Objectifs scientifiques
Cette demande de soutien à la Division Technique de l’INSU s’inscrit dans le cadre de la coopération DT-INSU/GSMA (Groupe de Spectrométrie Moléculaire et Atmosphérique) sur le développement de sondes laser sous ballon pour la mesure de vapeur d’eau H2O, de dioxyde de carbone CO2 et de méthane CH4 par spectrométrie infrarouge à diodes laser. Cette technique a été développée conjointement depuis 1996 par ces deux unités. Elle a fait l’objet du développement successif des spectromètres à diodes laser embarqués sous ballons stratosphériques SDLA (Spectromètres à Diode Laser Accordables), MicroSDLA puis Pico-SDLA.
Le développement de ces instruments a lieu dans un contexte de besoin important en mesure d’espèces impliquées dans l’équilibre radiatif et chimique de la stratosphère. La tendance en vapeur d’eau stratosphérique est un sujet d’étude primordial étant donné son influence sur la couche d’ozone et le climat. La mesure de vapeur d’eau stratosphérique représente un véritable challenge technique. De nombreux hygromètres ont été développés pour sonder l’interface troposphère-stratosphère. Cependant, différents hygromètres peuvent afficher des écarts de mesure allant jusqu’à 50% du rapport de mélange typique moyen dans la stratosphère (<10 ppmv). Ces écarts limitent notre progression dans la compréhension des processus complexes qui régulent l’humidité de la stratosphère.
En complément de la vapeur d’eau, le dioxyde de carbone et le méthane sont deux gaz à effet de serre majoritaires dans l’atmosphère. Le méthane est aujourd’hui qualifié de « bombe climatique » du fait de son pouvoir radiatif très important (27 fois supérieur au CO2) et du risque d’émission élevé lié à la fonte du permafrost qui est redouté dans un avenir proche.
Dans ce contexte, les instruments Pico-SDLA ont été développés afin de documenter l’évolution temporelle de l’abondance de ces gaz à effet de serre et de conduire des recherches sur les processus dynamiques qui contrôlent l’abondance de ces gaz à effet de serre dans la stratosphère.
Description technique
Le principe de mesure repose sur la propagation d’une onde laser dans le milieu à sonder. La longueur d’onde d’émission est centrée sur une raie d’absorption de la molécule à détecter. Le parcours optique est ouvert à l’atmosphère. Sur ce parcours, une portion de l’énergie lumineuse est absorbée par les molécules visées. Le signal est ensuite détecté par une photodiode. L’ajustement des moindres carrés d’un modèle d’absorption sur la raie mesurée permet de déduire la concentration du gaz.
Les paramètres physiques nécessaires à l’ajustement des spectres atmosphériques sont la pression et la température. L’instrument comprend donc également un senseur de pression et plusieurs sondes de température. Il est à noter que la précision de la concentration mesurée est directement proportionnelle à celle de la pression. La mesure précise de ce paramètre est donc d’une grande importance. Pour cette raison, nous utilisons des manomètres parmi les plus précis à des mesures dans l’atmosphère. Un système électronique mixte analogique/numérique est piloté par un microcontrôleur afin de réaliser l’ensemble du séquencement nécessaire à la bonne mesure scientifique. Ces instruments fonctionnent dans des environnements à faible pression (jusqu’à 5 mbar) et basse température (jusqu’à -85°C) et sont donc équipés de protections thermiques adéquates.
Rôle de la DT-INSU
Pico-STRAT Bi-Gaz
Développé dans le cadre de Stratéole-2, le chantier pour son développement a consisté à revoir tout le système électronique (basé sur les briques des Pico-SDLA), de développer le logiciel embarqué adapté à cette mission et enfin de reprendre la nacelle d’un point de vue mécanique et thermique. Une des contraintes fortes était d’atteindre un budget de masse inférieure à 5 kg, sachant que pour des raisons de pollution, la partie optique de la nacelle est suspendue à 2,5 m sous la NCU Zéphyr.
L’instrument a été développé sur la période 2015- 2018, validé sur plusieurs campagnes de mesures ballons du CNES et testé en chambre de simulation SIMEON au CNES. Il a été opéré lors de la campagne de validation de Stratéole-2 à la fin 2019.
Stratéole-2 est un projet qui repose sur 3 campagnes ballons longue durée dans la ceinture tropicale. Stratéole-2 est la mission prioritaire dans le cadre de l’ « Étude de la haute troposphère / basse troposphère par ballons » du CNES pour la prospective 2019-2024. Le GSMA et la DT-INSU font partie du consortium scientifique de cette mission avec le déploiement des spectromètres Pico-STRAT Bi-Gaz.
Le premier vol sous BPS de Pico-SDLA STRAT Bi-Gaz (Pico-SDLA adapté à la campagne Stratéole-2) pour cette campagne a eu lieu le 4 décembre 2019 et a duré 80 jours suspendu sous la nacelle Zéphyr TTL2. Ce premier vol a été un succès pour la voie vapeur d’eau avec plus de 130 000 spectres atmosphériques de très bonne qualité enregistrés.
D’octobre 2021 à février 2022, 4 Pico-STRAT Bi-Gaz ont été lancés depuis les Seychelles pour la première campagne scientifique. Ils ont réalisé des vols de 30 à 56 jours dans la ceinture tropicale. Les données recueillies comptent plus de 300 000 mesures de vapeur d’eau, méthane et dioxyde de carbone à une altitude comprise en 18,5 et 20,5 km, donnant lieu à un travail de recherche de plusieurs années. L’analyse est actuellement en cours au GSMA. Les observations préliminaires montrent la richesse de ce jeu de données avec l’influence de méchanismes de natures différentes.
La seconde campagne scientifique aura lieu fin 2025 / début 2026 et consistera pour la DT au développement et AIT de 3 sondes H2O/CO2 et 1 sonde H2O/CH4. Ce travail a été déjà effectué en 2020/2021 et il s’agit de reproduite (en partie par la sous-traitance), le même ensemble d’instruments.
Hygromètre Pico-Light H2O
Le développement de cet instrument a bénéficié des avancées mises en oeuvre sur l’instrument Pico-STRAT Bi-Gaz. En effet, l’allègement de l’électronique, l’optimisation de la structure mécanique et thermique, nous ont permis de développer un premier démonstrateur en 2018 pour la campagne StratoSciences 2018 à Timmins (Canada). Ce premier vol test a permis d’aboutir à une version fonctionnelle de l’hygromètre. Depuis lors, 2 vols de cette dernière version ont été réalisés depuis la base de lancement du CNES à Aire-sur-l’Adour (France) les 19 février et 16 octobre 2019.
Une demande APR CNES a été effectuée pour des vols à Kiruna en juin 2024 en parallèle de l’instrument FIRMOS-B, ainsi que des vols d’intercomparaison à Aire-sur-l’Adour en septembre 2024. Cette double participation nécessitera la duplication d’un instrument PicoLight H2O.
ANR BOOST3R PicoSDLA-CH4 version anneau
Cette partie de la demande concerne le développement d’une mesure de méthane par une cellule multipassage (différence de la mesure actuelle en trajet optique directe de 3 m) afin de compacter cet instrument. L’ensemble du système diode laser, de contrôle commande et d’acquisition est le même. Le travail préparatoire a été effectué pour l’injection du faisceau laser dans l’anneau. Il reste à produire les pièces, les intégrer et réaliser des premiers tests sur table optique.
Contact DT : Nadir Amarouche
Contact GSMA : Georges Durry