Les chercheurs ont développé un nouveau système lidar qui a été utilisé à bord de l'avion de recherche allemand HALO (High Altitude and Long-Range Research Aircraft) pour acquérir les premières mesures simultanées de la structure verticale de la vapeur d'eau et de l'ozone dans la région de tropopause de l'atmosphère. Crédit : DLR
Les chercheurs ont développé un système laser qui peut être utilisé pour la mesure aéroportée de gaz atmosphériques importants avec une précision et une résolution sans précédent. La capacité de collecter ces données aidera les scientifiques à mieux comprendre comment ces gaz atmosphériques affectent le climat et pourrait aider à améliorer les prévisions du changement climatique.
Dans la revue Optical Society Optique appliquée , chercheurs du Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)—Centre national allemand de l'aérospatiale, recherche sur l'énergie et les transports - décrivez comment leur instrument lidar a été utilisé à bord d'un avion pour acquérir les premières mesures simultanées de la structure verticale de la vapeur d'eau et de l'ozone dans la région de tropopause de l'atmosphère. Les chercheurs disent que le nouveau système pourrait même être utile pour surveiller les gaz atmosphériques depuis l'espace.
La tropopause sépare la couche de troposphère de surface où se déroule le temps de la stratosphère sus-jacente qui contient la couche d'ozone qui protège la vie sur Terre des radiations nocives. Les scientifiques veulent étudier la vapeur d'eau et l'ozone dans la tropopause car la répartition de ces gaz atmosphériques dans cette couche joue un rôle crucial dans le climat terrestre.
"La capacité de détecter la structure verticale de la vapeur d'eau et de l'ozone est essentielle pour comprendre l'échange de ces gaz atmosphériques entre la troposphère et la stratosphère, " dit Andreas Fix, qui a dirigé l'équipe de recherche. "Ces mesures pourraient nous aider à identifier les erreurs et les incertitudes dans les modèles climatiques qui aideraient à améliorer les prévisions du climat futur, qui est l'un des enjeux centraux de notre société et de notre économie."
Acquérir une perspective 3D
Les gaz atmosphériques peuvent être évalués à l'aide d'instruments transportés dans l'atmosphère ou à l'aide de données acquises à partir de satellites. Cependant, ces méthodes n'ont pas été en mesure de fournir une image complète de la distribution des gaz atmosphériques parce qu'elles manquent de la composante verticale ou ne fournissent pas une résolution suffisamment élevée. Bien que les instruments transportés avec des ballons, appelés sondes à ballon, puissent fournir des profils verticaux hautement résolus, ils n'offrent pas de résolution temporelle détaillée et ne peuvent être utilisés que sur des sites sélectionnés.
Le nouveau système lidar a été utilisé pour les mesures atmosphériques aéroportées lors de la mission d'échange isentropique entraîné par les ondes (WISE), qui impliquait plusieurs vols long-courriers au-dessus de l'Atlantique Nord et de l'Europe du Nord. Crédit :DLR
Pour résoudre ces problèmes, les chercheurs ont développé un système lidar qui utilise la lumière laser pour mesurer à la fois l'ozone et la vapeur d'eau. Leur approche, appelé lidar à absorption différentielle (DIAL), utilise deux longueurs d'onde UV légèrement différentes pour mesurer chaque gaz. Le rayonnement UV à une longueur d'onde est principalement absorbé par les molécules de gaz tandis que la plupart des autres longueurs d'onde sont réfléchies. La mesure du rapport des signaux UV revenant de l'atmosphère permet le calcul d'un profil gazeux détaillé.
Les profils de gaz créés à l'aide du nouveau système lidar présentent une résolution verticale d'environ 250 mètres et une résolution horizontale d'environ 10 kilomètres sous la trajectoire de vol de l'avion.
"Cette capacité verticale est une avancée significative dans l'étude des processus d'échange à la tropopause, " a déclaré Fix. "Cela aide à surmonter les lacunes importantes dans la résolution de la distribution à petite échelle qui ont rendu difficile la compréhension des processus responsables de l'échange à la tropopause. "
Atteindre l'efficacité énergétique
Pour effectuer cette méthode à bord d'un avion, les chercheurs ont utilisé un oscillateur paramétrique optique (OPO) hautement efficace qu'ils avaient précédemment développé pour convertir la sortie laser aux longueurs d'onde UV nécessaires pour mesurer la vapeur d'eau et l'ozone. "La conversion doit être très économe en énergie pour générer un rayonnement UV avec des énergies d'impulsion adéquates et une puissance moyenne élevée à partir de l'énergie limitée disponible à bord d'un avion, " expliqua Fix.
Les tests du nouveau système lidar ont montré que sa précision correspondait bien à celle des sondes à ballon. En 2017, les chercheurs ont fait voler le nouveau système à bord de la mission WISE (wave-driven isenttropic exchange), qui impliquait plusieurs vols long-courriers au-dessus de l'Atlantique Nord et de l'Europe du Nord. Ils ont trouvé que l'instrument fonctionnait remarquablement bien, est resté stable pendant l'utilisation et a pu mesurer les distributions caractéristiques de l'ozone et de la vapeur d'eau à la tropopause.
Les chercheurs prévoient d'analyser les nouvelles données de composantes verticales acquises pendant WISE et de les intégrer dans les modèles climatiques. Ils prévoient d'utiliser l'instrument pour collecter des informations sur les gaz atmosphériques à bord de futurs vols.
