Vers une cartographie du champ de CO2 dans l’atmosphère par lidar CDIAL

Lundi, 24 août 2015

Dans le cadre d’études sur les échanges surface-atmosphère du dioxyde de carbone (CO2) et de l’élaboration d’un démonstrateur instrumental pour une future mission spatiale type A-SCOPE(1), des chercheurs et ingénieurs du Laboratoire de météorologie dynamique (LMD/Ecce Terra, CNRS / École Polytechnique / UPMC / ENS Paris / École des ponts Paristech) ont développé un nouveau LiDAR(2) cohérent à absorption différentielle, le CDIAL, permettant pour la première fois de mesurer un profil de concentration du CO2 dans l’atmosphère par télédétection. Ils ont ainsi pu cartographier le champ de CO2 au-dessus de l’École Polytechnique à Palaiseau.

Quelle est l’hétérogénéité du champ de concentration du CO2 dans l’atmosphère ? Jusqu’à présent, cette information ne pouvait être obtenue qu’épisodiquement à l’aide d’un instrument in situ aéroporté. Pourtant, la connaissance du champ de concentration instantané du CO2 ouvrirait de nouvelles perspectives, comme la possibilité

  • d’étudier l’hétérogénéité spatio-temporelle des échanges surface-atmosphère du CO2 ;
  • et de quantifier les émissions anthropiques au-dessus d’un site donné (ville, industrie, sites d’expériences de capture et stockage du CO2) car le carbone a maintenant un prix dans le cadre du réchauffement climatique et de la réduction des émissions de gaz à effet de serre.

La mesure des concentrations de CO2 est un défi pour les méthodes de mesure par télédétection, i.e. par Lidar à absorption différentielle (DIAL), car sa variation naturelle est plutôt faible dans l’atmosphère. La variation relative de sa concentration pendant un cycle diurne est d’environ 5 % près de la surface mais seulement de 0.1 % dans la couche limite convective où ses fluctuations sont turbulentes. Jusqu’à présent, la méthode DIAL ne permettait pas d’obtenir une telle précision, laquelle nécessitait que des avancées technologiques sur les laser et détecteur à 2 µm soient réalisées.

Évolution au cours du temps (a) du profil horizontal du rapport de mélange en air sec de CO2 (XCO2) en partie par million [ppm] mesuré au-dessus du campus de l’École Polytechnique par l’instrument CDIAL et (b) du rapport de mélange en air sec de CO2 mesuré à une distance de 400 m par CDIAL et un instrument in situ (PICARRO). Au cours des dernières années, l’équipe ABCt (Atmosphère-Biosphère-Climat par télédétection) du LMD a développé une source laser innovante Ho:YLF pulsée monomode multi-longueur d’onde à 2 µm qui émet en sécurité oculaire des impulsions de 10 mJ à une cadence de 2 kHz (20 W). Cette source laser a été associée à un système de détection cohérente pour former un lidar cohérent à absorption différentielle (CDIAL), un instrument avec lequel l’équipe a effectué des mesures horizontales (à travers la fenêtre du 2ème étage du LMD, École Polytechnique) du coefficient d’absorption du CO2 au-dessus du campus de l’École Polytechnique.
L’instrument CDIAL permet d’estimer le rapport de mélange(3) de CO2 en air sec avec une très bonne précision (0.5 - 2 %), une résolution spatiale de 150 m et une résolution temporelle de 15 min sur environ 1 km. Il a ainsi permis de bien suivre la variation diurne du CO2 dans la couche de surface comme le montre la comparaison avec des mesures in situ réalisées en parallèle, notamment en rendant compte de l’hétérogénéité spatiale du CO2 dues à des émissions anthropiques locales sur le campus de l’École Polytechnique.

Ce travail a bénéficié du soutien financier de l’ANR, du programme TOSCA du CNES, du CNRS-INSU et de l’École Polytechnique.

Note(s): 
  1. A-SCOPE : Advanced-space carbon and climate observation for planet earth mission, ESA report for mission assessment SP-1313, (2008)
  2. LiDAR : Light detection and ranging
  3. Le rapport de mélange d’un gaz est défini comme le rapport du nombre de moles du composé par mole d’air.
Source(s): 

2-µm Ho emitter-based coherent DIAL for CO2 profiling in the atmosphere, F.Gibert, D. Edouart, C. Cénac, F. Le Mounier and A. Dumas, Opt. Lett., 40, 3093-3096, 2015

Contact(s):
  • Fabien Gibert, LMD/Ecce Terra
    fabien [dot] gibert [at] lmd [dot] polytechnique [dot] fr, 01 69 33 52 08

La reprise des actualités du site est autorisée avec la mention "Source : Actualités du CNRS-INSU" et un lien pointant sur la page correspondante.