Exploitation

Spectroradiomètre

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 sont archivées depuis 1997, celles de l'OHP et de l'OPAR (La Réunion) sont archivées depuis 2009.

 
Lille (Bentham)
O.H.P.
OPAR

Le spectroradiomètre SPUV01 est un double monochromateur Jobin Yvon HD10, permettant de mesurer l’intensité des éclairements spectraux solaires UV pour chaque longueur d’onde de 280 nm à 450 nm par pas de 0,5 nm (voir figure 1). Sur cette figure, 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. Cet appareil permet de mesurer l’éclairement spectral global (direct + diffus), ainsi que l’éclairement diffus par interposition d'un disque occultant le soleil.


Figure 1 : Un spectre UV solaire mesuré au sol.

Les mesures sont effectuées tous les quarts d'heure depuis le lever jusqu'au coucher du soleil, en alternant global et diffus. La durée d'un balayage est d'environ 6 minutes.

L'instrument comporte deux parties : une partie "optique" qui recueille la lumière venant du ciel, la transmet, la diffracte en fonction de la longueur d’onde, et une partie "électronique" qui convertit cette intensité lumineuse en signal électrique, puis en information numérique stockable sur un ordinateur.

PARTIE OPTIQUE

Elle comprend :

  • La tête optique de l’instrument, constituée d’un diffuseur plan qui recueille l'éclairement solaire arrivant de l’ensemble de l’hémisphère supérieur et le transmet à l'extrémité d'un faisceau de fibres optiques.
    Ce faisceau de fibres guide la lumière jusqu’à la fente d'entrée du double monochromateur.
  • Un double monochromateur, possédant deux réseaux holographiques concaves qui diffractent la lumière entrant. L'orientation de ces réseaux via un moteur pas à pas, permet de sélectionner la longueur d'onde de mesure.
    L'éclairement correspondant émerge par la fente de sortie.

Paramètres Valeurs
Distance focale des réseaux 100 mm
Ouverture des réseaux f / 3
Dimensions des réseaux 32 x 32 mm²
Nombre de traits 1200 traits.mm-1
Dispersion linéaire 4 nm.mm-1
Justesse en longueur d'onde ± 0,5 nm
Fidélité en longueur d'onde 0,2 nm
Diffuseur Téflon
Résolution (FWHM) 0,7 - 0,8 nm
Seuil de détection 10-6 w/m²/nm
Lumière parasite < seuil de détection
Régulé en T° 28,0 ± 0,5 °C

Schéma de principe du double monochromateur HD10 UV (côtes en mm)
PARTIE ÉLECTRONIQUE

Elle comprend :

  • Un photomultiplicateur, situé à la sortie du double monochromateur, qui reçoit l'éclairement monochromatique et convertit ce signal lumineux en courant électrique.
  • Un circuit électronique nommé "Spectralink", servant d’interface entre le photomultiplicateur et un PC, cet appareil effectue un traitement du signal électrique, le moyenne sur une seconde, le numérise et envoie le résultat à l’ordinateur. Il a pour rôle également de piloter le moteur pas à pas assigné au déplacement des deux réseaux.
  • Un ordinateur PC permet de piloter, au moyen du logiciel Spectramax, via Spectralink, le spectroradomètre et de stocker les données sous forme de fichiers ASCII.
ÉTALONNAGE

Les mesures brutes délivrées par Spectralink consistent en des comptes numériques (Cts/s), quantités proportionnelles à l’éclairement UV mesuré. Pour convertir ces comptes numériques en éclairement spectraux (unité W/m²/nm) qui sont les quantités physiques à l’origine de la mesure, il faut exploiter les résultats d’un étalonnage préalablement réalisé dans une chambre noire. La qualité des mesures dépend donc directement de la qualité de cet étalonnage. 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, dite table d'étalonnage.


Figure 2 : Étalonnage en chambre noire

3 lampes de 1000 W, traçables jusqu'à 1 étalon de référence, sont actuellement utilisées :

  • 2 NIST (National Institute of Standards and Technology, USA) F_538 et F_540
  • 1 NPL (National Physical Laboratory, GB) BN_334

Lors d’une mesure, on recueille des comptes numériques pour une longueur d’onde donnée, auxquels on associe l’éclairement spectral parfaitement connu de la lampe. A l’issue d’un étalonnage, des coefficients spectraux d’étalonnage Sλ, appelés aussi sensibilités spectrales du spectroradiomètre sont déduits suivant l'expression :

  • λ : la longueur d'onde
  • El(λ) : l'éclairement de la lampe 1000 W à la longueur d'onde λ donné sur la table d'étalonnage (W/m²/nm)
  • CNl : les comptes numériques par seconde (Cts/s) obtenus lors de la mesure spectrale avec la lampe allumée
  • CNb : les comptes numériques par seconde (Cts/s) qui tiennent compte du bruit électronique du système de détection (obtenu lors d’une mesure spectrale avec la lampe éteinte), et des réflexions parasites dans la salle d’étalonnage (obtenues lors d'une mesure spectrale en occultant la lampe allumée)
MESURE

Les comptes numériques obtenus lors de la mesure d'un spectre solaire sont convertis en éclairements spectraux grâce aux sensibilités spectrales obtenues lors de l’étalonnage par la formule :

Eλ : l'éclairement spectral mesuré, c’est la quantité physique recherchée (en W/m²/nm).
On obtient ainsi un spectre UV.

CORRECTION DE LA RÉPONSE ANGULAIRE

Un instrument mesurant des éclairements globaux égaux mais correspondant à des répartitions spatiales différentes ne donne généralement pas le même signal. Ce défaut est pris en compte en mesurant la réponse angulaire en laboratoire.

CORRECTION 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 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, colonne totale d'ozone) et convolué par la fonction fente de l'instrument.

La figure suivante présente l'évolution de l'éclairement UV sur toute une journée claire.

À PROPOS DU LABORATOIRE

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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