Mesure des gaz atmosphériques par LIDAR

La surveillance des gaz dans l’atmosphère recouvre des enjeux extrêmement variés, selon les espèces chimiques observées. On peut notamment citer la climatologie, la météorologie, l’environnement, la santé publique, la sécurité industrielle, la défense, l’énergie, et même l’économie et la finance ! Cependant, le milieu atmosphérique, transparent à l’œil nu, insaisissable matériellement, et étendu dans les trois dimensions de l’espace, n’est pas un milieu facile à étudier. Bien sûr de nombreux instruments sont capables de mesurer la concentration d’une grande diversité d’espèces chimiques in situ. Mais bien qu’extrêmement utiles, de telles mesures sont par définition ponctuelles, très limitées dans l’espace. C’est pourquoi il est particulièrement intéressant de développer des outils permettant de caractériser le milieu atmosphérique à distance.

Pour cela, la technique LIDAR (Light Detection and Ranging) dispose d’un potentiel remarquable. Il s’agit d’une technique de télédétection analogue au RADAR (RAdio Detection And Ranging), mais pour laquelle l’émetteur, le plus souvent un laser, fonctionne dans le domaine des fréquences optiques. La longueur d’onde émise étant très petite (< 20 µm), elle est capable d’interagir avec les molécules de gaz et les particules de poussière en suspension dans l’atmosphère. En captant la très faible fraction de lumière rétrodiffusée par les molécules et les aérosols atmosphériques, il est possible d’accéder, par divers procédés, à un grand nombre de propriétés atmosphériques, et notamment à la concentration des gaz en présence. De plus, l’interaction laser-matière étant continue au fil de la propagation du rayon laser dans l’atmosphère, la technique lidar permet des mesures non seulement à distance, mais également résolues spatialement le long de l’axe de visée. La technique lidar est donc susceptible de délivrer beaucoup plus d’informations qu’une instrumentation in situ.

Les deux principales techniques lidar permettant de mesurer à distance le profil de concentration d’un gaz sont le lidar Raman, et le lidar DIAL (Differential Absorption Lidar). Cet article propose une introduction à ces deux techniques. Les bases physiques de la spectroscopie Raman et de la spectroscopie d’absorption sont exposées, ainsi que la manière de les mettre à profit dans des systèmes lidars. Des exemples de systèmes opérationnels et de mesures de concentrations de gaz sont également commentés à des fins d’illustrations. Enfin, une discussion est proposée, visant à faire ressortir les avantages et les inconvénients respectifs de ces deux méthodes.

Le lecteur trouvera en fin d’article un glossaire et un tableau des sigles, notations et symboles utilisés.