Activités de recherche de l'équipe OET

 Comme le souligne le dernier rapport du GIEC (Groupe International d’Experts sur le Climat, 2013), les incertitudes majeures actuelles sur le climat, l’environnement et la santé publique, sont relatives aux gaz à effet de serre mais aussi aux aérosols atmosphériques (ensemble de particules, solide ou liquide, en suspension dans l’air), dont l’effet, direct et indirect sur le climat, reste à quantifier.

Les travaux de recherche de l’équipe Optique, Environnement, Télédétection (OET) s’inscrivent dans ce contexte et portent plus spécifiquement sur les propriétés optiques d’objets d’intérêt atmosphérique (nanoparticules diélectriques, molécules de type gaz à effet de serre). Ces travaux sont effectués aussi bien en laboratoire qu’en atmosphère réelle. Dans les deux cas, nos études sont basées sur le développement de méthodes optiques, ultra-sensibles et précises, basées sur l’interaction photon - matière. Ces développements s'appuient donc sur le fondement de l'interaction lumière-matière et notamment le formalisme de la matrice de diffusion, résolue spectralement et en polarisation. De manière complémentaire, des simulations numériques sont également réalisées (T-matrix).

 

Nanoparticules diélectriques de l'atmosphère (aérosols atmosphériques, phase condensée)

Expériences en laboratoire: Diffusion à l'angle exact de Pi d'un ensemble statistique de nanoparticules diélectriques d'intérêt atmosphérique en suspension dans l'air ambiant. 

Expérience en atmosphère réelle : Télédétection Lidar UV-VIS résolue en polarisation. 

 

Molécules (gaz à effet de serre) atmosphériques  

Expérience en laboratoire : spectroscopie optique de corrélation 

Expérience en atmosphère réelle : couplage de la spectroscopie optique de corrélation à la Télédétection Lidar (OCS-Lidar). 

 

 

 Articles marquants (faits marquants de l'ILM)

 

Fait marquant 1 / Une nouvelle méthode optique pour détecter la nucléation de nanoparticules dans l'atmosphère. 

 Juin 2014 / Optics Express

Prix OSA Spotlight on Optics, Juin 2014.

 Les particules d’aérosols atmosphériques ont un effet direct global refroidissant le climat, qui contre balance l’impact des gaz à effet de serre. La formation de nouvelles particules est de fait essentielle. Elle résulte d’une chaîne complexe de réactions et de processus, qui ne sont pas encore compris de manière détaillée. L’effet indirect de ces nouvelles particules est qu’elles peuvent influencer la formation des nuages donc modifier le climat.

La détection de la nucléation présente une difficulté majeure, notamment liée à la taille très petite des nouvelles particules formées et leur faible concentration. L’équipe OET a développé une méthode optique nouvelle, permettant, pour la première fois, de mesurer à distance (lidar) le coefficient de rétrodiffusion des centres de nucléation responsables de la formation des nuages dans l'atmosphère. En présence de particules non sphériques d’origine désertique et volcanique, les auteurs ont identifié par simulation numérique (T-matrix), les exigences optiques en termes spectraux et de polarisation permettant de détecter à distance (lidar) les centres de nucléation. L’observation de ce processus à Lyon a été rendue possible par une optimisation de la sensibilité et de la précision de l’instrument lidar de l’ILM. Ce travail ouvre la voie à l’observation, pour la première fois, de l’extension spatiale verticale du processus de nucléation, impliqué dans la formation des nuages.

 

Illustration: Première observation à distance par lidar de la formation de nouvelles particules dans l’atmosphère, visualisée par l’augmentation, dans l’UV, du coefficient de rétrodiffusion βs spécifique aux particules sphériques, ici entre 2 et 3 km d’altitude, en présence de poussières de sable désertique du Sahara. 

 

Fait marquant 2 / Partitionnement optique d'un mélange de nanoparticules diélectriques dans l’atmosphère

Juin 2013, Atmospheric Chemistry and Physics

Grégory David, Benjamin Thomas, Alain Miffre et Patrick Rairoux (équipe OET) ont publié avec un collègue finlandais un article intitulé Retrieving simulated volcanic, desert dust and sea-salt particle properties from two/three-component particle mixtures using UV-VIS polarization lidar and T matrix dans la revue de chimie-physique Atmospheric Chemistry and Physics.

Dans cet article, les auteurs ont proposé une méthode nouvelle permettant de mesurer, à distance, le coefficient de rétrodiffusion d’un ensemble de nanoparticules diélectriques de composition chimique déterminée, lorsque celles-ci sont placées dans un mélange à deux ou trois composantes. Ce partitionnement optique a été réalisé en couplant des mesures lidar multi-longueur d’onde résolues en polarisation ultra-sensibles à des simulations numériques de diffusion d’objets non-sphériques, spécifiques à chaque composant du mélange. La robustesse de cette nouvelle méthode a été étudiée pour un mélange à deux composantes (cendres volcaniques islandaises, particules de sulfates sphériques) puis à trois composantes (poussières désertiques, sels marins, particules sphériques), ce qui offre de nombreuses applications pour la physico-chimie de l’atmosphère et l’observation satellitaire du climat.

Photographie par microscopie électronique d’une poussière désertique (dust), d’un sel marin (sea-salt), et d’une nanoparticule sphérique de sulfate (sulf). Cet article propose une méthode optique, basée sur l’analyse de la polarisation de l’onde rétrodiffusée (Cf. schéma optique), permettant de partitionner un mélange de ces trois espèces chimiques pour en déduire, à distance et sur plusieurs kilomètres, leur fraction X dans le mélange.

 

Fait marquant 3 / Formation d'acide sulfurique en haute atmosphère

Janvier 2013, PNAS

Grégory David, Benjamin Thomas, Alain Miffre et Patrick Rairoux (équipe OET) ont publié un article dans la revue PNAS, en collaboration avec des collègues de l’IRCE Lyon, intitulé Mineral dust photochemistry induces nucleation events in the presence of SO2.

A cause du réchauffement climatique, les particules de sable en provenance des déserts de la planète (Sahara, Gobi) se retrouvent à des altitudes plus élevées. Par des expériences en laboratoire et en atmosphère réelle, ces chercheurs ont montré que ces nanoparticules, naturellement semi-conductrices, présentaient une surface privilégiée pour former en phase gazeuse de l’acide sulfurique moléculaire, composant essentiel à la formation de centres de nucléation. Ce mécanisme a lieu uniquement en présence de lumière. Cette découverte majeure remet en cause le processus qui prévalait jusqu’à lors, qui était appliqué dans les scénarii d’évaluation de l’état physico-chimique de l’atmosphère et du climat.

 

Mécanisme physico-chimique de formation de gouttelettes d’acide sulfurique à partir de particules de sable désertique. La signature optique de cette nucléation est observable dans l’atmosphère grâce à une mesure extrêmement précise (10-5) de polarisation dans l’UV réalisée à l’ILM au sein de l’équipe OET.

 

 

 

 

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