Le lidar est l’unique technique permettant l’obtention de la distribution verticale des particules

L’approche multi-instrumentée

Tandis que les instruments de mesure in situ déterminent les propriétés optiques des aérosols localement et que les observations passives fournissent une information sur leur contenu intégré sur la colonne d’air, le lidar est l’unique technique permettant l’obtention de la distribution verticale des particules. Le lidar est l’acronyme du terme anglo-saxon « LIght Detection and Ranging » qui signifie « Détection et télémétrie à l’aide de la lumière ». Cet instrument est né dans les années 60 après la découverte de l’effet laser. Le lidar est un système de télédétection active constitué d’un laser qui émet un signal à des longueurs d’onde présentant un intérêt atmosphérique et d’un dispositif de réception et de traitement de ce signal (Collis, 1969). Le principe de la mesure lidar est similaire à celui du RADAR (RAdio Detection And Ranging) ou du SODAR (SOund Detection And Ranging) mais avec un rayonnement électromagnétique polarisé qui peut aller de l’ultraviolet à l’infrarouge thermique. Un faisceau laser est envoyé dans le milieu où il interagit par diffusion et absorption avec les aérosols et les molécules présents dans le milieu. Une fraction de la lumière est rétrodiffusée vers un télescope ou l’équivalent (système de lentilles) pour constituer le signal lidar. Le signal est détecté par un photomultiplicateur ou une photodiode à avalanche, puis analysé, numérisé et enregistré grâce à une chaîne électronique. Le temps écoulé entre l’émission de l’onde et sa réception fournit la distance de la cible à l’émission laser. L’amplitude du signal et sa dépendance spectrale donnent une indication sur sa nature. La télédétection active est une méthode de mesure non intrusive, c’est-à-dire qu’elle ne perturbe pas les propriétés fondamentales du milieu sondé, ce qui est un avantage indéniable dans l’observation de la pollution atmosphérique. Ce sont les propriétés optiques de l’aérosol ou des nuages ou bien les concentrations de certaines molécules d’intérêt comme l’ozone ou encore les variables météorologiques (pression, températures, humidité, vent) qui peuvent être ainsi restituées dans leur milieu naturel et analysées. Elle présente également l’avantage de donner un accès quasiment direct aux informations structurales (altitude, épaisseur) des couches diffusantes sur toute une colonne d’air et non de façon ponctuelle. Le Lidar peut effectuer ses mesures au sol, mais il peut également être embarqué sur un avion, un ballon, un bateau, une navette spatiale ou même un satellite (e.g. mission CALIPSO) (Fig. 3.20). Cette information peut être directement utilisée par les modèles de chimie transport ou les modèles de circulation générale. Elle prend tout son intérêt lorsqu’elle est utilisée en synergie avec des mesures effectuées à partir d’autres capteurs. La mesure lidar constitue alors un complément utile aux données issues des observations in situ ou passives et fournit des informations innovantes pour une meilleure compréhension de l’atmosphère. Elle trouve de nombreuses applications en qualité de l’air par le suivi des panaches de pollution urbaine ou industrielle, mais également pour l’étude du transfert radiatif.

Lidar à rétrodiffusion Mie

On considère dans cette étude exclusivement des lidars à rétrodiffusion Mie caractérisés par une émission laser pulsée, dans une configuration monostatique paraxiale (i.e. non coaxiale) car les axes d’émission du faisceau laser et de réception du télescope sont pratiquement parallèles, et une détection incohérente sensible au signal brut, par opposition à une détection hétérodyne qui combine le signal reçu à celui d’un oscillateur local. Le lidar à rétrodiffusion est le plus ancien (1968) et le plus simple des lidars. Il permet l’étude des processus de diffusions élastiques dans l’atmosphère, accompagné d’une détection directe de la puissance rétrodiffusée. L’atmosphère peut ainsi être sondée pour restituer les propriétés des aérosols ou des nuages. La plupart des lidars à rétrodiffusion offrent en plus la possibilité de mesurer certaines propriétés de polarisation du faisceau rétrodiffusé. Un schéma de fonctionnement du lidar est présenté sur la Fig. 3.21. filtres interférentiels, d’une séparatrice de polarisation et d’un détecteur (le photomultiplicateur) réalisant la conversion en signal électrique. Le télescope de réception est caractérisé par sa surface collectrice, son champ de vue et son rendement optique. Le photomultiplicateur est caractérisé par son rendement quantique et sa puissance équivalent de bruit (« Noise equivalent power » : NEP). Lorsque le flux de photons incidents atteignant la cathode du photomultiplicateur est inférieur au seuil de saturation (~300 photons par µs) pour que le nombre de photoélectrons arrachés par effet photoélectrique puisse être considéré linéaire avec le nombre de photons incidents, on utilise le mode de détection « comptage de photons ». Un compteur enregistre alors le nombre d’impulsions électriques générées par les photoélectrons. Dans le cas où le nombre de photons peut aboutir à une saturation, on a recours au mode de détection analogique. Ce dernier mode de détection a été le plus utilisé dans ce travail. Le courant moyen de sortie du détecteur est ici échantillonné par un analyseur de transitoires.