Télédétection depuis le sol + Complément Fiche détaillée Niveau (A partir de la 4ème)
I. Introduction En complément de l'approche par modélisation, l'étude de l'atmosphère est basée sur les différents systèmes d'observation qui ont été développés au cours de la seconde moitié du XXe siècle. Il est possible d'observer l'atmosphère par des mesures directes, embarquées ou au sol (capteurs, mesures chimiques, prélèvements ), ou bien par des mesures de télédétection. La télédétection atmosphérique est l'étude à distance de l'atmosphère à partir des caractéristiques d'une onde qui s'y propage. Les domaines spectraux utilisés pour les mesures par télédétection atmosphérique vont de l'ultra-violet aux ondes radio. Il existe deux types de techniques de télédétection : la télédétection passive dans laquelle on utilise une source de rayonnement externe au système d'observation (généralement le soleil), et la télédétection active, dans laquelle on est maître de la source de rayonnement qui est générée par le système. Figure 1 : Domaines spectraux et longueurs d'onde des rayonnements associés. II. Télédétection passive : spectromètres II.I. Le spectromètre SAOZ Le spectromètre SAOZ (système d'analyse par observation zénithale) est un exemple de système de télédétection passive développé au Service d'aéronomie (Laboratoire associé au CNRS à Paris) à la fin des années 80 pour l'étude de la stratosphère polaire. Ce spectromètre analyse la lumière émise par le soleil diffusée au zénith dans le domaine spectral 300-630 nanomètres. Un algorithme de transfert radiatif permet d'inverser les spectres obtenus et d'en déduire des colonnes totales de constituants atmosphériques tels que l'ozone ou le dioxyde d'azote. Une vingtaine d'exemplaires de cet instrument fiable et automatique ont été produits et déployés dans un réseau de stations couvrant toutes les bandes de latitude des deux hémisphères.
Photo 1 : Photographie de l'instrument SAOZ OPAR Université de la Réunion II.II. Spectromètres à Transformée de Fourier (FTIR) Un autre exemple de système plus complexe de télédétection passive est le Spectromètre Infra-Rouge à Transformée de Fourier (FTIR). Cet instrument est en mesure de produire des colonnes partielles et/ou totales d'une vingtaine de composés traces atmosphériques parmi lesquelles le CO, le N2O, O3, OCS, HF, HCl, HNO3... Figure 2 : Schéma de principe du FTIR Photo 2 :Spectromètre FTIR de l Institut d Aéronomie Spatiale de Belgique installé à Saint Denis de la Réunion Le principe de mesure est basé sur l'utilisation d un interféromètre de Michelson qui va moduler chaque longueur d onde du rayonnement solaire à une fréquence différente. Une moitié du faisceau est dirigé sur un miroir fixe et l autre sur un miroir mobile. Les deux faisceaux se recombinent et font apparaître des interférences constructives ou destructives en fonction de la position du miroir mobile. Le système de détection enregistre la transformée de Fourier du spectre appelée interférogramme, c est-à-dire une intensité en fonction de la position du miroir. L inversion des spectres infra-rouge, basée sur la méthode d estimation optimale, permet d obtenir des colonnes totales et les profils des gaz traces étudiés.
II.III. Le système MaxDOAS Le MAX-DOAS est un spectromètre UV-Visible qui permet de mesurer une grande variété de gaz traces stratosphériques et/ou troposphériques tels que le NO 2, BrO, HCHO, O3, SO2, IO, O4...etc. L'utilisation d'un réseau de résolution 300 traits par mm permet de couvrir le domaine spectral de 300 à 450 nm avec une résolution de 0,75 nm. Le détecteur est refroidi à -40 C, une fibre optique est montée sur un télescope et couplé à un miroir rotatif permettant de mesurer la lumière solaire à plusieurs angles d'élévation. Photo 3 : Système MAX-DOAS de l Institut d Aéronomie Spatiale de Belgique installé à Saint Denis de la Réunion III. La télédétection active III.I. Les LiDARs La lumière du soleil est une source électromagnétique continue. Elle permet donc d'obtenir des colonnes totales des constituants atmosphériques. Moyennant certaines hypothèses sur le trajet optique de la lumière solaire et la connaissance à priori de l'atmosphère, on peut obtenir des colonnes partielles de certains composés atmosphériques. Pour avoir un profil de constituants avec une résolution verticale comprise entre la dizaine de mètres et le kilomètre, il est nécessaire d'utiliser le principe de télédétection active en générant une source électromagnétique pulsée (un LASER). Le LiDAR exploite ce principe dans le domaine optique (source laser UV, visible ou Infra-rouge) et le radar dans le domaine des ondes radio. Figure 3 : Schéma de principe du LiDAR
Le principe du LiDAR est basé sur l émission active de photons dans l atmosphère au moyen d un laser pulsé. Les photons rétrodiffusés par l atmosphère résultent de la diffusion atmosphérique élastique et inélastique. Le système de réception est composé de un ou plusieurs télescopes paraboliques au foyer desquels les signaux sont collectés puis transmis par fibres optiques et traités électroniquement par des photo-multiplicateurs. En fonction des caractéristiques de l émission et de la réception, les signaux rétrodiffusés sont transformés par la chaîne électronique de traitement puis analysés pour le calcul de différents composés ou paramètres atmosphériques. Les divers systèmes LiDAR permettent la mesure des aérosols, de la température, de la vapeur d eau et de l ozone troposphérique, de l ozone stratosphérique, du CO 2..etc. Différents types de LiDAR basés sur différents principes de processus physiques permettent d'obtenir des profils de différents constituants atmosphériques. Le LiDAR Mie, basé sur la diffusion élastique par les aérosols et les nuages, permet d'obtenir des profils d'aérosols, ainsi que des informations sur les nuages, la géométrie des cristaux de glace ou des gouttes d'eau diffusants ou leur épaisseur optique. Le LiDAR DIAL (DIfferential Absorption LiDAR), basé sur l'absorption différentielle du faisceau laser par les atomes et les molécules, permet d'obtenir des profils d'ozone ou d'autres gaz polluants. Le LiDAR Raman, basé sur la diffusion inélastique (c'est-à-dire avec changement de longueur d'onde) par les molécules, permet d'obtenir des profils de vapeur d'eau et de température en présence d'aérosols. Le LiDAR Rayleigh, basé sur la diffusion élastique (c'est-à-dire sans changement de longueur d'onde) par les molécules d'air, permet d'obtenir des profils de densité et de température dans la stratosphère et la mésosphère. Enfin, le LiDAR vent, basé sur le décalage doppler du faisceau laser par des molécules d'air en mouvement, permet d'obtenir des profils de vent horizontal dans la moyenne atmosphère. Photo 4 : Photographie d'un LiDAR doppler en fonctionnement OPAR Université de la Réunion Photo 5 : Photographie d un LiDAR Rayleigh-Mie Raman dont le système de réception optique est constitué de 4 télescopes de 50 cm de diamètre OPAR Université de la Réunion
III.II. Les systèmes DOAS (Differential Optical Absoption Spectrometer) Les systèmes DOAS utilisent également la télédétection active et permettent de mesurer des espèces polluantes comme le NO2 pour la surveillance de la qualité de l'air. Le chemin optique entre l'émetteur et le récepteur peut atteindre 800 m. Dans l'atmosphère réelle, plusieurs paramètres peuvent contribuer à l'absorption de la lumière. En particulier les aérosols et les nuages peuvent diffuser la lumière et contribuer à l'atténuation du faisceau. Pour s'affranchir de ce problème, il convient de fonctionner avec plusieurs longueurs d'onde pour séparer les contributions des espèces absorbantes. Récepteur Système DOAS Transmetteur Source d énergie Analyseur et périphériques Un système DOAS a trois principales composantes: un émetteur, un récepteur et un analyseur. L émetteur envoie un faisceau lumineux au récepteur. Le faisceau contient une gamme de longueurs d ondes, de l ultra violet au visible. Les divers polluants absorbent la lumière à diverses longueurs d ondes le long du trajet entre l émetteur et le récepteur. Le récepteur est connecté à l analyseur qui mesure l intensité aux différentes l ongueurs d ondes et, connaissant l intensité émise, en déduit l absorption le long du trajet optique qu il convertit en concentrations moyennes le long de ce trajet pour chaque gaz étudié. Figure 4 : Schémas de principe de fonctionnement du système DOAS III.III. Les radars profileurs de vent Le radar fonctionne selon le même principe que le lidar, mais dans le domaine des ondes radio. Il existe plusieurs classifications des radars selon leur mode de fonctionnement, leur domaine spectral et leur utilisation. Les radars ne servent pas à mesurer des constituants chimiques mais les caractéristiques physiques de l atmosphère. Les radars météorologiques permettent de détecter les nuages et de mesurer leurs paramètres microphysiques alors que les radars profileurs de vent permettent de mesurer les vents verticaux et horizontaux, ils sont particulièrement utiles pour les études de pollution atmosphérique. Dans le domaine de 30 Megahertz à 40 Gigahertz, il existe des radars non doppler qui ne permettent que la localisation de la cible, et des radars dopplers qui permettent en plus d'obtenir la vitesse de la cible. Ils sont utilisés pour la surveillance aérienne et maritime, la cartographie et la météorologie. Pour les études atmosphériques, les pro fileurs de vent UHF fonctionnent dans le domaine de 300 MHz à 3 GHz et les pro fileurs de vent VHF fonctionnent dans le domaine de 30 à 300 Megahertz. Avec un pro fileur UHF, on obtient des pro fils de vent allant de 100 m à 6 km d altitude environ. La cadence de délivrance d'un pro fil complet du vent est de 5 à 15 minutes par pro fil. Avec un pro fileur VHF, les pro fils de vent couvrent 1,5 à 16 km d altitude environ. La cadence de délivrance d'un pro fil complet du vent est de 15 minutes à 1 heure. Les mesures des profileurs de vent présentent plusieurs avantages par rapport à celles des radiosondages : en particulier elles sont automatiques, ne nécessitent pas de matériel consommable,
et leur cadence est élevée. Les profileurs de vent peuvent aussi fournir d'autres paramètres comme la vitesse verticale et la turbulence, intéressants pour l'aéronautique et la surveillance de la pollution atmosphérique. Mais des réglages complexes sont nécessaires pour obtenir des mesures opérationnelles de qualité et traiter correctement les données pour exclure avec pertinence les échos parasites. Figure 5 : Exemple de profil de vent obtenu par un radar stratotroposphérique. Photo 6 : Photos du radar profileur de vent de l OPAR installé sur l aéroport de Saint Denis de la Réunion OPAR Université de la Réunion