GIBERT
Fabien GIBERT
"Télédétection du CO2 atmosphérique par Lidar DIAL Doppler Hétérodyne à 2
microns"
Le lundi 21 Novembre à 9h30
dans l'amphithéatre Carnot, Ecole Polytechnique, Palaiseau
devant le jury composé de :
Philippe CIAIS, Directeur de Recherche CEA, LSCE, rapporteur
Georges DURRY, Professeur,Université de Reims, SA,rapporteur
Hervé LE TREUT, Directeur de Recherche CNRS, LMD, examinateur
Pierre H. Flamant, Directeur de Recherche CNRS, LMD, directeur de thèse
Jacques PELON, Directeur de Recherche CNRS, SA, examinateur
Berrien MOORE, Professeur, Durham, University of New Hampshire, USA, examinateur
Pierre CELLIER, Directeur de Recherche CNRS, INRA, invité
Résumé :
Le dioxyde de carbone (CO2) est actuellement le 1er gaz d'origine
anthropique à contribuer à l'effet de serre. Sa concentration dans
l'atmosphère atteint aujourd'hui 375 ppm, concentration qui n'a jamais été
atteinte depuis 400000 ans. L'analyse de carottes de glace dans
l'Antarctique montre par ailleurs une forte corrélation entre la
température de surface du globe et la concentration de CO2. Ces
observations laissent présager que les émissions anthropiques de CO2
pourraient induire une perturbation du système climatique bien au-delà de
sa variabilité naturelle. Un réseau dobservations en surface, constitué
d'environ une centaine de station, s'est construit progressivement depuis
les années 50. Cependant la couverture temporelle et spatiale de ce réseau
est limitée pour contraindre les modèles climatiques. La télédétection
passive spatiale dans un premier temps puis active par LIDAR ont ainsi vu
le jour pour répondre à un besoin de mesures globales de la concentration
du CO2 atmosphérique.
Dans le but de cadrer l'étude instrumentale et de comprendre les processus
naturels: photosynthèse, respiration et mélange à l'origine de la
variabilité du rapport de mélange en CO2 dans la couche limite
atmosphérique (CLA) de la région parisienne, un modèle a été réalisé en
collaboration avec l'INRA et le LSCE. Il permet de faire le lien entre
l'écosystème à l'échelle locale et des mesures de concentration réalisées
en surface, représentatives du transport à moyenne échelle. Ce modèle
montre que des flux minimum de CO2 en surface sont typiquement de -25
mol.m-2.s-1 pendant la période de pleine croissance de la végétation
(identifiée fin avril début mai) alors que les flux nocturnes dus à la
respiration se répartissent entre 3 et 8 mol.m-2.s-1. Ces résultats
dépendent des conditions météorologiques et sont le reflet de l'écosystème
du Sud-Ouest parisien, de la période des cultures, de la couverture
forestière (~ 30 %) et des perturbations anthropiques majoritairement due
au trafic routier au printemps, été et début de l'automne. Les résultats
montrent aussi une bonne modélisation de la photosynthèse par une simple
proportionnalité avec le flux solaire visible.
Dans le cadre de cette thèse, un LIDAR de démonstration a été réalisé puis
testé et utilisé pour déterminer les concentrations du CO2 atmosphérique
et caractériser les échanges de ce gaz dans la troposphère. Différenets
méthodes ont été mises en oeuvre: LIDAR rétrodiffusion pour une vue
globales des conditions atmosphériques, des aérosols et des nuages et pour
l'analyse de la situation météorologique, LIDAR DIAL pour la mesure de
concentration du CO2, résolue spatialement et temporellement, pour
analyser les processus de la photosynthèse et de la respiration et les
perturbations anthropiques, LIDAR Doppler pour la compréhension de la
dynamique atmosphérique en lien avec la variabilité de la concentration du
CO2, pour l'analyse du mélange et de l'advection de différentes masses d'air.
Le système DIAL a permis d'obtenir des résultats prometteurs quant à la
mesure du rapport de mélange en CO2 avec une précision proche de 1 %.
Les mesures horizontales dans la couche limite et les mesures
verticales de contenu intégré dans toute la CLA ont été comparées aux
mesures in situ effectué au LSCE distant de quelques kilomètres de
l'École Polytechnique. Les comparaisons sont bonnes (moins de 1 % lorsque
les mesures in-situ et DIAL sont effectuées dans la même masse d'air) et
les écarts (supérieurs à 1 % ) peuvent s'interpréter en terme de
représentativité spatiale suivant les conditions météorologiques et la
proximité de sources anthropiques, comme l'agglomération parisienne. Par
ailleurs le travail de thèse montre que des nuages de moyenne et de haute
altitude peuvent être utilisées pour effectuer des mesures dans la
troposphère libre. Enfin l'analyse des processus naturels effectuée dans
le travail de modélisation a montré la possibilité d'une séparation claire
entre les rapports de mélange dans la couche nocturne et dans la couche
résiduelle. En effectuant des tirs à 16° d'inclinaison on a mis en
évidence la stratification verticale de l'atmosphère en rapport de mélange
de CO2 corrélé avec le coefficient de rétrodiffusion, la vitesse et la
direction du vent horizontal. Ces mesures montrent tout le potentiel d'une
mesure DIAL résolue verticalement pour analyser les processus naturels ou
anthropiques à l'origine des variations du rapport de mélange en CO2 dans
la CLA.
Pour conclure un travail de modélisation instrumentale a été réalisé pour
définir les caractéristiques d'un nouveau système capable de répondre aux
objectifs scientifiques pour la réalisation à terme de mesures aéroportées
et spatiales.
