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Article

1 - POURQUOI MESURER LA CONCENTRATION DE GAZ ATMOSPHÉRIQUES ?

2 - PRINCIPES DE BASE DES LIDARS ATMOSPHÉRIQUES

3 - LIDARS RAMAN

4 - LIDARS À ABSORPTION MOLÉCULAIRE DIFFÉRENTIELLE (DIAL)

5 - ÉLÉMENTS DE COMPARAISON DES TECHNIQUES DIAL ET RAMAN

6 - CONCLUSION

7 - GLOSSAIRE

8 - NOTATIONS ET SYMBOLES

Article de référence | Réf : E4315 v2

Pourquoi mesurer la concentration de gaz atmosphériques ?
Mesure des gaz atmosphériques par LIDAR

Auteur(s) : Nicolas CÉZARD

Date de publication : 10 déc. 2022

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RÉSUMÉ

Cet article traite des deux principales techniques LIDAR employées pour la télédétection des gaz atmosphériques : les méthodes Raman et DIAL (Differential Absorption Lidar). Les enjeux associés à la mesure des espèces chimiques dans l’atmosphère, ainsi que les fondamentaux de la méthode lidar, sont d’abord exposés. Les techniques Raman et DIAL sont ensuite détaillées. Les bases physiques de la spectroscopie Raman et de la spectroscopie d’absorption sont présentées, ainsi que la manière de les mettre à profit dans des systèmes lidars. Des exemples de lidars Raman et DIAL opérationnels sont commentés à titre illustratif. L’article propose pour terminer une discussion comparative des deux méthodes.

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ABSTRACT

Measuring atmospheric gas with LIDAR

This paper introduces the two main LIDAR techniques (Light Detection and Ranging) for gas remote sensing: the Raman method and the DIAL method (Differential Absorption Lidar). The issues associated with gas remote sensing are first exposed, as well as the lidar fundamentals. Raman and DIAL techniques are then detailed. Physical basis for Raman spectroscopy and absorption spectroscopy are laid down, and also the way to use them in lidar systems. Examples of operational Raman and DIAL lidar systems are commented to illustrate these topics. Finally, a discussion is proposed to compare both methods.

Auteur(s)

  • Nicolas CÉZARD : Directeur de recherche - ONERA/DOTA, Université de Toulouse, Toulouse, France

INTRODUCTION

La surveillance des gaz dans l’atmosphère recouvre des enjeux extrêmement variés, selon les espèces chimiques observées. On peut notamment citer la climatologie, la météorologie, l’environnement, la santé publique, la sécurité industrielle, la défense, l’énergie, et même l’économie et la finance ! Cependant, le milieu atmosphérique, transparent à l’œil nu, insaisissable matériellement, et étendu dans les trois dimensions de l’espace, n’est pas un milieu facile à étudier. Bien sûr de nombreux instruments sont capables de mesurer la concentration d’une grande diversité d’espèces chimiques in situ. Mais bien qu’extrêmement utiles, de telles mesures sont par définition ponctuelles, très limitées dans l’espace. C’est pourquoi il est particulièrement intéressant de développer des outils permettant de caractériser le milieu atmosphérique à distance.

Pour cela, la technique LIDAR (Light Detection and Ranging) dispose d’un potentiel remarquable. Il s’agit d’une technique de télédétection analogue au RADAR (RAdio Detection And Ranging), mais pour laquelle l’émetteur, le plus souvent un laser, fonctionne dans le domaine des fréquences optiques. La longueur d’onde émise étant très petite (< 20 µm), elle est capable d’interagir avec les molécules de gaz et les particules de poussière en suspension dans l’atmosphère. En captant la très faible fraction de lumière rétrodiffusée par les molécules et les aérosols atmosphériques, il est possible d’accéder, par divers procédés, à un grand nombre de propriétés atmosphériques, et notamment à la concentration des gaz en présence. De plus, l’interaction laser-matière étant continue au fil de la propagation du rayon laser dans l’atmosphère, la technique lidar permet des mesures non seulement à distance, mais également résolues spatialement le long de l’axe de visée. La technique lidar est donc susceptible de délivrer beaucoup plus d’informations qu’une instrumentation in situ.

Les deux principales techniques lidar permettant de mesurer à distance le profil de concentration d’un gaz sont le lidar Raman, et le lidar DIAL (Differential Absorption Lidar). Cet article propose une introduction à ces deux techniques. Les bases physiques de la spectroscopie Raman et de la spectroscopie d’absorption sont exposées, ainsi que la manière de les mettre à profit dans des systèmes lidars. Des exemples de systèmes opérationnels et de mesures de concentrations de gaz sont également commentés à des fins d’illustrations. Enfin, une discussion est proposée, visant à faire ressortir les avantages et les inconvénients respectifs de ces deux méthodes.

Le lecteur trouvera en fin d’article un glossaire et un tableau des sigles, notations et symboles utilisés.

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KEYWORDS

lidar   |   Raman   |   DIAL   |   gas remote sensing

VERSIONS

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-e4315

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1. Pourquoi mesurer la concentration de gaz atmosphériques ?

L’atmosphère est un milieu dont les propriétés chimiques déterminent en grande partie les conditions de la vie humaine sur Terre. L’étude de ces propriétés est donc une nécessité vitale, mais paradoxalement, l’atmosphère sèche est composée dans sa très grande majorité de deux espèces dont la concentration varie peu, et qui ne suscitent pas de grands besoins de surveillance, sauf dans des cas spécifiques industriels ; il s’agit de l’azote (N2, 78 %) et de l’oxygène (O2, 21 %). Seulement voilà, le diable est dans le détail, et finalement, ce sont les espèces atmosphériques dites « minoritaires » qui nécessitent les plus grands soins de mesure.

  • La vapeur d’eau (H2O) tout d’abord, dont la concentration varie typiquement de 0 à 4 % (avec des pointes jusqu’à 6 % dans les cas extrêmes), est un gaz d’importance primordiale. Principal fluide caloporteur de l’atmosphère, la vapeur d’eau est impliquée dans une multitude de phénomènes cruciaux pour la vie humaine, et pour l’ensemble du vivant : pluie, nuages, évapo-transpiration des plantes et des forêts… La vapeur d’eau est ainsi un paramètre critique régulant le climat, la météorologie, et la vie sur Terre. Mesurer sa concentration est donc capital pour bien comprendre et anticiper le fonctionnement de l’atmosphère.

  • Les gaz à effet de serre (GES) sont également particulièrement importants. En effet, le phénomène de réchauffement climatique est directement induit par l’augmentation dans l’atmosphère de la concentration en GES. En plus, de la vapeur d’eau déjà citée, les GES les plus importants sont le dioxyde de carbone (CO2), le méthane (CH4), le protoxyde d’azote (N2O), et la famille des chloro-fluoro-carbones (CFC). La figure 1 montre l’impact de ces différentes espèces sur le forçage climatique actuel.

  • Nos modes de vies et de consommation ont également fait émerger un grand nombre de molécules qui, lorsque leurs concentrations dépassent un certain seuil, nous sont nocives. On parle de gaz polluants, ou toxiques, pour désigner ces espèces chimiques extrêmement diverses. Certains présentent un impact particulièrement fort sur la qualité de...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) -   Bilan des gaz à effet de serre présents dans l’atmosphère, d’après les observations effectuées à l’échelle du globe en 2019.  -  Bulletin sur les gaz à effet de serre – N° 16, par l’Organisation Météorologique mondiale (OMM) (2020).

  • (2) - SALEH (B.E.A.), TEICH (M.C.) -   In Fundamentals of Photonics.  -  P. 678 and p. 922 (1991).

  • (3) - SCHOTLAND (R.M.) -   The determination of the vertical profile of atmospheric gases by means of a ground based optical radar.  -  In Proc. Third Symp. on Remote Sensing of Environment, U. Michigan (1964-1965).

  • (4) - MELFI (S.H.), LAWRENCE (J.D.), Jr., McCORMICK (M.P.) -   Observation of Raman scattering by water vapor in the atmosphere.  -  Appl. Phys. Lett. 15, p. 295-297 (1969).

  • (5) - COONEY (J.A.) -   Remote measurements of atmospheric water vapor profiles using the Raman component of laser backscatter.  -  J. Appl. Meteorol. 9, p. 182-184 (1970).

  • ...

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