Détection optique des gaz à effet de serre par la méthode OSAS-lidar
Sandrine Galtier, Alain Miffre et Patrick Rairoux
OET 
Le dernier rapport du Groupe d’Expert Intergouvernemental sur l’Evolution du Climat (GIEC) démontre que l’augmentation de concentration des gaz à effet de serre (GES) est reconnue comme responsables des changements significatifs sur le climat durant ce dernier siècle. Dans ce contexte, il est clair qu’un des enjeux socio-économiques majeurs de notre époque est d’être capable de spécifier précisément la distribution spatiale et temporelle de ces constituants atmosphériques. Ceci est un défi à relever par la communauté scientifique par la création d’instruments de mesure innovants et performants. Dans ce cadre, on développe au sein de l’équipe OET une instrumentation basée sur une nouvelle méthodologie de mesure à distance des GES, notamment le méthane, basé sur la télédétection lidar couplée à la corrélation de spectroscopie optique, appelé OCS-lidar (Optical Correlation Spectroscopy Lidar) (B. Thomas 2012). Ce projet réalisé en partenariat avec l’entreprise Leosphere s’inscrit dans l’optimisation énergétique et le contrôle des risques industriels.
Le lidar, acronyme de Light Detection And Ranging, est un instrument de télédétection optique mettant en œuvre une source laser émettant un rayon dirigée dans l’atmosphère de manière à mesurer et analyser l’absorption et la diffusion optique. Le lidar permet l’étude notamment des aérosols [lidar aerosol OET], des molécules, des champs de vent ou encore des nuages, ce qui en fait un instrument incontournable dans la métrologie de l’atmosphère.
La méthode OCS-lidar que nous développons permet de mesurer la concentration d’un gaz en utilisant le principe de la spectroscopie optique de corrélation (OCS). L’OCS est une méthode de mesure de la concentration d’un gaz basé sur l’absorption, elle a été étudiée en détail par Dakin et al. (J. P. Dakin 2003). La figure 1 présente le principe de fonctionnement de l’OCS-lidar. Une source lumineuse, dont la densité spectrale de puissance P0(λ) est large de plusieurs nanomètres ( >5 nm FWHM), est envoyée dans un modulateur d’amplitude générant alternativement deux modulations. Dans un premier temps, seules les composantes spectrales correspondant aux fortes bandes d’absorption de la section efficace σ(λ) du gaz sont transmises, on parlera dans ce cas de modulation d’amplitude corrélée (MC). Dans un second temps, seules les composantes spectrales correspondant aux faibles bandes d’absorption du gaz étudié sont transmises par le modulateur d’amplitude, on parlera cette fois-ci de modulation d’amplitude non-corrélée (MNC). Lorsque le spectre est corrélé, la lumière subit une extinction qui sera d’autant plus forte que la concentration du gaz est importante. A l’inverse, la transmission de la lumière au spectre non-corrélé ne variera que très peu lorsque la concentration du gaz change, ce signal servant ainsi de référence. En comparant les transmissions optiques de l’atmosphère déduites de ces deux signaux OCS-lidar, on détermine la concentration d’un gaz, résolue en distance et ce jusqu’à plusieurs kilomètres de distance. Les fondements physiques de cette méthodologie ont été plus amplement détaillés, accompagnés de simulations numériques sur la mesure de méthane dans les articles B. Thomas et al. 2012 et B. Thomas et al. 2013a. Une vérification expérimentale a été réalisée sur le profilage de la vapeur d’eau en atmosphère réelle et est présentée dans B. Thomas et al. 2013b.
Fig. 1 : Principe de l’OCS-lidar. Une impulsion laser de densité spectrale large P0 centrée sur λ0 (Broadband laser) est façonnée par les fonctions de modulation d’amplitude MC et MNC générées alternativement par le modulateur spectral. Les impulsions laser, corrélées ou non-corrélées à la section efficace d’absorption σ du gaz étudié, sont émises dans l’atmosphère. Les photons rétrodiffusés par les particules et molécules de l’air sont collectés par le télescope et focalisés sur le détecteur, permettant ainsi l’enregistrement des signaux PC et PNC correspondant respectivement aux signaux corrélé et non-corrélé.
Publications
B. Thomas, G. David, C. Anselmo, E. Coillet, K. Rieth, A. Miffre and P. Rairoux, Remote sensing of methane with broadband laser and optical correlation spectroscopy on the Q-branch of the 2ν3 band, J. Mol. Spec., Special Issue on methane, (2013). Lien.
B. Thomas, G. David, C. Anselmo, JP Cariou, A. Miffre and P. Rairoux, Remote sensing of atmospheric gases with optical correlation spectroscopy and lidar: first experimental results on water vapor, Applied Phys B (2013). Lien
B. Thomas, A. Miffre, G. David, J.P. Cariou and P. Rairoux, Remote sensing of trace gases with optical correlation spectroscopy and Lidar : Theoretical and numerical approach, Applied Phys B, 108, 689-702, (2012). Lien