S UIVI DES CONCENTRATIONS DES GAZ A EFFET DE SERRE DEPUIS L ’ ESPACE

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Une des préoccupations majeures actuelles concerne l'effet de l'augmentation des concentrations des gaz à effet de serre sur le réchauffement climatique. Notamment, l'étude du cycle du carbone et la détermination des puits et des sources des gaz à effet de serre tels que le dioxyde de carbone ou le méthane sont un enjeu majeur pour les années à venir. De nombreuses stations d'observation terrestres sont actives afin de quantifier ces gaz.

Cependant, les données récoltées par ces stations sont locales et ne permettent pas de mettre en évidence les flux des différents gaz à effet de serre. La mesure LIDAR par satellite répond à ce besoin de comprendre l'ensemble de ces flux. Une telle mesure permettrait d'obtenir une cartographie planétaire de la distribution du CO2, par exemple.

Figure 7 : Illustration du LIDAR gaz MERLIN (Methane Remote Sensing Mission) développé par le DLR (Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt) et le CNES (Centre

Nationale d'Etudes Spatiales)

Dans ce contexte applicatif, plusieurs études théoriques [Caron - 2009 ; Ehret - 2008] ont été réalisées afin de déterminer les raies d'absorption les plus adaptées à une mesure IP-DiAL depuis l'espace des gaz d'intérêt (CO2, CH4, NO2). Deux gammes spectrales ont été sélectionnées pour la caractérisation du dioxyde de carbone et du méthane : la première est située autour de 1,5 µm et la seconde gamme intéressante autour de 2 µm.

Exemples de développements

Ce paragraphe présente un état de l'art des instruments LIDAR en cours de développement dédiés au suivi des concentrations des gaz à effet de serre depuis l'espace. Notons ici qu'à ce jour il n'y a pas de satellites de mesure des gaz à effet de serre en orbite. La mission MERLIN dédiée au suivi en concentration du méthane est en préparation (Figure 7) ainsi que la mission ASCEND dédiée au suivi du dioxyde de carbone (NASA). Dans ce contexte du suivi des concentrations des gaz à effet de serre depuis l'espace, les spécifications associées au développement de ces instruments sont très exigeantes notamment vis à vis de l'émetteur [Ehret - 2008 ; Caron - 2009]. Ces spécifications émetteur sont détaillées dans la partie C de ce manuscrit. Afin de répondre à ces spécifications, plusieurs développements instrumentaux sont en cours de réalisation.

Le premier exemple concerne les développements réalisés par la NASA à 2 µm basés sur un émetteur laser injecté. Cet émetteur utilise un cristal en Tm,Ho:LiLuF permettant de délivrer des impulsions de 90 mJ afin d’atteindre une portée de 1,3 km pour la détection du dioxyde de carbone par mesure LIDAR résolue spatialement [Koch - 2008]. Récemment, des mesures LIDAR IP-DiAL aéroportées sur le CO2 ont été réalisées en détection hétérodyne sur des portées d'environ 3 km. Cette campagne de mesures démontre une précision sur la concentration moyenne en CO2 de 4 ppm environ [Spiers - 2011]. De plus, les lasers basés

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sur les cristaux Tm,Ho:YLF permettent aussi de réaliser un suivi en concentration des gaz à effet de serre autour de 2 µm. La première mesure LIDAR du dioxyde de carbone et de la vapeur d'eau atmosphériques a été réalisé avec un émetteur de ce type délivrant un rayonnement continu à 2,066 µm accordable sur 6 cm-1. Cette expérience montre une précision de mesure comprise entre 5 et 10 % sur les deux espèces atmosphériques [Taczak - 1998]. Néanmoins les gammes spectrales atteintes dans cet exemple ne correspondent pas aux spécifications pour les applications spatiales [Ehret - 2008 ; Caron - 2009]. En s'appuyant sur cette technologie, un LIDAR en détection cohérente permettant le suivi de la concentration en CO2 à 2,064 µm jusqu'à une altitude d'environ 1,5 km a été développé. Cet instrument permet également de réaliser une mesure du profil de la vitesse du vent [Le Rille - 2002]. De même, l’Institut Pierre et Simon Laplace [IPSL] a développé et testé un instrument lidar en détection hétérodyne autour de 2 µm permettant d’atteindre une portée kilométrique pour la mesure du CO2 atmosphérique. Pour cet instrument, l'émetteur délivre des impulsions de 10 mJ accordable entre 2050 et 2065 nm [Gibert - 2006 ; Gibert - 2008]. Néanmoins, ces instruments pour le spatial basés sur des émetteurs laser sont limités à une configuration de mesure mono-espèce car leur accordabilité est restreinte.

Par ailleurs, plusieurs développements d’instruments LIDAR sont en cours, émettant autour de 1,5 µm afin de pouvoir adresser le dioxyde de carbone et/ou le méthane. Par exemple, l’agence spatiale japonaise [JAXA] développe un LIDAR basé sur un OPO injecté permettant de suivre la concentration en dioxyde de carbone à 1,6 µm sur une portée de 2 km [Sakaizawa – 2009 ; Sakaizawa - 2010]. De plus, la NASA et le DLR développent des instruments LIDAR basés sur la même technologie OPO injecté pouvant détecter le méthane ou le dioxyde de carbone dans cette gamme spectrale [Riris – 2012 ; Amediek - 2008]. La NASA a démontré le potentiel de cette technologie au travers de campagnes de mesures aéroportées utilisant le technique de mesure IP-DiAL avec une détection directe sur le méthane à 1,65 µm [Riris - 2012] et sur le dioxyde de carbone à 1,57 µm [Abshire 2013] avec des portées supérieures à 10 km. Le DLR est impliqué dans le développement de deux instruments basés sur des OPOs pour sonder simultanément deux espèces : le CO2 et le CH4

à 1,57 µm et 1,64 µm respectivement [Fix - 2011].

De plus, des travaux récents de la NASA ont montré les bénéfices apportés par un instrument multi-longueurs d'onde [Numata - 2012] générant jusqu'à vingt longueurs d'onde pour le sondage d'une espèce. En effet, un émetteur multi-longueurs d'onde a le potentiel de réaliser des mesure multi-espèces. Enfin, un instrument LIDAR IP-DiAL multi-espèces permettant d'adresser quatre espèces (CH4, CO2, H2O et CO) a été testé lors de campagnes de mesures au sol avec une portée de 11 km [Numata - 2014]. Cependant, cet instrument est composé de trois émetteurs le rendant complexe.

De plus, le suivi de la qualité de l'air est intéressant pour la prédiction du climat dans les décennies ou les siècles à venir. Par exemple, le Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement [LSCE] cherche à comprendre les évolutions du climat à toutes les échelles temporelles afin de pouvoir prédire les changements climatiques auxquels seront soumis la planète dans les prochaines décennies et les prochains siècles. L’objectif est de quantifier et comprendre l’évolution récente des flux de gaz à effet de serre, aérosols et gaz réactifs, et des échanges d’énergie et d’eau des surfaces continentales. Le projet RAMCES a permis une mise en commun des ressources de plusieurs stations en Europe. Au travers de ce projet, le suivi en concentration de divers gaz comme CH4, CO2, NO2 a été réalisé à l'aide de divers instruments dont un LIDAR installé sur le site du LCSE.

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IV. Analyse des besoins de nouvelles briques technologiques

L’état de l’art montre le potentiel des mesures lidar dans le cadre de ces diverses applications. Cependant, les développements effectués jusqu’à présent ont des limites.

Ainsi, une analyse des besoins de nouvelles technologies pour les développements de l’émetteur concernant les trois applications envisagée ci-dessus est menée ici à partir de l’état de l’art fait précédemment.

La détection d’explosif et de gaz de combat

Les OPOs et QCLs sont les deux technologies émetteur largement accordables entre 8 et 12 µm actuellement utilisés pour la détection d'espèces dangereuses par mesure locale ou par mesure IP-DiAL courte portée (typiquement < 100 m). L'objectif est alors de favoriser davantage la détection multi-gaz et multi-longueurs d'onde à l'aide d'émetteur largement accordable. Mais surtout, il convient d'aller vers des systèmes LIDAR à base de QCLs de plus grande portée et atteindre le kilomètre. Cette application est étudiée à l’Onera au travers de la thèse de Q. Clément. Elle ne fait pas l'objet direct des développements de cette thèse.

Cependant, nous avons été amenés à collaborer ensemble sur ce sujet car la source développée au cours du chapitre C a été mise en œuvre pour l’amplification d’un QCL au cours de ma thèse [Clément - 2013]. Cette expérience a fait l’objet d’une publication reportée en Annexe E.

Le suivi de la qualité de l’air et des polluants industriels

Au travers des différents développements évoqués dans le I, nous avons pu constater qu'il existe une multitude d'émetteurs. En effet, les applications étant diverses, les spécifications liées à chacune de ces applications sont uniques. L'inconvénient majeur des instruments actuels reste leur encombrement et leur complexité. En effet, les installations sont soit fixes soit contenues dans un camion. A présent, le but est de se diriger vers des systèmes de mesure LIDAR plus compacts et transportables. Plus particulièrement, au cours de cette thèse des développements ont eu lieu afin de développer un instrument IP-DiAL compact et transportable sur site industriel. Ces travaux sont présentés dans le chapitre B de ce manuscrit.

Le suivi de gaz à effet de serre depuis l’espace

De nombreux instruments sont développés pour le suivi de concentration de gaz à effet de serre depuis l'espace basé sur des technologies émetteurs différentes. La plupart de ces instruments sont dédiés à l'étude d'une seule espèce car leur accordabilité est limitée. Par ailleurs, quelques émetteurs développés pour cette application permettent de réaliser des mesures LIDAR multi-longueurs d'onde et multi-espèces. Cependant, la plupart des instruments multi-espèces sont constitués d'un émetteur par espèce d'intérêt. A présent, l'objectif est de développer un unique émetteur permettant d'adresser plusieurs gaz à effet de serre. Les développements effectués au cours de cette thèse sur ce sujet sont présentés dans le chapitre C. Par ailleurs, la mesure LIDAR multi-longueurs d'onde permettant d'émettre plus que deux longueurs d'onde pour sonder une même espèce, semble une piste intéressante à explorer. Une réflexion sera initiée au cours de cette thèse sur ce sujet aussi bien dans le chapitre B que dans le chapitre C.

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L ES DEVELOPPEMENTS EFFECTUES AU COURS DE CETTE THESE

Dans le cadre des travaux de cette thèse, nous proposons d’explorer les possibilités de mesure des espèces minoritaires telles que CO2, CH4 ou H2O, dans l'infrarouge proche et moyen. Pour cela, nous avons développé deux instruments LIDARs s’appuyant sur la technologie OPO :

(1) Un premier instrument dédié au suivi de concentration de gaz pour des applications de type industrielles. Afin de disposer d’un instrument compact et facilement transportable, nous nous attacherons à développer un émetteur compact, multi-espèces, et nous l’intégrerons dans un instrument permettant d'effectuer des mesures IP-DiAL avec une portée de l’ordre de 100 m. La gamme spectrale accessible grâce à cet instrument sera comprise entre 3,3 et 3,7 µm permettant de mesurer de nombreux polluants industriels comme les COVs (l'acétone, le propylène ...), le dioxyde d'azote (NO2) et certains gaz à effet de serre comme le méthane ou la vapeur d'eau.

(2) Un second instrument dédié au suivi des concentrations de gaz à effet de serre, multi-espèces. Le but de ce développement est ici de répondre aux besoins des applications spatiales en démontrant la possibilité d’un instrument tri-espèces (CO2, CH4, H2O) autour de 2 µm à partir d’une seule architecture. Il s'agira de montrer le potentiel de l’architecture émetteur retenue pour cette application. Pour cela, la mise en place d'un système LIDAR longue portée depuis le sol ainsi que la mise en place d'un code numérique de modélisation de l'instrument sera effectué.

Pour ces deux instruments, la problématique du nombre de longueurs d’onde à émettre pour répondre au mieux aux différents scénarios de détection sera abordée dans le domaine spectral moyen infrarouge permettant cibler les polluants industriels d’un part et les gaz à effet de serre d’autre part.

P LAN DU MANUSCRIT

Mon travail de thèse s’inscrit dans cette problématique de détection et quantification de gaz à l’état de traces dans l’atmosphère. Il consiste à développer et caractériser deux instruments LIDAR capable de réaliser des mesures de concentrations multi-longueurs d’onde et multi-espèces à l’aide d’un seul émetteur. Ainsi, pour plus de clarté, les deux instruments sont présentés dans deux chapitres distincts. Le manuscrit est constitué de trois chapitres :

Dans le chapitre A, nous nous intéressons dans un premier temps aux notions de base concernant la mesure LIDAR DiAL. Ensuite, un état de l’art au niveau des instruments LIDAR est présenté concernant différentes applications. Enfin, nous présentons la brique technologique constituant les émetteurs développés au cours de cette thèse en rappelant succinctement quelques notions d'optique non linéaire.

Le chapitre B est consacré au développement et à la caractérisation d'un instrument IP-DiAL destiné au suivi du méthane dans le cadre de la surveillance des sites industriels. Les mesures LIDAR intégrée colonne multi-espèces sont présentées et étudiées. Une analyse critique des performances de l'instrument est réalisée. Les sources de bruit principales de la mesure sont identifiées et la portée maximale de l'instrument ainsi que sa sensibilité sont

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estimées. Et enfin, nous proposons des pistes d'amélioration pour l'instrument en termes d'optimisation de la portée et de la robustesse.

Le chapitre C est dédiée aux travaux réalisés sur le développement d'un émetteur permettant de réaliser des mesures LIDAR dans la gamme spectrale à 2 µm. Dans un premier temps, le contexte de développement ainsi que les spécifications de l'émetteur liées à l'application du suivi des gaz à effet de serre dans le contexte spatial sont présentés. Ensuite, nous aborderons les développements effectués sur l'émetteur dédié aux mesures LIDAR DiAL résolue spatialement autour de 2 µm. En particulier, nous présentons les améliorations apportées à un banc existant d'un point de vue notamment énergétique et spectral. Par ailleurs, un code de modélisation de l'instrument a été développé à cette occasion afin de prévoir les performances de notre instrument. Enfin, plusieurs perspectives d'améliorations sont dégagées.

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Chapitre A : Introduction - Principe de la mesure lidar et sources laser OPO adaptées aux mesures visées

Objectif du chapitre :

Dans ce chapitre, nous rappelons le principe d’une mesure lidar ainsi que les notions de base associées dont notamment les deux techniques de mesure utilisés au cours de ces travaux. De plus, des rappels sont faits sur l'optique non linéaire et la source OPO utilisée. Les propriétés d’émission, en particulier spectrales, intéressantes pour la mesure lidar multi-espèces sont présentées.

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