04 j-cousin-gsma ifremer-27-06-2012-v4

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04 j-cousin-gsma ifremer-27-06-2012-v4

  1. 1. Spectroscopie laser pour lamesure de terrain de gaz dintérêtenvironnementalJulien CousinGroupe de Spectrométrie Moléculaire et AtmosphériqueGSMA, UMR CNRS 7331, Université de Reimsjulien.cousin@univ-reims.fr
  2. 2. Groupe de Spectrométrie Moléculaire et Atmosphérique UMR – CNRS 7331 ~ 50 personnes, 2 axes de recherche  Spectroscopie Moléculaire (théorique & expérimentale)  Aéronomie (planétologie, stratosphère, chimie atmosphérique ) Instituts de rattachement CNRS: ● Institut de Physique ● Institut d’Ecologie et d’Environnement ● Institut National des Sciences de l’Univers Partenariat de coopération Forte composante instrumentale !!
  3. 3. Pourquoi la spectrométrie IR ?● Signature spectrale de plus de 35 espèces ● H2O, CO2, O3, N2O, CO, CH4, O2, NO, SO2, NO2, NH3, HCl …● Méthode très sélective (isotopes) ● H216O, H218O, H217O, HDO, HD18O, HD17O Near-IR Mid - IR ● C16O2, 13C16O2, 16O12C18O, 12 O12C17O, 16O13C18O, 16O13C17O 16 … ● N2O, 14N15N16O, 14N14N16O, N218O, 14N217O 14 ● CH4, 13CH4, 12CH3D ● … 3
  4. 4. Pourquoi la spectrométrie par diodes lasers ?● Très haute résolution spectrale (MHz) => Haute sélectivité (R = λ/∆λ > 1.1011)● Précision sur les concentrations < 1-5%● Très grande sensibilité (< 0.3 %)● Hautes résolutions temporelle ~ 10 ms● Grande dynamique de mesure (plusieurs ordres de grandeur)● Compacts NEW ! GaInAsSb / GaAlAsSb : DFB - InGaAsP : 2 µm < λ laser < 3.5 µm Quantum Cascade Laser 1 µm < λ laser < 1.8 µm H2O , CO2 isotopes RT- QCL lasers !! H2O , CH4 , CO2 proche infrarouge H2O isotopes, N2O DETECTEURS: InGaAS and InAs photodiodes … moyen infrarouge 4
  5. 5. CO2 H2O : 1-2 % N2 O H2O CO2 : 360 ppm QCL N2O CH4 : 2 ppm CO2 N2O : 320 ppb CH4 CH4 QCLNear-IR Mid - IR 5
  6. 6. Principe de la mesure CH4, 40 Torr, 8cm, λ~ 1.65 µm ILaser Fo L F1 Fo F1 ∆σLaserPeltier TLaser σ LaserBeer – Lambert law : σLaser (TLaser, ILaser) = σmol I(σ )Tgas (σ ) = = exp[− S[S0 (σ i ), T ] .V(p, T, σ i ).N (T , p ).C.l ] I 0 (σ ) PARAMETRES MOLECULAIRES % = 10-2 molécules absorbantes ppm = 10-6N(T,p) = Nombre total de molécules /cm   ; C = 3 ppb = 10-9 molécules totales ppt = 10-12 6
  7. 7. Exemple de spectre in situ CO2 : (3001)III --- > (0000) at 1.602 µm L = 10 m PCO2 = 13.3 mbar R(6) R(16) R(30) 15 cm-16233 cm-1 6248 cm-1 G. Durry & al. , Spectrochimica Acta A, Vol. 60, p3371, 2004. 7
  8. 8. PicoSDLA - Trends in stratospheric H2O Laser hygrometer - Satellite operated validationfrom weather balloons - H2O in the TTL ~ 800 g Rapidité : 100 ms Limite de détection ~5.10-4 Précision < 1 % Gamme : 0 - 50000ppm
  9. 9. Test–flight, Aire sur Adour (44°N), 08/6/2007 Ballons stratosphériques CNES 900 à 3000 m3 30 à 500 kg
  10. 10. PicoSDLA: KirunaH2O (2.63µm) , CO2 (2.68 µm), (Sweden, 67°N) April 2010 CH4 (3.3 µm)
  11. 11. Mars 2012, Bauru, Brésil …PicoSDLA- CO2 @ 2.68µm 70 cm
  12. 12. Exemples de mesuresin-situ avec les sondes PicoSDLA PicoH2O – juin 2007 PicoCH4 – mars 2012
  13. 13. CO2 QCLGain dun facteur ~100sur les absorptions ! N2O N2O CO2 CH4 N2O Near-IR Mid - IR 13
  14. 14. QCLAS Quantum Cascade Laser Absorption Spectroscopy• Applications in situ: QCL @ 4.5 et 8 µm – Gaz à effet de serre : N2O, CO2, CH4 … – Traceurs atmosphériques : isotopes – Pollution atmosphérique : SO2 …• Caractéristiques: – Sensible # 0,05 % – Rapide : 1-15 Hz – Stable : plusieurs mois – Mesure de « terrain » : -10 à 55°C – Autonome et peu de maintenance – Transportable
  15. 15. Exemple de résultats in situ pour QCLAS version N2O @ 4.5 µm Mesures précises et rapides : C = 319,2 +/- 0,9 ppb @ 0,1 s (0,3 %) C = 319,2 +/- 0,1 ppb @ 10 s (0,03 %) Bonne sensibilité ! L. Joly et al., Applied Physics B 103, 717-723 (2011)
  16. 16. Validation des mesures au LSCE (CEA) version N2O @ 4.5 µm • Déploiement rapide (20 min) • Bonne linéarité (Corrélation R2=1) • Précision absolue # 50 ppt (0,016 %) 15 s dintégration Précision # 0,016 % < 50 ppt
  17. 17. Applications in situ de QCLAS version N2O et CH4 Mesure simultanée des émissions de N2O et CH4 @ 8 µmMesure des risques de pollution des sols et de l’eau en vue d’uneproposition de gestion des déchets d’élevage de Wallis Trajet : 22 000 km /27h30 Conditions difficiles : QCLAS 28-37°C 60-93% RH + la pluie P.Gunkel Grillon, L. Joly, E. Roth et X. Thomas CH4 < 5 ppb/ 1 s ; N2O < 2 ppb/ 1 s N2O CH4 Routes non carrossables
  18. 18. Applications in situ de QCLAS version N2O, CO2 et H2OProjet NitroCOSMES Mesure simultanée des émissions de N2O, CO2 et H2O @ 4.5 µm• Meilleure compréhension et modélisation du fonctionnement des surfaces continentales aux échelles du paysage et de la petite région• Mesure de Flux de N2O sur l’un des réseaux internationaux de suivi des gaz à effet de serre ICOS, NitroEurope et GHG Europe géré par le CESBIO (site de Lamasquère). ICOS :Site lamasquère Météopole – Météo France
  19. 19. Création d’AEROVIA en juillet 2010 (SAS) www.aerovia.frAerovia industrialise et vend les senseurs à diodes laser du GSMA

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