Dans un contexte de réchauffement climatique, il est nécessaire de savoir mesurer les flux de CO2

atmosphériques. L’objectif est d’évaluer les émissions de CO2 anthropiques, mais également de

mesurer les échanges de CO2 entre l’atmosphère et la biosphère afin de surveiller la réponse des

écosystèmes au changement climatique. Ma thèse traite de la mesure du second type de flux. Les

échanges de CO2 entre l’atmosphère et la biosphère s’effectuent grâce à des flux turbulents, c’est-à-

dire des déplacements de CO2 opérés par les turbulences de vent. Afin de mesurer ces flux, il est

nécessaire de mesurer la concentration du gaz et la vitesse du vent de manière simultanée et résolue

dans l’espace. Un Lidar DIAL-Doppler répond à ce besoin, en mesurant la concentration de CO2 grâce

à une mesure DIAL (DIfferential Absorption Lidar), et en mesurant la vitesse de vent par vélocimétrie

Doppler. Cependant, les lidars DIAL-Doppler présents dans l’état de l’art antérieurement à ma thèse

n’atteignent pas une précision suffisante sur la mesure de concentration de CO2 pour estimer un flux

turbulent.

Lors de ma thèse j’ai utilisé une source laser récemment développée par L’ONERA et le Laboratoire de

Météorologie Dynamique pour réaliser un lidar DIAL-Doppler aux performances de mesure adaptée à

la mesure de flux turbulent. J’ai réalisé la démonstration expérimentale de mesure de flux turbulent avec

un tel lidar.

Le lidar émet à la longueur d’onde de 2,05 µm pour tirer parti de la forte absorption du CO2 à cette

longueur d’onde. La source laser répond à la problématique de la limitation de la précision d’un lidar

cohérent par le bruit de speckle. A cause de cet effet, la précision n’est pas seulement déterminée par

la puissance de signal mais également par la cadence de tir d’impulsion de la source. La source possède

une architecture d’amplification MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) hybride fibre/cristal.

L’architecture MOPA permet la mise en place d’une cadence de tir rapide et l’amplification hybride

permet d’atteindre une puissance laser élevée (30 W).

Lors de ma thèse j’ai amélioré le pompage de l’amplificateur cristallin. Grâce des simulations, j’ai

déterminé le réglage d’impulsion optimal pour des mesures lidar. Après avoir assemblé le lidar, j’ai

évalué ses performances de mesure de concentration de CO2 et de vitesse de vent. La précision de

CO2 atteinte permet une application du lidar à la mesure de flux turbulents. Pour démontrer la capacité

du lidar à mesurer des flux turbulents, j’ai réalisé des profils verticaux de flux de CO2 dans la couche

limite atmosphérique. La précision de mesure est tout juste supérieure au seuil de détection une

première avec un lidar DIAL-Doppler. J’ai comparé les mesures réalisées par le lidar à celles réalisées

par des stations d’observation déployées sur le plateau de Saclay. J’ai établi que les mesures lidar sont

cohérentes avec le flux de CO2 induit par la photosynthèse au sol, et avec le flux d’entrainement au

sommet de la couche limite atmosphérique.

Mots clés:

Lidar DIAL-Doppler, CO2 atmosphérique, flux turbulent, amplification hybride

Hervé Delbarre, LCPA, Université Côte d’Opale Dunkerque, Rapporteur

Bertrand Parvitte, URCA REIMS, Rapporteur

Patrick Georges, LCF, Université Paris Saclay, Examinateur

Guylaine Canut, CNRM Toulouse, Examinatrice

Fabien Gibert, LMD Palaiseau, Directeur de thèse

Nicolas Cézard, IODI, ONERA Toulouse, Co-directeur de thèse

Julien Lahyani, DOTA, ONERA Palaiseau, Encadrant