Potentialités d’une mesure télédétectée du dioxyde de carbone atmosphérique par spectrométrie par transformation de Fourier statique

L’origine humaine du réchauffement climatique global ne fait aujourd’hui plus de doute. Les émissions anthropiques de gaz à effet de serre entraînent la hausse de la température moyenne mondiale. L’ampleur et la rapidité du réchauffement commencent à devenir préoccupantes. Les conséquences du réchauffement pour notre environnement peuvent être grâves. Les espèces vivantes incapables de s’adapter au changement climatique sont menacées. Les effets du réchauffement peuvent avoir des répercussions particulièrement néfastes pour l’humanité telles que la diminution des récoltes, la montée du niveau des océans. . . La société doit réagir de manière adaptée face à ce problème. La recherche climatique est une source d’information cruciale pour les décideurs. Afin d’apporter les réponses les plus détaillées, la communauté scientifique a besoin d’importants moyens expérimentaux. En particulier, des mesures toujours plus précises et nombreuses des paramètres climatiques sont nécessaires. Dans ce cadre, le domaine spatial offre des solutions de mesures globales prometteuses. Un satellite unique peut compléter un réseau mondial de mesure au sol, en particulier dans les zones qui ne sont pas couvertes par ce dernier.

Connaissance actuelle du dioxyde de carbone atmosphérique 

Le dioxyde de carbone est le principal gaz à effet de serre d’origine anthropique [IPC01]. Il est essentiellement issu de la combustion des sources d’énergie fossiles telles que le charbon et le pétrole. La concentration atmosphérique en dioxyde de carbone a augmenté rapidement depuis le début de l’ère industrielle. La concentration du gaz carbonique mesurée au sol se caractérise à la fois par une variation annuelle cyclique et par une tendance à l’augmentation. Cette dernière est due aux émissions anthropiques qui déséquilibrent le cycle naturel du carbone. Le taux d’accroissement de la concentration est toutefois amorti. On constate que notre environnement absorbe de manière systématique la moitié des émissions anthropiques. Une entité appelée puits de carbone prélève la fraction manquante de nos émissions. La nature ainsi que la localisation de ce puits demeurent méconnues. De ce fait, on ne peut pas prévoir avec certitude l’évolution à venir de la concentration en dioxyde de carbone. Des intérrogations subsistent par exemple quant à la constance du puits. Si celui-ci venait à saturer, l’augmentation de la concentration en dioxyde de carbone accélèrerait, avec pour effet l’amplification du réchauffement climatique.

Actuellement, l’étude des puits et des sources de carbone repose sur un réseau de mesure au sol. On estime les flux par modélisation inverse du transport atmosphérique, à partir de mesures directes sur des parcelles, et à partir de mesures de concentrations. La répartition des sites de mesure est trop éparse pour permettre de distinguer, à l’échelle régionale, les puits et les sources. Ils sont connus à l’échelle continentale, ce qui n’est pas suffisant pour comprendre les processus qui contrôlent les échanges de carbone entre l’atmosphère et la surface. A ce stade de notre connaissance, il n’est donc pas possible de prévoir l’évolution des flux de carbone à long terme. L’amélioration de la connaissance des puits et des sources de carbonne passe par la densification des mesures.

Mesure satellitale du dioxyde de carbone 

L’objet de l’observation satellitale du dioxyde de carbone est la mesure de la concentration moyenne dans la colonne atmosphérique. Idéalement, il serait préférable de pratiquer la mesure du profil, c’est-à-dire la répartition verticale de la concentration. Toutefois les techniques (lidar et infrarouge thermique) permettant d’atteindre cet objectif n’ont pas encore démontré la possibilité de restituer un profil vertical à la précision souhaitée. Des études préalables ont montré que la mesure de la concentration moyenne pourrait déjà contribuer à améliorer la connaissance des puits et des sources de carbone [RO01].

On cherche à mesurer la concentration moyenne intégrée sur la colonne avec une erreur inférieure à 1 ppm. La précision de mesure est considérale : l’erreur de mesure souhaitée est inférieure à 1 % de la concentration atmosphérique de fond, voisine de 400 ppm. Une telle qualité de mesure est nécessaire pour pouvoir détecter les variations spatio-temporelles typiques de la concentration, de l’ordre de quelques parties par million. La dimension des scènes de mesure, visées par l’instrument, est de l’ordre de 10 × 10 km² . Cette dernière a été définie en tenant compte du besoin de connaissance des puits et des sources à l’échelle régionale.

La principale méthode de mesure du dioxyde de carbone repose sur l’évaluation de l’absorption de la lumière par celui-ci. Une source lumineuse de référence est observée à travers l’atmosphère. Plus la concentration en dioxyde de carbone est grande, plus la lumière est atténuée dans les raies d’absorption. Une mesure différentielle, dans et en dehors des raies, permet d’estimer la concentration en dioxyde de carbone atmosphérique.

Leurs concepts instrumentaux diffèrent. Le spectromètre d’OCO est un spectromètre à réseau alors que celui de GOSAT est un spectromètre par transformation de Fourier. La mesure du dioxyde de carbone est obtenue par absorption différentielle, en utilisant, pour ces deux satellites, le Soleil comme source lumineuse. Les instruments mesurent le spectre du flux solaire renvoyé par la surface, la lumière ayant parcouru un allerretour à travers l’atmosphère. La concentration est déduite de la profondeur des raies d’absorption du dioxyde de carbone dans les spectres. La concentration est d’autant plus grande que les raies sont profondes. GOSAT acquiert également des spectres dans le domaine thermique. Le principe de mesure dans l’infrarouge thermique est différent. Il repose sur la compétition entre l’absorption et l’émission thermique du gaz considéré. Une mesure dans l’infrarouge thermique nécessite une bonne connaissance a priori du profil de température. Il existe également des projets de mesure active par absorption différentielle. Dans ce cas, l’instrument est un LIDAR, et la source est un laser embarqué sur le satellite. Un concept instrumental actif permet d’effectuer des mesures de jour comme de nuit puisqu’il n’exploite pas la lumière solaire. Le sondage dans l’infrarouge thermique à haute résolution spectrale (à condition de couvrir un ensemble de raies de sensibilités différentes à la température et à la concentration) permettrait en principe d’atteindre un objectif analogue de nuit comme de jour (au moins dans la troposphère libre).

Le CNES a développé un concept de spectromètre par transformation de Fourier statique dont la masse et les dimensions sont réduites par rapport à celles des spectromètres classiques. L’instrument présente l’avantage d’être compatible avec un emport sur un microsatellite. De ce fait, le spectromètre ouvre la perspective d’une mission à plusieurs satellites opérant en constellation. Une constellation de satellites permet de densifier les mesures et ainsi d’estimer les flux avec une meilleure résolution spatiotemporelle. D’autre part, une constellation permet d’envisager un suivi sur le très long terme, par des satellites lancés successivement.

Table des matières

Table des matières
Remerciements
Introduction
1 Concept instrumental
1.1 La spectrométrie par transformation de Fourier
1.1.1 Une des techniques de spectrométrie
1.1.1.1 Généralités concernant les spectromètres
1.1.1.2 Spectrographes à prisme et à réseau
1.1.1.3 Spectromètres de Fabry-Pérot
1.1.1.4 Spectromètres par transformation de Fourier
1.1.2 La spectrométrie par transformation de Fourier en détail
1.1.2.1 Aspect interférentiel du concept
1.1.2.2 Echantillonnage de l’interférogramme
1.1.2.3 Caractéristiques instrumentales
1.1.3 Comparaison avec les autres méthodes d’analyse spectrale
1.1.3.1 Avantage de Jacquinot sur l’étendue géométrique
1.1.3.2 Avantage de Felgett ou avantage multiplex
1.1.3.3 Avantage de Connes sur la fonction d’appareil
1.2 Spectromètre par transformation de Fourier statique
1.2.1 Avantages d’une configuration statique
1.2.2 Présentation du concept instrumental
1.2.2.1 Echantillonnage statique de l’interférogramme
1.2.2.2 Echantillonnage irrégulier de l’interférogramme
1.2.2.3 Influence de la dimension spatiale
1.2.2.4 Bilan sur les caractéristiques du concept
1.2.3 Les composants instrumentaux essentiels
1.2.3.1 Les miroirs à échelettes
1.2.3.2 Lame modulatrice
1.2.3.3 Filtre optique passe-bande
1.2.3.4 Acquisition de l’image de l’interférogramme
2 Maquette expérimentale
2.1 Historique et évolutions
2.2 Description du banc de mesure
2.2.1 Les sources de lumière
2.2.1.1 La source naturelle : le Soleil à travers l’atmosphère
2.2.1.2 Les sources artificielles
2.2.2 Le spectromètre
2.2.2.1 Le cœur interférométrique
2.2.2.2 Le système d’imagerie des miroirs
2.3 Le cœur interférométrique monobloc
2.3.1 Dimensionnement de la partie statique
2.3.1.1 Dimensions
2.3.1.2 Matériau optique
2.3.1.3 Traitements des surfaces optiques
2.3.1.4 Interfaces mécaniques
2.3.2 La lame modulatrice
2.3.2.1 Principe de fonctionnement
2.3.2.2 Déplacement et précision de déplacement de la lame
2.3.2.3 Temps de commutation et de stabilisation de la lame
2.4 Caractérisation du spectromètre
2.4.1 Caractérisation de l’interféromètre
2.4.1.1 Matrice de différence de marche
2.4.1.2 Stabilité thermique du cœur interférométrique
2.4.2 Caractérisation de la lame modulatrice
2.4.2.1 Etalonnage de la consigne de la lame modulatrice
2.4.2.2 Temps de commutation et de stabilisation
2.4.2.3 Stabilité de la lame modulatrice
2.4.3 Caractérisation des mesures du spectromètre
2.4.3.1 Caractérisation des interférogrammes
2.4.3.2 Caractérisation des spectres
3 Méthode d’exploitation de l’instrument
3.1 Modélisation instrumentale
3.1.1 Modélisation globale
3.1.2 Modélisation radiométrique
3.1.2.1 Niveau d’obscurité
3.1.2.2 Gains interpixels
3.1.2.3 Non-linéarité du détecteur
3.1.3 Paramètres de mesure étalonnés
3.2 Etalonnage radiométrique
3.2.1 Niveau d’obscurité
3.2.1.1 Méthode de mesure
3.2.1.2 Méthode de traitement et de correction
3.2.2 Gains interpixels de sensibilité
3.2.2.1 Méthode de mesure
3.2.2.2 Méthode de traitement, de correction
3.2.3 Non-linéarité du détecteur
3.2.3.1 Méthode de mesure
3.2.3.2 Méthode de traitement et de correction
Conclusion

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