Autres instruments

Spectroradiomètres

Mesure l’intensité des éclairements spectraux solaires UV

Les mesures spectrales
  • Paramètres mesurés : Eclairement global (et diffus pour Lille)
  • Paramètres inversés : Colonne totale d'ozone
  • Paramètres calculés : UVI
  • Algorithmes en place / prévu : Estimation en routine de la colonne totale d'ozone/visualisation prévue. Détermination de l'épaisseur optique des aérosols prévue (pour Lille)
  • Réseaux Nationaux / Internationaux : NDACC

Les données de Lille-Villeneuve d’Ascq sont archivées depuis 1998, celles de l’OHP (Observatoire de Haute-Provence) et de l’OPAR (Observatoire de Physique de l’atmosphère de La Réunion) sont archivées depuis 2009.

Photo 1 : Laboratoire d'Optique Atmosphérique (U-Lille, Villeneuve d'Ascq)
 
Lille (Bentham)
O.H.P.
OPAR

Un spectroradiomètre UV (Jobin-Yvon HD10) a été installé dès 1998 sur la terrasse du laboratoire à Villeneuve d’Ascq et a été affilié au NDACC en 2001. En raison de dysfonctionnements fréquents il a été remplacé par un Bentham DTMc300 en 2009. L’OHP et l’OPAR (Saint-Denis) ont été également équipés en 2009 par un Bentham DTMc300.

L’affiliation au NDACC des trois nouveaux spectroradiomètres Bentham a été obtenue en 2016.
Comme le faisait le Jobin-Yvon, les Bentham effectuent des mesures journalières de l’éclairement spectral dans l’intervalle 280-450 nm, avec un pas de 0,5 nm. Sur la figure 1, on observe la diminution rapide de l’éclairement spectral de 330 nm à 300 nm due à l'absorption par l’ozone présent dans l’atmosphère.


Figure 1 : Un spectre UV solaire mesuré au sol.
 
Photo 2 : Observatoire de Haute-Provence
Photo 3 : Observatoire de Physique de l'Atmosphère de la Réunion

Les acquisitions ont lieu toutes les 15 min, du lever au coucher du soleil.
A Villeneuve d’Ascq (Lille) il s’agit de mesures d’éclairement global (somme de l’éclairement direct et de l’éclairement diffus) et alternativement d’éclairement diffus (par occultation du soleil). A l’OPAR et à l’OHP il s’agit uniquement de mesures d’éclairement global.

Les spectroradiomètres sont des doubles monochromateurs.

Jobin-Yvon HD10
Focales 2x100 mm
Diffuseur Téflon
Résolution 0,75 nm
Régulé en température
Durée d'un balayage (280-450 nm) environ 8 min
Bentham DTMc300
Focales 2x300 mm
Diffuseur Téflon
Résolution 0,5 nm
Régulé en température
Durée d'un balayage (280-450 nm) environ 6 min

Figure 2 : Trajet du rayonnement dans le système des doubles monochromateurs

Figure 3 : Configuration Czerny-Turner

Il se fait en trois étapes :

- L’étalonnage : Les mesures brutes sont étalonnées régulièrement en laboratoire à l’aide de lampes étalon 1000W traçables jusqu’au NIST (National Institute of Standards and Technology, USA).
Le principe d’un étalonnage consiste à mesurer à l’aide de l'instrument le spectre d'une lampe UV pour laquelle le fabriquant a fourni une table très précise de l'éclairement spectral (table des éclairements de référence). Ces mesures s’effectuent à une distance définie par le fabriquant de la lampe (cf. Figure 4).


Figure 4 : Étalonnage en chambre noire

- Le recalage en longueur d’onde : Le spectroradiomètre comporte des parties mobiles, dont la position relative est variable (elle dépend entre autres de la température). Il en résulte que la longueur d'onde affichée lors d'un balayage peut être différente de la longueur d'onde réelle. Ce décalage en longueur d’onde doit être corrigé. On utilise pour cela une méthode qui repose sur la comparaison du spectre mesuré au spectre solaire modélisé pour un ciel clair avec des paramètres d'entrée correspondant à la mesure (hauteur solaire moyenne, colonne totale d'ozone moyenne) et convolué par la fonction fente de l'instrument.

- Correction de la réponse angulaire : Le signal d’un radiomètre devant mesurer un éclairement devrait être proportionnel au cosinus de l’angle entre la direction du rayonnement incident et la normale à l’optique d’entrée. Les diffuseurs étant imparfaits, il existe toujours des écarts avec cette loi en cosinus, le spectre doit donc être corrigé de ce défaut.

Incertitude (niveau de confiance à 95%) :

  • A 310 nm : Environ 5% pour des signaux élevés et 7% pour des signaux faibles.
  • Environ 5% pour l’indice UV (UVI).

1. Séries temporelles du maximum sur 2h autour du midi solaire de l’indice UV obtenu à Lille (Villeneuve d’Ascq), à l’OHP et à l’OPAR (Saint-Denis de La Réunion).

Villeneuve d'Ascq
OHP
OPAR
2. Validations satellitaires : Comparaison des UVI fournis par les instruments spatiaux (SB)OMI/Aura et GOM2-2/Metop-A pour le midi solaire avec ceux mesurés par les spectroradiomètres (GB). Histogrammes de différence relatives (100 x (SB-GB)/GB) à gauche et nuages de points à droite. Les points encerclés correspondent à une épaisseur optique de nuage < 1.
Villeneuve d'Ascq
OHP
OPAR
Articles parus dans des revues internationales à comité de lecture
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Le Laboratoire d'Optique Atmosphérique est une Unité Mixte de Recherche du CNRS et de l'Université de Lille - Sciences et Technologies, spécialisée dans l'étude des nuages, des aérosols, de leurs précurseurs et de leurs impacts environnementaux (climat, pollution).

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