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Campagne 1999 18 Projet Modélisation 4.2. Le DOAS Le DOAS, système relativement récent, permet de mesurer simultanément la concentration de nombreux gaz dans l’atmosphère (NO, NO 2 , O 3 , SO 2 , HCHO, HONO, OH, NO 3 , CIO, CCIO et BrO). La mesure DOAS donne la concentration moyenne de ces gaz sur un trajet horizontal de quelques centaines de mètres à 1 kilomètre. Il est donc peu sensible aux sources ponctuelles et particulièrement bien adapté pour la comparaison avec les résultats de modèle numérique où on utilise des grilles de l'ordre du kilomètre. 4.2.1. Principe de fonctionnement Photo 4.2. Le DOAS dans la cour de l’école de Vif Un faisceau de lumière se propageant dans l'air, est atténué par les différents gaz qui le compose, par absorbtion, selon la loi de Lambert : I λ = I 0 exp( −ε L) λ λ avec I λ intensité du rayonnement détecté I intensité du rayonnement émis λ0 ε coefficient d’extinction (m -1 ) dépendant du gaz considéré et proportionnel à sa λ concentration (ε λ =σ λ .c) L longueur du chemin parcouru (m) Comme chaque gaz a un spectre d’absorption qui lui est propre et qui constitue sa «signature » spectrale, lorsqu'une certaine longueur d’onde est absorbée il est possible d'en déduire la présence d’un certain gaz ainsi que sa concentration (après étalonnage). Le principe du DOAS est d’émettre dans l’atmosphère un faisceau de large bande spectrale (allant des UV aux IR), de capter ce rayonnement après un parcours de 100 à 1000 mètres, et enfin, d’en déduire la concentration de chaque gaz à partir de la différence entre les intensités spectrales émises et reçues. Pour calculer ces concentrations on procède ainsi: • Dans un premier temps on établit le spectre d’absorption de chaque gaz pour une longueur et une concentration de référence. • Puis, on considère que le spectre différentiel résulte d’une combinaison linéaire des spectres des différents gaz contenus dans l’atmosphère. • avec N DA mesuré = ∑ Cst * Ci * DAref , i i= 1 DA mesuré spectre différentiel mesuré
Campagne 1999 19 Projet Modélisation C i concentration du gaz DA ref , i spectre différentiel du gaz i dans les conditions d’étalonnage Cst Constante dépendant entre autre des conditions d’étalonnage (concentration et longueur de référence)et d’expérimentation (chemin parcouru par les rayons) • De là, il suffit de trouver la distribution de concentrations de chaque gaz qui permet de minimiser l’écart entre le spectre mesuré et celui calculé par combinaison linéaire. PSU / SHUTTERS LIGHT EMITTER LIGHT SOURCE LIGHT RECEIVER (TELESCOPE) OPTICAL FIBER RETRO- REFLECTOR STEPPER MOTOR OMA / SCANNER-PMT DIFFRACTION GRATING COMPUTER COLLIMATING MIRROR FOCUSING MIRROR SPECTROGRAPH Figure 4.2.1. Diagramme schématique d'un DOAS monostatique. 4.2.2 Résultats de mesures du DOAS basé à Vif (<strong>EPFL</strong>) Description de l’appareil utilisé L’appareil utilisé au cours de la campagne de Grenoble est un système DOAS disponible commercialement (DOAS 2000®, Thermo Environnemental Instruments Inc.) et actuellement en train d’être optimisé à l’<strong>EPFL</strong>. Il est constitué d’un télescope coaxial Cassegrain f/8, 8‘’ dans lequel une lumière émise par une lampe à Xénon haute pression 150 Watt est collectée et dirigée à travers l’atmosphère jusqu’à un rétro-réflecteur à 7 coins cubes. Le faisceau de lumière réfléchi, collecté dans le même télescope, est focalisé sur une fibre optique pour être alors transmis sur un spectromètre Czerny-Turner f/3.9, 0.2 mètres de focale, équipé d’un raiseau à 600 traits/mm. La lumière dispersée par le réseau est linéairement scannée à 30 Hz par un système électromécanique à fente oscillante et détectée par un tube photo-multiplicateur placé derrière le scanner. La position du scanner est recalculée en temps réel et controlée par un système d'interférométrie optique. Un logiciel travaillant sous Windows® est utilisé pour piloter le système, et faire l’acquisition et le traitement des données.
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