne.
Un Lidar de fluorescence à deux longueurs d'onde d'excitation
Le "rendement de fluorescence" (quotient du nombre de photons de fluorescence par le nombre de photons absorbés) est le paramètre le plus directement relié à l'activité photosynthétique. À cet égard les mesures passives de fluorescence, parce qu'elles mesurent seulement des flux, ne donnent pas directement accès au rendement : l'estimation de la lumière absorbée par le couvert est délicate à obtenir avec la précision voulue. Une meilleure précision est obtenue par les mesures actives où l'énergie d'excitation est constante et connue. Nous voulons développer un nouveau lidar de fluorescence (F-lidar) destiné à l'étude de la fluorescence de la végétation qui tire parti des progrès technologiques récents des lasers en terme de miniaturisation, légèreté et fiabilité. Une application importante sera l'utilisation du F lidar en parallèle avec la mesure passive de fluorescence due à la chlorophylle, car chaque méthode met en jeu un aspect différent de l'interaction lumière matière dans le couvert végétal.
Si l'énergie de la photosynthèse vient de l'absorption dans le spectre visible, les plantes absorbent aussi dans le proche UV en raison du grand nombre de produits aromatiques présents naturellement dans les feuilles. Par ailleurs l'épiderme foliaire joue un rôle d'écran pour l'excitation UV de la chlorophylle du mésophile. Il s'en suit une baisse de l'efficacité de l'excitation UV de la chlorophylle, par rapport l'excitation visible, et donc la possibilité de déterminer les absorbeurs accumulés par l'épiderme foliaire par une mesure comparative de la fluorescence de la chlorophylle excitée dans l'UV et dans le visible. Cette méthode du rapport d'excitations peut-être utilisée qualitativement pour estimer le contenu en composés phénoliques des feuilles. Notre projet est donc de développer un F-lidar à double excitation : visible et proche UV, pour mesurer à la fois la fluorescence bleue verte et la fluorescence proche infrarouge de la chlorophylle. Un prototype reposant sur une technologie ancienne a déjà été construit par l’équipe Fluo. Un objectif important sera la confrontation avec les mesures passives que l'équipe Fluo développe sur la plateforme de mesures mise en oeuvre sur une grue à Avignon. Une autre application intéressante sera l'opération du F-lidar depuis un avion ultraléger volant à basse altitude, conjointement à des mesures d'altimétrie pour caractériser l'architecture du couvert. L'aspect altimétrie est important car la structure tridimensionnelle de la végétation joue un rôle essentiel pour la détermination quantitative de la fluorescence. En résumé nous espérons obtenir à l'échelle du couvert, grâce au F-lidar, des données nouvelles sur le mécanisme d’absorption du carbone, la présence de pathogènes, certains stress abiotiques (sécheresse, aluminium, augmentation du rayonnement ultraviolet solaire), la concentration en chlorophylle, la température foliaire.
