Réseau LIDAR

Le contexte scientifique

Nous savons tous que les aérosols atmosphériques affectent la qualité de l'air que nous respirons mais savons peut-être moins que ces microparticules influencent aussi le climat de notre planète. La diversité et la variabilité de leurs caractéristiques (propriétés physico-chimiques) ainsi que leur localisation dans l’atmosphère compliquent leur quantification, leur surveillance ainsi que l’évaluation de leurs différents impacts. La compréhension des mécanismes qui les impliquent repose, entre autres, sur leur observation dans leur environnement naturel. Les mesures de télédétection passives réalisées par les photomètres solaires automatiques du réseau AERONET nous informent sur leurs propriétés moyennes sur la colonne atmosphérique mais ne donnent cependant pas accès à l’altitude de ces diverses couches de particules. A l’inverse, des systèmes de télédétection actifs tels que les LIDAR nous informent en premier lieu sur l’altitude des couches particulaires. Selon leur caractéristiques techniques, ils peuvent mesurer la puissance laser rétrodiffusée selon un processus élastique ou inélastique (Raman). L’exploitation de ces mesures permet idéalement de déterminer les profils verticaux du coefficient d’extinction aérosols, de rétrodiffusion aérosols, tous deux dépendants de la concentration en particules (paramètres « extensifs »). Le rapport entre ces deux grandeurs optiques , appelé un peu abusivement « rapport LiDAR », n’est pas dépendant de la concentration mais lié à la nature, dimension et forme de l’aérosols (paramètre « intensif »). De plus, certains LiDAR mesurent la puissance laser rétrodiffusée dans deux directions de polarisation, respectivement parallèlement et perpendiculaire à la direction de polarisation du faisceau émis. La puissance radiative rétrodiffusée dans la direction perpendiculaire est généralement très faible, voire nulle, et augmente notablement lorsque la forme des particules s’écarte de la sphère. Le rapport entre ces deux puissances est appelé dépolarisation volumique et peut être utilisé pour identifier la présence de particules non sphériques telles que cristaux de glace ou aérosol d’origine désertique. Enfin, les propriétés de l’aérosol ambiant étant fonction de ses propriétés hygroscopiques et de l’humidité atmosphérique (vapeur d’eau), certains systèmes LIDAR permettent de mesurer le profil vertical du rapport de mélange de la vapeur d’eau et apportent ainsi une information précieuse pour interpréter l’évolution des propriétés aérosols.

En 2010, l’éruption du volcan Islandais Eyjafjallajökull et ses impacts socio-économiques ont souligné le besoin de renforcer le dispositif de surveillance depuis le sol. Ce dispositif est constitué par des instruments de recherche (EARLINET, GALION, CIS-LINET, AD-NET,…) fonctionnant rarement en continu et heureusement complété par des micro-LIDAR commerciaux et parfois des ceilomètres, compacts, robustes et automatiques qui sont de plus en plus exploités quantitativement par les sciences de l’atmosphère (validation de modèles transport, validation des satellites, assimilation par les modèles) et s’organisent en réseau (ex MPLNET aux USA, réseau de Météo France, …). Sur le territoire national, le SOERE/IR ACTRIS-FR (initialement SOERE ORAURE) intègre plusieurs Services Nationaux d’Observation (INSU/CNRS), met en œuvre différents types d’instruments, harmonise et centralise leur données et produit les paramètres atmosphériques nécessaires aux scientifiques. Il en est de même au niveau Européen avec le projet d’infrastructures ACTRIS. Enfin, Météo France a démarré en 2016 un réseau de micro-LIDAR opérationnels dont les données alimenteront aussi la communauté recherche.

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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