Objectifs scientifiques
Les Spectromètres à Diode Laser Accordables (c’est-à-dire 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, de dioxyde de carbone et de méthane.
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 du fait que sa mesure in situ représente un véritable challenge technique. En effet, depuis 40 ans, les intercomparaisons instrumentales d’hygromètres en vol ou en chambre de simulation sont sujettes à des biais et contaminations difficiles à contrôler.
La mesure de CO2 et de CH4 in situ, pour leurs rôles de gaz à effet de serre mais également de traceurs dynamiques atmosphériques, est également extrêmement intéressante pour le monitoring global et la validation satellitaire de missions telles que OCO-2 ou MERLIN. En effet, le succès scientifique de ces nouvelles missions repose sur la précision des mesures apportées. Les niveaux à atteindre aujourd’hui (précision meilleure que 1%) sont très difficiles à atteindre.
Actuellement, notre objectif majeur est la participation de l’instrument Pico-SDLA Bi-Gaz (H2O/CO2), développé à la DT-INSU depuis 2015, aux campagnes Stratéole-2 (vols longue durée dans la TTL équatoriale). Un de nos objectifs premiers concerne la campagne de validation de 2018 (décalée en 2019) d’un instrument. L’analyse des résultats de cette première campagne est en cours. Trois instruments supplémentaires par campagne scientifique seront déployés en 2021 et 2024. A cette occasion, les instruments voleront à 2,5 m sous la nacelle Zéphyr à une altitude de 18,5 km pendant près de 3 mois.
En préparation à ces campagnes, nous avons développé et validé ce nouvel instrument lors de plusieurs campagnes ballons du CNES durant les 4 années précédentes. Le but était d’atteindre les objectifs en terme de masse, encombrement, consommation, sans dégrader la qualité des mesures dans un environnement extrême (alt. 18,5 km, température -70°C/-90°C).
En parallèle, grâce à un travail de miniaturisation de l’hygromètre Pico-SDLA H2O, un second objectif a été de développer un hygromètre opérable sous ballon sonde (masse nacelle scientifique inférieure à 3 kg) qui soit mis à disposition de la communauté scientifique via le Transnational Access. Un objectif à court terme consiste à étalonner cet hygromètre face à des standards du système international en collaboration avec trois instituts métrologiques nationaux et américains (LNE-Cnam, LNE-CETIAT et NIST, projet à soumettre à l’APR CNES 2021).
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.
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.
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.
Contact DT : Nadir Amarouche
Contact GSMA : Georges Durry