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Présentation de Pico-SDLA

Thématique INSU : Océan – Atmosphère / atmosphère

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Les Spectromètres à Diode Laser Accordables (ie de la famille SDLA) développés à la Division Technique depuis 1996 sont des instruments embarqués sous ballon stratosphérique. Ils sont destinés aux mesures in situ de vapeur d’eau, du dioxyde de carbone et du méthane.

Lancer de ballon

L’étude de la tendance de la vapeur d’eau stratosphérique est un sujet de préoccupation majeur de par l’impact que pourrait avoir une augmentation de la teneur en vapeur d’eau sur l’équilibre radiatif et chimique de la stratosphère et directement sur la couche d’ozone. Le développement d’une sonde de vapeur d’eau fiable pour la stratosphère fait l’objet de travaux intenses au niveau international. Le développement de sources laser de nouvelle génération émettant vers 2,7 µm (transitions d’absorption intenses de la vapeur d’eau) rend possible le développement de sondes laser de faibles masses par réduction du parcours d’absorption (plus de cuve optique à réflexions multiples comme sur SDLA) lançable sous ballons météo (500 à 1500 m3, polyéthylène, RAVEN).

La mesure du CO2 est également extrêmement intéressante pour le monitoring global et la validation satellitaire à partir de sonde sous ballons météo. Ceci peut être réalisé avec la même technologie de diode laser vers 2,68 µm. La mesure du méthane avec une sonde nécessite par contre l’utilisation de lasers émettant à 3,3 µm. Les objectifs d’un senseur laser compact (<5 kg) pour CH4 sont multiples : monitoring global du CH4 comme gaz à effet de serre, validation satellitaire, utilisation du méthane comme traceur dynamique pour les études dans la haute troposphère/basse stratosphère (UT/LS), le méthane comme source de H2O dans la stratosphère (oxydation).

Schéma de la nacelle de mesure de Pico-SDLA

Ces instruments légers, développés conjointement pour la partie technique à la DT-INSU et dont les données sont traitées par l’équipe scientifique du GSMA, ont réalisé durant cette période une campagne de mesure dans le cadre de l’ANR appelé TROPICO.

Le projet ANR TRO-pico (2012-2015), porté par Emmanuel Rivière au GSMA, visait à étudier l’entrée de vapeur d’eau dans la stratosphère en région tropicale (région de Bauru au Brésil), et plus généralement, le bilan de l’eau dans la TTL. Ce projet a été accepté à l’appel d’offre 2010 de l’ANR programme blanc et a fait l’objet de campagne de près de 20 vols des instruments PicoSDLA HO, CO2, CH4) en 2012 et 2013.

L’instrument PicoSDLA-H2O a ensuite participé en mai 2013 à une campagne internationale d’inter comparaison de la mesure de la vapeur d’eau dans une chambre de simulation atmosphérique.
La qualité de mesure de ces instruments leur ont permis d’être retenus pour les futures campagnes CNES Stratéole-2 (vol longue durée > 3 mois) afin de mesurer en continu dans la zone d’altitude 18-20 km la vapeur d’eau ainsi que le méthane et le dioxyde de carbone.
Cela fait l’objet de développement de nouveaux systèmes électronique et logiciel afin de gérer de façon autonome ces vols longue durée. Des tests technologiques via des campagnes au Canada (2014-2015) sont menés.

Description technique

Le principe de mesure de PicoSDLA est la propagation d’une onde laser dont la longueur d’onde est centrée sur une raie d’absorption de la molécule à détecter. Le parcours optique est ouvert à l’atmosphère. La mesure de l’absorption sur l’onde optique détectée est ensuite inversée pour obtenir une concentration du gaz. Associé à cet ensemble diode laser / photodiode, l’instrument comprend un senseur de pression et de capteur de températures (nécessaire à l’inversion des mesures effectuées). 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.

Pour le développement de ces instruments, la DT assure un certain nombre d’activités :

  • Coordination technique du projet
  • R&D Diode Laser
  • Conception de la mécanique, de l’électronique de commande des lasers, du système d’acquisition et du logiciel embarqué automatique de la sonde
  • Développement des sondes
  • Mise en œuvre sur le terrain

Campagnes de mesure

Durant la période 2011-2014, les instruments PicoSDLA ont participé à plusieurs campagnes ballon et campagne d’inter-comparaison.

2011 (avril) :
Campagne Ballons CNES Kiruna (Suède)
Vol H2O avec instruments ELHYSA du LPC2E
Vol CH4/CO2 avec instruments TWIN (Univ. Francfort)

Mesures de profils de vapeur d’eau durant l’ANR Tropico

2012-2013  :
- Campagne ballons à Bauru (Brésil)
Instrument Pico- H2O : + 18 vols
Instrument Pico-CO2 : 2 vols
Instrument Pico-CH4 : 2 vols
Vols opérés par les équipes brésiliennes et DT-INSU/GSMA.

2013  :
Campagne d’inter comparaison H2O Karlsruhe en chambre de simulation atmosphérique.

2014 (août/sept) :
- Campagne Ballon CNES Timmins, H2O, CO2 et CH4 en parallèle d’autres instruments du LMD, LPC2E, Univ Francfort

Perspectives

Les instruments PicoSDLA sont clairement identifiés au sein de la communauté atmosphère ballon comme instruments de référence pour des nouveaux instruments utilisant d’autres techniques de mesure (H2O : SAWfPHY LMD, CO2/CH4 : mesure par prélèvement AirCore LMD, Univ Francfort).
En 2014-2016 ces instruments seront rendus complètement autonomes, basse consommation (mode sommeil) et capables de faire des mesures de façon intermittente (1 série de mesures par heure, paramètre configurable).
Des vols de tests sont programmés en 2015 lors d’une campagne ballon CNES à Timmins (Canada).
Le but visé est de s’inscrire dans les vols scientifiques de longue durée (environ 3 mois) pour la campagne Stratéole-2 qui se déroulera vers 2018-2019 dans la zone équatoriale.

Pour plus d’informations, voir le document présenté à la revue de fin de phase A de Stratéole-2.

Personnels DT impliqués dans le projet

  • Nadir Amarouche : coordination projet, électronique laser, logiciel embarqué, mise en œuvre terrain
  • Fabien Frérot : développement carte électronique, routage, intégration, mise en œuvre terrain
  • Jean-Christophe Samaké : développement structure mécanique / intégration Pico-H2O, CH4 et CO2, mise en œuvre terrain
  • Christophe Berthod : calculs de structures, certifications
  • Louis Rey-Grange (apprenti) : développement structure mécanique Pico-CH4 en 2011 (version prototype).

Précédentes versions de SDLA

Micro-SDLA
SDLA-LAMA

Contact : Nadir Amarouche