2.2 Instruments à bord de l’ATR-42
2.2.1 Mesures In-situ
Divers instruments ont été utilisés lors des deux campagnes afin de caractériser les masses d’air d’un point de vue microphysique et chimique. Ainsi, pour déterminer les concentrations en gaz CO, un analyseur de type 48CTL de Thermo Environmental Ins-trument fut installé sur l’appareil. C’est un insIns-trument basé sur le principe de l’absorption infrarouge par la bande principale d’absorption du CO, à 4.67 µm [Nedelec et al., 2003]. La sensibilité est de 5 ppbv pour une précision de 5% et un temps de réponse de 30 secondes. La concentration en CO est particulièrement importante pour indiquer si la masse d’air échantillonnée est influencée par des processus de combustion datant de 10-20 jours. La mesure d’ozone est déduite d’un photomètre UV avec une précision de 1-2 ppb et un temps de réponse d’une seconde. La figure 2.2 montre un exemple de mesures des concentrations d’ozone et de CO pendant le vol du 11 avril. Ces mesures permettent de mettre en avant
– la composition des panaches traversés comparé à l’air clair arctique. Dans ce cas, on note des variations importantes de concentration en CO, de l’ordre de 100 ppb entre 10h00 et 11h30 et vers 12h30 (les valeurs minimales observées ce jour là, cor-respondant à la concentration en CO pour la troposphère arctique "propre", sont de l’ordre de 130 ppb). Ceci témoigne de la traversé de masses d’air pouvant pré-senter des aérosols de combustion ayant été transportés à longue distance jusqu’en Scandinavie.
– des intrusions stratosphériques caractérisées, à la fois par une augmentation en concentration d’ozone et une baisse en concentration de CO.
– les soulèvements de la couche limite (PBL) marqué par une diminution en concen-tration d’ozone comparée à la teneur dans la troposphère libre. Dans cet exemple, la concentration d’ozone dans la PBL (explorée entre 11h45 et 12h15) s’élève entre 20 et 30 ppb alors que la concentration moyenne dans la troposphère libre est autour de 50-60 ppb. Ceci est en accord avec la perte d’ozone liée à des processus chimiques près de la surface arctique à cette période de l’année.
Les concentrations en aérosols ont été mesuré en combinant plusieurs instruments. – Le FSSP-100 est un granulomètre qui dimensionne sur 16 classes de diamètre les
gouttelettes entre 2 et 47 µm.
– le CPC est un compteur de noyaux de condensation qui détecte toutes les particules dont le diamètre est supérieur à son diamètre limite de détection. Les diamètres limites de détection définis à 50% d’efficacité de comptage sont respectivement de 10 nm pour le CPC3010 et 25 nm pour le CPC3025 . Le flux d’aérosol prélevé passe par une chambre chauffée (saturateur) contenant du butanol sous forme liquide pour augmenter la taille de l’aérosol. Les particules sont ensuite détectées optiquement en étant éclairées par une source lumineuse laser et diffusant suivant la théorie de Mie.
– Une sonde spectromètre des aérosols, "Passive Cavity Aerosol Spectrometer Probe" (PCASP FSPP-200) qui donne le nombre de particules dans 30 classes de taille entre 0.1 et 3 µm. Le PCASP est composé d’un faisceau laser et d’un système optique.
Les particules qui traversent le faisceau laser diffusent de la lumière dans toutes les directions. La dimension de la particule est déduite de la mesure de l’intensité lumineuse en utilisant la théorie de Mie dans l’hypothèse d’une particule sphérique d’indice de réfraction 1.58. Les incertitudes associées au PCASP ont été estimés à 10%. Notons que la différence entre l’intégrale du PCASP et les particules détectées par le CPC permet de quantifier la fraction des particules fine (<100nm).
– un "Scanning Mobility Particle Sizer" (SMPS) composé d’un "Differential Mobility Analyser" (DMA) et d’un compteur de noyau de condensation. Le DMA permet de séparer les particules en fonction de leur diamètre de mobilité électrique. L’air, préa-lablement débarrassé des plus grosses particules (>1µm) grâce à un impacteur, est chargé électriquement grâce à une source radioactive de Kr85. Un champ électrique permet de séparer les particules porteuses de charges identiques (théorie de sépara-tion des charges) en foncsépara-tion de leur mobilité électrique donc de leur diamètre. Un CPC 3010 placé en sortie permet de compter le nombre de particules sélectionnées par le DMA. En variant l’amplitude du champ électrique dans la colonne (entre 0 et 10000V), on peut balayer une large gamme de diamètre de particules ( de 10 à 300 nm), avec une résolution temporelle de 3 minutes.
La figure 2.3 montre une coupe méridienne de la concentration en aérosol avec le CO le long d’une portion du vol, effectuée sur un palier à 5000 mètres, du 10 avril. Ce type de graphe a été réalisé pour chaque vol. Dans cet exemple, en dessous de 70.4˚N, les masses d’air rencontrées sont plus riches en CO avec des valeurs autour de 180 ppb contre 150 160 ppb au nord. On distingue aussi une plus grande concentration en particules comme le montre les plus forts signaux pour le compteur optique et le PCASP. Notons aussi que les variations relatives des concentrations de CO sont bien corrélées à celles du PCASP, ce qui traduit une présence de plus grosses particules dans les masses d’air aux plus grandes teneurs en CO.
2.2.2 Télédétection Lidar LNG
Le lidar LNG (Leandre 1 nouvelle génération) est un lidar rétrodiffusion à trois lon-gueurs d’onde : 355, 532 et 1064nm. Le principe du lidar consiste à envoyer une impulsion laser dans l’atmosphère. Les molécules, les particules d’aérosols, les gouttelettes d’eau et les cristaux de glace présents sur le trajet du faisceau laser diffusent l’onde laser dans toutes les directions. Le télescope, dont l’axe optique est parallèle au trajet d’émission du laser, récupère le champ diffusé vers l’arrière (rétrodiffusion). En sortie du télescope, le signal rétrodiffusé est collecté sur un détecteur. Une description détaillée du principe lidar est faite dans l’Annexe B.
La polarisation est indispensable pour analyser les différences de forme de particules (sphérique contre non-sphérique) et LNG a été équipé de cette mesure. LNG fourni des profils de coefficient de rétrodiffusion total atténué aux trois longueurs d’onde. LNG
per-2.2. Instruments à bord de l’ATR-42
Figure 2.2 – Série temporelle sur les concentrations d’ozone (en rouge) et de CO (en bleu) mesurées lors du vol 35 du 11 avril 2008 par la sonde 48CTL. La courbe verte montre la trajectoire en fonction de l’altitude de l’avion.
Figure 2.3 – Mesure du nombre de particules effectuée par le PCASP (courbe bleue) et le CPC3010 (courbe noire) pendant le vol 34 du 10 avril entre 69.8 ˚N et 71.2˚N. Les valeurs de concentration de CO sont tracées en rouge et l’altitude de l’avion en mètres, divisée par un facteur 5, en vert.
seront détaillés dans le paragraphe suivant. LNG est une nouvelle version du lidar à ré-trodiffusion aéroporté LEANDRE déjà utilisé dans plusieurs études sur la dynamique de l’atmosphère [Flamant et al.(1996), J. Pelon] et sur la caractérisation de l’aérosol [Pelon et al., 2002]. En terme de sécurité oculaire, l’énergie maximale permise à 355nm est 15000 fois plus importante que celle à 532nm. On peut donc travailler à énergie plus forte et à champ réduit ce qui permet d’augmenter le rapport signal sur bruit et de réduire les effets de la diffusion multiple. A 532 et 1064 nm, pour garder une distance de sécurité de 500 m en sortie de l’avion le champ à ces longueurs d’onde sera large, donc sensible au phénomène de diffusion multiple. Notons, que la géométrie de la mesure entraine une zone “aveugle“ à partir de la zone d’émission (où la mesure ne peut être faite) différente selon des longueurs d’onde. Ainsi, à 355 nm, elle est d’environ 500 mètres et elle est de l’ordre de 200 à 300 mètres à 532 et 1064 nm. Les longueurs d’onde à 532 et 1064 nm sont également les longueurs d’onde du lidar de CALIOP basé sur la plateforme CALIPSO. Nous avons plus particulièrement focalisé notre attention sur ces deux longueurs d’onde. Le canal à 355 nm sera utilisé principalement afin d’obtenir une mesure du coefficient de rétrodiffusion total atténué sur les deux polarisations (355k, 355⊥. Les mesures à haute résolution spectrale sur le canal 355k n’ont pas pu être utilisées pendant cette campagne. Les caractéristiques du lidar LNG sont présentées dans le tableau 2.1
Table 2.1 – Caractéristiques du lidar LNG
Longueurs d’onde émises (nm) 355(k et ⊥) 532 1064
Énergie émise (taux réponse 20Hz) 50mJ 10mJ 80mJ
Divergence du laser 0.16mrd 4mrd 6.5mrd
Taille du spot @5km 0.8m 20m 33m
Largeur du filtre 5nm 0.2nm 1nm
Transmission Max.Filtre (%) 25 25 30
Diamètre du Télescope 30cm
Échantillonnage temporelle et verticale 20 MHz ou 7.5 m
Résolution verticale 30m (4points)
Séparation horizontale (tir à tir) 4-5m (à la vitesse de l’ATR42)