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Présentation de SDLA-LAMA

Lancer des ballons et décollage de la nacelle

Spectromètre à
Diode
Laser
Accordable

Laser pour
l’ Analyse du
Méthane
Atmosphérique

L’instrument SDLA-LAMA est un spectromètre à diode laser, embarquable sous ballon, destiné à la mesure in situ , dans la haute troposphère et la stratosphère, de la vapeur d’eau et du méthane.

Objectifs scientifiques

Présentation

Le méthane et la vapeur d’eau sont des éléments déterminants dans la compréhension des mécanismes radiatifs, chimiques et dynamiques de l’atmosphère. Le méthane et la vapeur d’eau sont tous deux des gaz à effet de serre qui contribuent à l’évolution du climat.

Ces deux espèces interviennent également dans le bilan de l’ozone. Ainsi, le méthane joue un rôle important dans la partition du chlore, via la conversion de Cl en HCl. Quant à la vapeur d’eau, elle est un des éléments déterminants dans la formation des nuages stratosphériques polaires.

La mesure simultanée permise par le spectromètre SDLA-LAMA, de CH4 et de H2O, est intéressante car ces deux espèces sont couplées chimiquement (via, par exemple la réaction d’oxydation par OH du méthane en vapeur d’eau dans la basse stratosphère). Le méthane, par sa durée de vie, par sa concentration (de l’ordre du ppmv, donc accessible à la mesure) est un bon traceur dynamique des masses d’air. La détermination des profils verticaux de concentration du méthane devrait donc permettre d’approfondir la compréhension des phénomènes de transport atmosphérique.

Développement de SDLA-LAMA

Dans le développement de l’instrument, on essayera de tirer profit des progrès récents effectués dans la technologie des diodes laser dans le proche infrarouge (entre 1 et 2 µm) conçues essentiellement pour les télécommunications optiques.

Les diodes utilisées sont en InGaAs, de type DFB (Distributed Feed Back, un réseau gravé dans la zone active de la diode effectue une sélection spectrale fine des modes d’émission). Elles présentent les performances nécessaires pour la détermination d’espèces en faible concentration par spectroscopie d’absorption :

  • une bonne monochromaticité,
  • une accordabilité sur un domaine spectral de quelques nanomètres,
  • une puissance de l’ordre de quelques mW bien adaptée à la détermination de profil d’absorption d’espèces moléculaires comme le méthane ou la vapeur d’eau, à des pressions et températures atmosphériques.

De plus, avec cette technologie, un simple effet Peltier est suffisant pour contrôler la température de la diode laser et obtenir une émission optique stable, ce qui permet le développement de spectromètres de grande compacité

Dans le domaine spectrale d’émission de ces diodes laser, des raies du méthane (autour de 1,65 µm) et de la vapeur d’eau (autour de 1,39 µm) sont accessibles à la mesure. Dans un premier temps, des diodes laser commercialisées ont été achetées (Sensors Unlimited Inc.) pour développer une première version de l’instrument.

Dans le cadre plus général des spectromètres à diodes, un laboratoire industriel a été chargé par le CNES de la mise en place d’une filière technologique pour la construction de diodes laser InGaAs de hautes performances ayant une longueur d’onde d’émission à choisir entre 1 et 2 µm. Des diodes laser optimisées issues de ce projet seront utilisées ultérieurement dans le cadre de SDLA-LAMA.

Schéma de principe de la détection différentielle appliquée à l’instrument SDLA-LAMA.

Performances de SDLA-LAMA

Au niveau des performances attendues de l’instrument, la mesure du méthane et de la vapeur d’eau entre 10 et 40 km d’altitude nécessite une sensibilité maximale de 10e-5 en absorption. La fréquence des mesures est de l’ordre de 1 Hz (une mesure de concentration de CH4 et de H2O toutes les secondes). La résolution spatiale espérée dans la détermination des profils de concentration est alors de l’ordre de 10 m en ballon.

Gros plan sur la nacelle

Le but prioritaire fixé est la construction d’une version opérationnelle du spectromètre embarquable sous ballon (type ballon stratosphérique ouvert) afin de tester la validité des concepts développés, notamment l’emploi des diodes laser InGaAs.

A plus long terme, on essayera d’améliorer la sensibilité du spectromètre, afin de rendre possible la mesure d’autres espèces moléculaires, également accessibles dans le domaine spectral d’émission des diodes laser InGaAs, mais nécessitant une sensibilité supérieure d’un ou deux ordres de grandeur (HCl, HF, CO, 13CH4, CO2).

Responsabilités de la Division Technique

  • Maîtrise d’oeuvre technique du projet
  • Options techniques et conception de l’instrument, réalisation, intégration
  • Mise en oeuvre opérationnelle

Campagnes de mesure

Campagne du 25 septembre 2003 à Aire sur l’Adour

Contact : Nadir Amarouche