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Fluxmètres

Fluxmètre solaire (pyranomètre)

Le pyranomètre de Kipp & Zonen CMP22 mesure, dans un plan horirontal, l’éclairement solaire descendant provenant du demi-espace. Cet éclairement est intégré sur une large bande spectrale couvrant la région 297 – 3100 nm. L’éclairement mesuré peut être diffus ou global, selon qu’un ‘shadower’ est placé ou non devant le soleil.

Fluxmètre solaire direct sous incidence normale (pyrhéliomètre)

Le pyrhéliomètre de Kipp & Zonen CH1 mesure l’éclairement solaire direct sous incidence normale. Il possède un champ angulaire de 5°. Pour ce qui nous concerne, l’éclairement solaire est intégré sur la même bande spectrale que celle du pyranomètre CMP22.

Fluxmètre infrarouge thermique (pyrgéomètre)

Le pyrgéomètre de Kipp & Zonen CGR4 mesure, dans un plan horizontal, l’éclairement tellurique (domaine de l’infrarouge thermique) descendant sur le demi-espace. Cet éclairement est intégré sur une large bande spectrale couvrant la région 4,5 – 40 µm. Un ‘shadower’ protège l’instrument de l’échauffement dû à un ensoleillement direct.

Suiveur solaire

L’ensemble est installé sur un support muni d’un dispositif de suivi solaire Kipp & Zonen (2AP-GD tracker gear) et d’occultation du rayonnement solaire direct (shadow balls), qui permet la mesure des flux solaire direct et diffus, ainsi que la mesure correcte du flux infrarouge thermique.

Pyranomètre UVB

Le pyranomètre UVB du constructeur « YES1 » est un appareil de type Robertson-Berger, capable de mesurer l'éclairement UV solaire intégré sur une bande spectrale allant de 270 à 352nm. Sa réponse spectrale est proche, dans sa forme, du spectre d’action érythémateux de Diffey avec une sensibilité assez forte dans les UVB qui décroît très rapidement dans les UVA. Ses principaux avantages sont sa grande stabilité temporelle en sensibilité et le faible entretien qu’il nécessite. Il est donc une source fiable d’informations qui sert à réaliser une intercomparaison quotidienne et systématique avec le spectroradiomètre UV.

Spectroradiomètre

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.

LIDAR

Le lidar est, par opposition au photomètre, un instrument de télédétection active, dont le principe de base est l’émission et la réception d’un faisceau laser rétrodiffusé (molécules, aérosols et nuages) ou réfléchi (surface). Les champs d’applications sont très variés. Les deux principaux sont :

• l’étude des surfaces. La réception de l’écho du faisceau laser émis par un lidar aéro- porté permet, grâce à un système de balayage, une étude de la topographie des sols, des océans, ou encore de la canopée.
• l’étude de l’atmosphère. Différentes familles de lidars permettent d’explorer plu- sieurs branches de la thématique atmosphère. Les lidars Doppler permettent d’étudier les champs de vitesse de vents grâce à l’étude de la variation de fréquence du faisceau laser réceptionné (Chanin et al. (1989)). La détection hétérodyne permet de mesurer la différence de fréquence émission/réception qui est ensuite reliée au déplacement des particules et donc de la masse d’air les contenant. Ces lidars sont utilisés au niveau des aéroports et dans les avions afin de détecter les champs de turbulence, et dans le marché éolien afin de juger du potentiel éolien d’un site. Les lidars Raman utilisent également la déviation de fréquence, dite diffusion inélastique (Ansmann et al. (1990)). Dans ce cas, le décalage est dû à l’excitation et désexcitation de certains niveaux atomiques des molécules qui entraîne l’émission de rayonnement à une longueur d’onde spécifique pour chaque molécule. Pour étudier différentes molécules, les lidars doivent donc disposer des voies de réception adaptées pour chacune d’entre elles. Les lidars DIAL (Differential Absorption) permettent de mesurer la concentration des composés gazeux (H2O, CO2, O3). L’observation est basée sur l’émission d’un faisceau à 2 longueurs d’onde différentes (Geiger (1993)). L’une d’entre elles est située dans la bande d’absorption de la molécule considérée λON. L’autre, λOFF, est située sur une portion moins absorbante de la raie d’absorption. La quantité de molécules absorbantes est alors restituée en analysant le rapport des faisceaux rétrodiffusés à ces deux longueurs d’onde. Finalement, les lidars qui nous intéressent dans ce travail sont ceux dédiés à l’étude des aérosols. Une grande diversité d’instruments existent au sein de cette famille. Certains disposent de voies de réception avec mesure de dépolarisation, utile pour l’étude des particules non-sphériques. Certains instruments sont dotés de plusieurs longueurs d’onde. Le rapport des signaux reçus aux différentes longueurs d’onde (rapport de couleurs) donne une indication de la taille des particules.

Les instruments utilisés au laboratoire sont des micro-lidars CIMEL (CAML-CE370). Ce sont des instruments « simples » (une seule longueur d’onde, pas de dépolarisation), mais conçus de manière à pouvoir assurer un fonctionnement automatique et continu, ce qui est une condition nécessaire à l’étude des tendances et variabilités des aérosols pour différentes échelles temporelles (Spinhirne (1993); Welton et al. (2001)).

Caractéristiques instrumentales du LiDAR CIMEL

Figure 2.4 – Principe de détection du lidar. Le pulse laser émis est diffusé par les composantes atmosphériques et détecté par le télescope. Le décalage temporel entre l’émission du pulse et la réception donne l’altitude des centres de diffusion de la porte considérée.

Le CAML-CE370 est composé d’un laser Nd-Yag II qui émet des pulses laser à 532 nm, d’une durée d’une dizaine de nanosecondes et d’une énergie d’environ 20 ţJ1. La haute cadence de tirs (4,7 kHz) permet d’assurer une puissance de 100-150 mW en période de fonctionnement normal. Le pulse émis est propagé depuis le laser contenu dans le rack jusqu’au « télescope » (lunette) via une fibre optique de 10 m. L’emploi de la fibre optique permet de séparer la partie optique (en environnement extérieur) de la partie électronique qui pourra alors être isolée (température, humidité) plus facilement. En sortie de télescope, le faisceau laser a un diamètre d’environ 20 cm, qui est le diamètre du doublet de lentilles à l’extrémité de la lunette. À ce niveau, les conditions de sécurité oculaires sont respectées, ce qui permet de ne pas restreindre l’utilisation de l’instrument à certaines zones sécurisées.

Figure 2.5 – Photographie du rack lidar et parcours du faisceau laser (en vert).

Les aérosols et molécules situés dans le faisceau laser vont diffuser le rayonnement laser dans toutes les directions. Une partie du rayonnement sera donc diffusée dans la même direction et dans le sens opposé du faisceau incident. Cette fraction de rayonnement rétrodiffusé suit le trajet inverse du pulse émis, est focalisé par la lentille jusque dans la fibre optique, puis atteint, dans le rack, un système de séparateur de faisceau (miroir semi-réfléchissant incliné à 45ř). Il passe ensuite à travers un filtre centré en 532 nm d’une largeur de 0,2 nm afin de limiter le bruit de fond radiatif et de ne conserver que les photons à la longueur d’onde considérée. La détection est réalisée avec un compteur de photons (photodiode avalanche APD) dont les comptes numériques seront moyennés sur 4096 tirs par un FPGA (Field Programmed Gate Array) afin d’augmenter le rapport signal sur bruit (RSB). La détection est fractionnée en 2048 portes de 100 ns chacune. Ce découpage permet d’obtenir un profil de comptes numériques de 0 à 30 km avec une résolution spatiale de 15 m.

Lors de la phase d’émission, des réflexions aux extrémités de la fibre optique laissent pénétrer une fraction du pulse dans le circuit de détection. Afin de limiter la contribution de ce signal parasite, un modulateur acousto-optique synchronisé sur l’émission du pulse permet de dévier 99,9 % du signal. La fraction résiduelle reste néanmoins suffisante pour éblouir le compteur de photons pendant un court laps de temps. Les portes de réception concernées pendant cette durée sont inexploitables, c’est le phénomène « d’After Pulse ». Les premières mesures utiles du profil correspondent à une altitude de zmin ≈ 250 m selon les instruments.

Depuis décembre 2011 à Lille et juin 2013 à Mbour, les télescopes ont été placés au sein d’enceintes régulées thermiquement afin d’éviter les problèmes de condensation et de limiter d’éventuelles dépendances résiduelles du système optique à la température.

Les données sont envoyées toutes les 15 minutes au serveur informatique du laboratoire afin d’y être stockées et traitées en quasi temps réel.

Table : Principales caractéristiques du lidar.

Source : Thèse Augustin Mortier (Thèse de Doctorat - Université de Lille, 2013)

OSIRIS

Le but de ce projet est d'améliorer la caractérisation des propriétés radiatives et microphysiques des nuages ​​et aérosols dans l'atmosphère. Ces deux composantes atmosphériques et leurs interactions sont parmi les principales sources d'incertitude dans la prévision numérique du changement climatique. Dans ce contexte, nous avons conçu un nouveau polarimètre aéroporté pour mesurer les luminances directionnelles, totales et polarisées dans la gamme spectrale de 440 à 2200 nm. Cet instrument est basé sur le concept de POLDER, instrument qui était à bord du satellite PARASOL. Ce nouveau capteur se compose de deux systèmes optiques pour le visible à proche infrarouge (de 440 à 940 nm) et l'infrarouge à ondes courtes (de 940 à 2200 nm). Chaque système optique est composé d'une optique grand champ de vision (114 ° et 105 ° respectivement) associée à deux roues tournantes pour les filtres et les analyseurs interférentiels respectivement, et un tableau 2D de détecteurs. Pour chaque canal, les luminances totales et polarisées sont calculées en utilisant les mesures effectuées avec les trois analyseurs décalés d'un angle de 60 °. Grâce au large champ de vue optique, toute cible est vue sous plusieurs angles de vision pendant le mouvement de l'aéronef. Ce type d'instrument a été conçu pour l'analyse des propriétés microphysiques et optiques des aérosols ainsi que pour la détermination des propriétés microphysiques, macrophysiques et radiatives des nuages.

Photomètres

Cet instrument permet d'obtenir une grandeur, appelée épaisseur optique (sans unité), qui caractérise la transparence du milieu atmosphérique. Retenons que, plus la visibilité est réduite plus l'épaisseur optique sera importante. Considérons deux exemples extrêmes :

• ciel pur : aprés une pluie, l'atmosphère est généralement trés propre. La majorité des particules en suspension (les aérosols) a été "lessivée" par la pluie. Le ciel est alors trés pur (bleu!,la visibilité est trés bonne et le soleil éclatant. L'atmosphère est alors presque exclusivement composé des molécules de gaz (O2,N2,CO2,H20,...).
• brume et brouillard : A l'inverse la condensation de la vapeur d'eau (H20 sous forme gazeuse) réduit la transparence atmosphérique. L'atmosphère est alors trés opaque et l'épaisseur optique atmosphérique (molécules + brume) peut prendre des valeur trés importantes (1 à 10 voire au-delà). Dans le cas d'une brume peu épaisse, le soleil peut traverser et parvenir jusqu'au sol. Citons également l'effet des nuages d'altitude (cirrus) parfois semi-transparents qui peuvent réduire également l'énergie solaire arrivant au sol.

Entre ces extrêmes, on peut trouver différentes situations correspondant à des contenus en aérosols variables. Les figures suivantes montrent, en quelques points du globe, l'évolution temporelle sur une journée, de l'épaisseur optique atmosphérique corrigée de la contribution des molécules. Ainsi la quantité représentée est elle représentative des particules aérosols en suspension.

PLASMA

PLASMA (photomètre Léger Aéroporté versez la surveillance des masses d'air) est un photomètre de poursuite du soleil en fonction à bord d'un aéronef qui mesure AOD pendant le vol et fournissent donc spectrale AOD (de 0,34 à 2,25 et µm) en fonction de l'altitude. L'un des objectifs du plasma principal est la validation des profils verticaux AOD fournies par le lidar.

Présentation PLASMA

Radiomètres IR

CLIMAT CE-312 (modèle de terrain)

Un radiomètre infrarouge multicanal de terrain pouvant comporter jusqu’à six canaux dans la fenêtre spectrale de l’infrarouge thermique 8 14 µm a été conçu pour réaliser des mesures de luminance et de températures de brillance. La réalisation instrumentale a été conduite par la société CIMEL. L’analyse physique et la qualification des différentes étapes du développement de l’instrument ont été effectuées au LOA. Un prototype CE312T nommé CLIMAT (Conveyable Low-noise Infrared radiometer for Measurements of Atmosphere and ground surface Targets) a été qualifié au LOA.

Un radiomètre CE312 de nouvelle génération, aux caractéristiques optiques similaires au précédent, est désormais également utilisé.

CLIMAT CE-332 (modèle aéroporté)

Dans le cadre de nombreuses campagnes aéroportées effectuées par l’UMS SAFIRE (Service des Avions Français Instrumentés pour la Recherche en Environnement), il est apparu un besoin concernant l’équipement des avions de recherche (Falcon 20 et ATR-42) avec des radiomètres de nouvelle génération permettant la mesure du rayonnement dans le domaine infrarouge thermique. Dans ce contexte, un tel instrument a été conçu et réalisé par le Laboratoire d’Optique Atmosphérique de l’Université de Lille 1 - Sciences et Technologies en partenariat avec la société française CIMEL Electronique. Le financement de l’étude et de la réalisation du radiomètre infrarouge aéroporté CE332, ou CLIMAT AV (Conveyable Low-noise Infrared radiometer for Measurements of Atmosphere and ground surface Targets Airborne Version) a été assuré par une convention entre l’INSU/Division technique et le CAM/Météo-France.

Le radiomètre infrarouge aéroporté CLIMAT VA est installé de façon à effectuer des mesures de rayonnement ascendant simultanément dans trois canaux situés dans la fenêtre atmosphérique entre 8 et 14 µm de longueur d’onde par l’intermédiaire de filtres interférentiels à bande étroite.

Il est également destiné à être installé (labo sur le toit du P5) de façon à effectuer des mesures de rayonnement atmosphérique descendant.

Radiopolarimètres

Contenu disponible prochainement ...