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Etudes des Gaz à Effet de Serre
Objectifs scientifiques
L’augmentation des émissions de gaz à effet de serre (GES) et de leurs impacts sur l’évolution des conditions climatiques sont devenus un enjeu majeur pour notre société actuelle. Les hypothèses du groupe international d'experts sur le changement climatique (GIEC, IPCC) prédisent un doublement de la concentration en dioxyde de carbone (CO2) avant la fin de ce siècle. Mais la concentration d'autres gaz à effet de serre au pouvoir radiatif supérieur à celui du CO2 augmente, comme par exemple, le méthane (CH4) et le protoxyde d’azote (N2O). C’est pour cette raison que depuis plus de 10 ans, certains chercheurs de l’unité ont orienté leurs recherches vers cette problématique et travaillent sur la mesure précise et rapide des GES (plus particulièrement sur le CO2, N2O, CH4 et H2O) à l’aide de techniques spectroscopiques, car les instruments ne sont pas commercialement disponibles.
Afin de mieux comprendre les processus qui contrôlent les flux de ces gaz à effet de serre, leur évolution, les puits et sources, une modélisation est nécessaire. Pour pouvoir bien modéliser les concentrations de gaz à effet de serre, il convient de disposer de mesures in situ très précises, cela implique donc d’avoir des instruments de mesures extrêmement performants : précis, sensibles, sélectifs, rapides, autonomes, compacts, avec un faible coût de fonctionnement et, si possible, multi-espèces. Même s’il existe de nombreuses techniques de mesures de gaz (spectroscopie de masse, chromatographie en phase gazeuse, de chimiluminescence, optique …), aucune d’entre elles ne présentent tous ces avantages. Cependant, la spectroscopie d’absorption IR par diodes laser accordables offre bon nombre d’atouts par rapport aux autres techniques. Elle permet d’atteindre de hautes précisions sur les mesures de concentration (de l’ordre du pourcent), une grande sensibilité (jusqu’à 0.05 %) de hautes résolutions temporelles (jusqu’à la milliseconde), une grande dynamique de mesures (de plusieurs ordres de grandeur) et une grande sélectivité dans la détection des espèces moléculaires grâce à un choix approprié des transitions moléculaires de rotation-vibration.
Depuis 2012, nous avons entrepris le développement de nouveaux senseurs compacts novateur (< 3 kg) pour la mesure in situ, précise (< 1%) et rapide (< 1 s) de gaz à effet de serre (CH4, CO2, H2O). Ces senseurs appelés AMULSE « Atmospheric Measurements by Ultra Light SpEtrometer » (PI Lilian Joly) permettent la mesure précise de la concentration in situ pour mieux comprendre les processus et d’améliorer les modèles existants concernant l’émission de gaz à effets de serre de sources naturelles ou humaines. Nous nous sommes fixés un poids maximum de 3 kg d’une part pour pouvoir faire des mesures de profils de GES sous ballons météo (0-30 km d’altitude) n’importe où en respect avec la réglementation internationale et d’autre part pour atteindre d’autres types de porteurs : ballons captifs, drones ... Il y a un réel besoin de la communauté scientifique/industrielle à disposer de ce type de senseur.
- 2018-2020 : Projet CHAT/LEFE FAMOUS (Intégration d'une mesure rapide d'humidité sous ballon captif)
- 2018-2023 : Projet Européen Horizon 2020 - Research and Innovation Framework Programme - HEMERA Integrated access to balloon-borne platforms for innovative research and technology – Responsable du GSMA (L. Joly) pour la partie instrumentale et l’utilisation des instruments AMULSE
- 2016-2020 : Contrat industriel en collaboration avec TOTAL : AUSEA Airborne Ultra-light Spectrometer for Environmental Application
- 2017 : projet CNES Ballon TOSCA pour des mesures d’inter comparaison sur les profils des gaz à effet de serre en Australie
- 2016 : projet CNES Ballon TOSCA pour des mesures d’inter comparaison sur les profils des gaz à effet de serre à Kiruna
- 2016 : projet CNES lanceur
- 2015 : projet CNES Ballon TOSCA pour des mesures d’inter comparaison sur les profils des gaz à effet de serre au Canada
- 2015 : projet Instrumentation limite projets CNRS APPOGEE (Atmospheric Profiles of GreenhousE gasEs)
- 2013-2015 : projet CNES Tosca: Mesure de profils in situ de gaz à effet de serre (CO2/CH4) dans la troposphère (0-11000m) pour l’aide à la validation des satellites MicroCarb et Merlin.
- 2012-2015 : Projet Emergence Gmini : Détecteur de Gaz à effet de serre miniaturisé à spectrométrie d’absorption en collaboration avec l’UTT (Sylvain Blaise)
Durant ces 4 dernières années, Amulse a participé à 7 campagnes de mesures :
- Quatre campagnes CNES dont trois avec la division ballon stratosphérique (2017 : Australie, 2016 : Laponie, 2015 : Canada) pour l’inter-comparaison et la validation des mesures d’AMULSE et une avec la division lanceur pour mieux comprendre l'impact des vols des lanceurs sur l'ozone stratosphérique et de valider les modélisations par prélèvement in situ (LSCE, LPC2E, LATMOS, GSMA et CERFACS).
- Deux campagnes avec Météo France de mesures de profils sous petit ballon météo. L’un des objectifs de la dernière campagne qui a commencé en 2017 et qui continue en 2018 est d’effectuer ces mesures sous ballon météo en co-localisation avec le satellite IASI (https://iasi.cnes.fr/), en orbite autour de la terre, développé conjointement par le CNES (Centre National d’Etude Spatiale) et EUMETSAT (Organisation européenne pour l'exploitation des satellites météorologiques). Ces données issues de l’instrument AMULSE permettront d’avoir des données comparatives qui peuvent permettre de valider les modèles météorologiques du CNRM/Météo France. De plus, l’alliance de l’ensemble de ces mesures offre une opportunité d’analyse des processus physico-chimiques restant encore peu étudiés dans la stratosphère et l'interface entre la troposphère et la stratosphère dit communément UTLS (Upper Troposphere – Lower Stratosphere).
- Magic-Comet
Outils informatiques AUSEA
Dans le cadre du projet AUSEA en collaboration avec TotalEnergie, des outils de traitement et de suivi temps réel des concentrations de l’instrument AUSEA ont été développés par le GSMA.
Mesures des GES à partir de spectromètre à transformée de Fourier
Depuis janvier 2020, notre équipe a intégré le réseau COCCON qui utilise un maillage à l'échelle européennede spectromètres EM27/SUN pour le suivi à long terme, des 3 principaux gaz à effet de serre (H20, CO2, CH4) mais également de CO, N2O et HF.
Cet instrument est basé sur un spectromètre à transformée de Fourier à basse résolution couplé à un héliostat (Sun tracker) afin de se servir du soleil comme source et d'en tirer la radiance au sol une fois toute l’atmosphère terrestre traversée. Il présente un excellent outil d'analyse et de suivi par télédétection de la concentration des gaz à effet de serre. Par ailleurs, l'instrument offre l'avantage d'être robuste et compact, ce qui le rend facilement déployable sur des sites de mesures.
Ainsi il est utilisé au sein de notre équipe en 2 modes :
- 1. En mode « campagne » : l'instrument a déjà participé à de nombreuses campagnes de mesures en France et en Europe au travers des campagnes MAGIC
- 2. Un mode « mesures en continu » tout au long de l'année et lorsque l'instrument n'est pas déployé en campagne de mesure, celui-ci est situé sur le toit du bâtiment 6 où il effectue de manière autonome des enregistrements dès que la météo le permet.
Contact : Bruno Grouiez, Lilian Joly, Abdelhamid Hamdouni
