Campagne de test de spectromètre à diode laser embarqué par ballon sur la Plate-forme Pyrénéenne d’Observation Atmosphérique (P2OA)
Cet hiver, la Plate-forme P2OA (Plate-forme Pyrénéenne d’Observation Atmosphérique) a accueilli une campagne de validation d’un spectromètre à diode laser « Amulse I-CO2» et « Amulse II : CO2+CH4 » embarqué sous ballon captif, pendant une semaine (site de Lannemezan). Le projet est porté par une équipe du Groupe de Spectroscopie Moléculaire et Atmosphérique (GSMA) de l’Université de Reims, en collaboration avec le groupe instrumental du CNRM. L’objectif de cette campagne était de tester la capacité de ce nouvel instrument de mesure de concentration du dioxyde de carbone et du méthane à partir de la technique de spectroscopie à diode laser, en conditions de vol sous ballon captif entre 0 et 1000 m d’altitude. Le but à terme est d’atteindre les 10 km pour des mesures en haute troposphère.
Il est difficile aujourd’hui de ne pas être informé de l’augmentation des émissions de gaz à effet de serre (GES) et de leurs impacts sur l’évolution des conditions climatiques. Les hypothèses médianes du groupe international d’experts sur le changement climatique (GIEC, IPCC) prédisent un doublement de la concentration en dioxyde de carbone (CO2) avant la fin de ce siècle. Mais la concentration d’autres gaz à effet de serre au pouvoir radiatif supérieur à celui du CO2 augmente, comme par exemple, le méthane (CH4). Afin de mieux comprendre les processus qui contrôlent les flux de ces gaz à effet de serre, leur évolution, les puits et source une modélisation est nécessaire. Pour modéliser aussi bien de manière diagnostic que pronostic les concentrations de gaz à effet de serre, il convient de disposer de mesures in situ très précises, cela implique d’avoir des instruments de mesure extrêmement performants : précis, sensibles, sélectifs, rapides, autonomes, compacts, avec un faible coût de fonctionnement et, si possible, multi-espèces. Même s’il existe de nombreuses techniques de mesures de gaz (spectroscopie de masse, chromatographie en phase gazeuse, de chimiluminescence, optique …), aucune d’entre elles ne présentent tous ces avantages. Cependant, la spectroscopie d’absorption par diodes laser accordables offre bon nombre d’atouts par rapport aux autres techniques. Elle permet d’atteindre de hautes précisions sur les mesures de concentration (de l’ordre du pourcent), une grande sensibilité (jusqu’à 0.05 %) de hautes résolutions temporelles (jusqu’à la milliseconde), une grande dynamique de mesure (de plusieurs ordres de grandeur) et une grande sélectivité dans la détection des espèces moléculaires grâce à un choix approprié des transitions moléculaires de rotation-vibration.
Dans le cadre d’un projet régional « Champagne Ardenne » (appelé G-Mini : Détecteurs de Gaz à effet de serre MINIaturisé à spectrométrie d’absorption) en collaboration avec le Laboratoire de Nanotechnologie et Instrumentation Optique (LNIO) de l’université de technologie de Troyes (UTT), le Groupe de Spectroscopie Moléculaire et Atmosphérique (GSMA) de l’université de Reims, spécialiste de la spectrométrie diode laser, a entrepris depuis 2012, le développement de nouveaux senseurs compacts (<2 kg) dit AMULSE (Atmospheric Measurement by Ultra Light SpEctromer – PI Lilian Joly) pour la mesure in situ, précise (< 0.5 %) et rapide (<1 s) de gaz à effet de serre (CH4, CO2, H2O). Du fait de la réglementation concernant les vols sous ballon, un instrument inférieur à 2 kg facilite les autorisations, les coûts et la logistique des vols par rapport aux senseurs plus gros ou aux vols par avion. Le GSMA a développé deux versions d’AMULSE, une version mono-gaz (1.6 kg) et une version bi-gaz CO2 + CH4 (1.9 kg) répondant à un réel besoin de la communauté scientifique.
L’objectif de ces senseurs est de pouvoir mesurer précisément les profils de concentration de CO2 et de CH4 de façon intensive jusqu’à 1000 m sous ballons captifs et jusqu’à 10 000 m sous ballons radiosondages. La première étape a été d’effectuer une campagne méthodologique d’une semaine (09/12/2013) au Centre de Recherches Atmosphériques (CRA), site instrumenté du Laboratoire d’Aérologie, situé sur le plateau de Lannemezan dans les Hautes Pyrénées. Le CRA est géré par l’Observatoire Midi-Pyrénées, et fait partie, avec le Pic du Midi de Bigorre, de la Plate-forme Pyrénéenne d’Observation Atmosphérique P2OA. Cette campagne en collaboration avec le laboratoire 4M CNRM-GAME (Dominique Legain) a permis de faire une inter-comparaison entre les différents points de mesures sur le mât de 60 m du site et les profils de CO2 et de CH4 dans les basses couches d’inversion au cours du temps. Pendant cette campagne plus d’une trentaine de profil ont été enregistrés. Après l’analyse et le traitement de toutes les mesures, la seconde étape prévue en juin/juillet 2014 dans le cadre d’un projet Tosca CNES est d’effectuer des profils jusqu’à 10 000 m d’altitude.
Contact du projet : Lilian Joly, lilian.jolySPAMFILTER@univ-reims.fr
Contact au LA : Fabienne Lohou
