SPECTROMETRE A TRANSFORMEE DE FOURIER
La qualité de l'air dans les grandes agglomérations urbaines est devenue une priorité non seulement pour la recherche dans le domaine de l'environnement mais également pour les autorités de santé publique. La compréhension des processus responsables de la pollution en milieu urbain nécessite la mise en place d'instruments innovants capables de fournir une mesure précise et détaillée de la composition atmosphérique : mesure d'un grand nombre de polluants, information précise sur la distribution verticale de ces espèces et suivi dans le temps (si possible en continu) de leurs concentrations.
Le spectromètre à transformée de Fourier (STF QualAir), sous la responsabilité directe du LPMAA, constitue un des instruments majeurs de la plateforme expérimentale QualAir de l'IPSL et de l'UPMC pour mesurer et analyser les polluants de l'air d'une grande métropole comme Paris. Equipé d'un instrument de type Bruker HR125 avec un ensemble très complet d'éléments optiques, de sources internes et de détecteurs, ce spectromètre permet de couvrir un très large domaine spectral de l'ultraviolet (250 nm) à l'infrarouge moyen (18 µm) pour sonder un grand nombre de polluants atmosphériques : HNO3, O3, NO, CO, hydrocarbures, NO2, NO3 H2CO, SO2, composés organiques volatiles, ... L'instrument (associé à un héliostat placé sur la terrasse de la barre 45-46 pour collecter et transférer le rayonnement solaire après traversée de l'atmosphère) est installé dans la salle expérimentale située en dessous, le STF QualAir, cf. Fig.1. Il enregistre depuis mars 2007, des spectres atmosphériques dans le domaine spectral optimisé pour analyser le dioxyde d'azote NO2 (autour de 2914 cm-1). Dans cette région spectrale de 2400 à 3200 cm-1 (de 3,1 à 4,2 µm), d'autres espèces comme CH4, H2CO, O3, C2H6, CO2, HF, HCl, ... sont également mesurées, cf. Fig.2.
Fig.1 - STF QualAir |
Fig.2 Exemple d'espèces observées |
Les signatures spectrales observées dans les spectres atmosphériques sont utilisées comme données d'entrée d'un algorithme de transfert radiatif pour déterminer par méthode inverse la concentration des polluants dans l'atmosphère. Basé sur la loi de Beer-Lambert, l'algorithme d'inversion du LPMAA modélise la transmission atmosphérique pour générer un spectre théorique. Ce spectre théorique est ensuite comparé et ajusté au spectre mesurée par l'instrument STF QualAir par une méthode de moindres carrés (Levenberg-Marquardt) pour fournir la colonne totale ou le profil vertical de concentration des polluants étudiés, cf. Fig.3 pour NO2. La figure 3b présente les colonnes obliques de NO2 pour 2 journées complètes de mesures en hiver et en été. La contribution de NO2 observées dans les spectres provient essentiellement de la stratosphère. Couplée aux mesures plus sensibles à la troposphère du Lidar ou du SAOZ et aux concentrations au sol du réseau AirParif, nous disposons d'une bonne représentation verticale de cette espèce très importante pour comprendre les phénomènes liés à la pollution des grandes agglomérations urbaines (formation d'ozone troposphérique, lien avec les aérosols organiques secondaires, ...). Sur la figure, on observe la différence attendue de la concentration de NO2 entre l'hiver et l'été ainsi que l'augmentation de cette concentration au cours de la journée (formation de NO2 par photochimie).
Fig.3a |
Fig.3b |
Fig.3 - Résultats des inversions de NO2 . Ces résultats ont été obtenus au cours d'un stage de M2 (E. Dieudonné en collaboration avec le LATMOS).
Les autres possibilités d'utilisation du STF QualAir :